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räumliches hörenPiotr Majdak - [email protected] in akustik und computermusik
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Räumliches Hören● Einzelnes Hörereignis:
- Zuordnung der räumlichen Position- Identifikation auch außerhalb des Sichtbereichs
● Multiple Schallquellen: - Auditorische Szene (und deren Analyse)- Coctail-party effect (Konzentration auf eine Schallquelle)
● In Räumen:- Multiple Echos (Nachhall)- Komplexe perzeptive Effekte:
Wahrnehmung der Schallquelle (Klang, Distanz) Wahrnehmung des Raums Interaktion Raum-Schallquelle 12.11.2017
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Inhalte
● Grundlagen des räumlichen Hörens• Eine Schallquelle• Kein Raum (im Freifeld)
● Lokalisation über Kopfhörer● Modelle der Schallquellenlokalisation● Lokalisation über Lautsprecher● Hall, Räumlichkeit
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Schallempfänger
● Schall über zwei Empfänger zugänglich: • Ausgerichtet in der Horizontalebene • Individuelle Asymmetrien in der Geometrie der Empfänger
- Richtungsabhängige Filterung des Schalls
Williams (2002)
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Raumebenen
● Horizontalebene• Interaurale
Horizontalebene
● Medianebene• Sagittalebenen
- Parallelverschiebungen der Medianebene
● Frontalebene• Psychoakustisch nicht relevant
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Schallquelle im Freifeld
● Schallquellenposition:• Azimut:• Elevation:• Entfernung:
● Quelle-Ohr-Beziehung:• Ipsilateral:
- Schallquelle zugewandt• Kontralateral:
- Schallquelle abgewandt
r Azimut
Elevation
r
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Lokalisation
● Unterschied zwischen:• Schallquellenort• Hörereignisort
● Lokalisationsfehler• Systematischer Fehler• Mean, Accuracy, Bias
● Lokalisationsunschärfe• Statistischer Fehler• Variance, Precision, Blur
Fehler
Unschärfe
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Lokalisation in der Horizontalebene
ITD
● Interaurale Pegeldifferenzen- Interaural level differences (ILDs)
● Interaurale Zeitdifferencen- Interaural time differences (ITDs)
ITD ≠ 0
Links:
Rechts:
AL
AR
ILD: AL ≠ AR
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
● Akustischer Schatten beim kontralateralen Ohr
● Frequenzabhängig:• Wellenlänge größer
als der Kopf: - kein Einfluss
• Wellenlänge im Bereich des Kopfdurchmessers:
- Beugung um den Kopf• Wellenlänge kleiner als der Kopf:
- AbschattungDaniel (1998)
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
Azimuth (deg)
ILD
(dB
)
Blauert (1974)
Azimuth angle (deg)
Freq
uenc
y (H
z)
Breitbandige ILD (gemessen am Dummy)
ILD (Kugelmodell)
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
● Vereinfachung: ca. ab 1kHz wirksam
Williams (2002)
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
Herschkowitz & Durlach (1969)
ILD
JN
D (
dB
)
Schallpegel (dB über Hörschwelle)
● Perzeptive Schwelle (just noticable diff., JND):• Im Bereich von 1 dB (Hall, 1964)
• Hängt vom Schallpegel ab (Herschkowitz & Durlach, 1969)
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
● Perzeptive Schwelle (just noticable diff., JND):• Im Bereich von 1 dB (Hall, 1964)
• Hängt vom Schallpegel ab (Herschkowitz & Durlach, 1969)
• Geringe Abhängigkeit von der Frequenz oder interauraler Frequenz-verschiebung(Francart and Wouters, 2007)
Francart and Wouters (2007)
Frequenzverschiebung
ILD
JN
D (
dB
)
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Interaurale Pegeldifferenzen (ILDs)
● Perzeptive Schwelle (just noticable diff., JND):• Im Bereich von 1 dB (Hall, 1964)
• Hängt vom Schallpegel ab (Herschkowitz & Durlach, 1969)
• Geringe Abhängigkeit von der Frequenz oder interauraler Frequenz-verschiebung(Francart and Wouters, 2007)
• Gute Hinweise für primäre Abhängigkeit von derlateralen Schallquellenposition(Bernstein, 2004)
Francart and Wouters (2007)
ILD
JN
D (
dB
)
Frequenzverschiebung
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Einfaches Modell:ITD= T=r
csin
Begault (2001)
(Woodworth & Schlosberg, 1962)
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Einfaches Modell:
● Bessere Berücksichtigung der Anthropometrie:
ITD= T=rc
sin (Woodworth & Schlosberg, 1962)
re=0.51 x10.18 x30.032r re :
Algazi et al. (2001)
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Physikalischer Bereich: +/- 800 µs
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Perzeptive Schwelle:• Im Bereich von 10 µs
Zwislocki & Feldman, 1956
Frequenz (Hz)
IT
D (
µs)
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Physiologie der ITD-Wahrnehmung
Dietz (2010)
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Physiologie der ITD-Wahrnehmung
● Delay-line model (Jeffress, 1948):
Dietz (2010)
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Physiologie der ITD-Wahrnehmung
● Delay-line model (Jeffress, 1948):
Dietz (2010)
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Physiologie der ITD-Wahrnehmung
● Delay-line model (Jeffress, 1948):• Äquivalent zu Kurzzeit-Kreuzkorrelation
Dietz (2010)
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)• Perzeptive Schwelle:• Im Bereich von 10 µs• Für Sinustöne: starke
Abhängigkeit von der Frequenz
- Phasenambiguität in der - laufenden ITD - Refraktärzeit der
Neuronen
Henning (1974)
ITD (µs)
Pe
rcen
t Cor
rect
(%
)
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Phase Locking
● Neuronen feuern bei überschwelligen Signalen● Phase Locking: Kodierung der Signalphase
Post-Stimulus-Time Histogramm(Frequenz: 375 Hz)
Periodisches Histogramm:(Periode: 5.33ms)
Greenberg (1997)
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Neuronale Aktivität
● Refrakträrzeit der Neuronen: ca. 1ms
● Max. Entladerate:• Einzelnes Neuron:
- max. 1 kHz• Ensemble:
- bis 3 kHz%
der
An
zah
l der
Ent
ladu
nge
n
Zeit in us Greenberg (1997)
Periodisches Histogramm:
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Perzeptive Schwelle in komplexen Klängen:• Sinuston-ITD → ITD in der Feinstruktur• Modulation → ITD in der Einhüllenden:
- Schwelle: ca. 50 µs
ITD ENV
≠ 0
ITD FS
≠ 0
Henning (1974)
ITD (µs)
Per
cent
Co
rre
ct (
%)
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Interaurale Laufzeitdifferenzen (ITDs)
● Lateralisation mit ITDs:• ITD in tiefen Frequenzen (Sinuston): starker Effekt• ITD in den hohen Frequenzen (Einhüllenden): schwach
Bernstein (2001)
ITD (µs)
Wah
rgen
om
me
ne A
usl
enk
ung
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Merkmale für die Lokalisationin der Horizontalebene
● ILD (breitbandig)?● ITD (breitbandig)?● Einhüllenden-ITD (hohe Frequenzen)?● Spektrale Merkmale (cues)?
- Interaurale spektrale Differenzen?- Monaurale Merkmale?
● Duplex-Theorie (Rayleigh 1907 & andere)
- Tiefe Frequenzen: ITDs- Hohe Frequenzen: ILDs
→ Gilt die Duplex-Theorie immer noch?
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Duplex-Theorie RevisitedMacpherson & Middlebrooks (2002)
● ILD-Gewichtung: • 0.52 (breitband); 0.24 (tiefpass); 0.82 (hochpass)
● ITD-Gewichtung: • 0.82 (breitband); 0.88 (tiefpass); 0.24 (hochpass)• Gewichtung der Einhüllenden-ITD (breitband):
kompliziert, hängt von Onset und Modulation ab● Gewichtung der interauralen spektrallen Differenzen:
• Gleich wie breitband-ILD● Gewichtung des monauralen (ipsilat.) Spektrums:
• 0.03 (breitband); 0.03 (hochpass)
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Merkmale für die Lokalisationin der Horizontalebene
● ILD in hohem Frequenzbereich● ITD in tiefem Frequenzbereich● Onset-ITD und ITD in laufender Modulation● Spektrale Information nicht relevant
(weder monaural noch binaural)
● Gültig nur in der vorderen Hälfte der Horizontal-ebene! (Rayleigh 1876)
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Cone of Confusion
● ITD-basierende Ambiguität zw. Vorne und Hinten
● Kann mit spektralen Merkmalen aufgelöst werden
Whigthman & Kistler (1997)
Messdaten Modell
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Cone of Confusion
Target Angle (Deg) Whigthman & Kistler (1997)
● Abb. links:- Flaches, konstantes
Spektrum
● Abb. rechts:- Spektrum zufällig variiert
● Ergebnis:- Mehr Vorne-Hinten-
Verwechslungen- Größerer Fehler in der
Elevation- Keine Effekte in der
Horizontalebene
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Perzeptives Koordinatensystem
● Geodäsisches Koordinatensystem: Azimut & Elevation ● Horizontal-polares Koordinatensystem:
• Lateraler Winkel: binaurale Unterschiede• Polarer Winkel: spektrale Merkmale
Azimut
Elevation
Binaurale Unterschiede
Spektrale Merkmale
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● Abb. links:• Spektrum: flach, konstant
● Abb. rechts:• Spektrum: zufällig variiert
● Ergebnis:• Monaurale Merkmale für:
- Vorne-Hinten-Diskrimination- Lokalisation in der Elevation
• All dies auch ohne binauraler Merkmale möglich
Monaurale Lokalisation
Target Angle (Deg) Whigthman & Kistler (1997)
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Spektrale Merkmale
● Außenohrübertragungsfunktionen Head-related transfer functions (HRTFs) • Beschreiben die Filterung
durch Kopf, Torso und Pinna • Abhängig von der Position
der Schallquelle • Größte räumliche Abhängig-
keit in hohen Frequenzen ● Im Zeitbereich:
• Head-related impulse responses (HRIRs)
Williams (2002)
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Bandbegrenzte Signale
● Abb. links:• Lokalisation mit breit-
bandingen Signalen● Abb. rechts:
• Signal ohne Energieab 5 kHz
● Ergebnis:• Breitbandige Signale
notwendig• Vorsicht: Akutstudie
Target Angle (Deg) Whigthman & Kistler (1997)
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Alltägliche Klänge sind breitbandig
Folgetonhorn
Reißen eines Stoffes
Babygeschrei
Hubschrauber
Eiswürfel ins Glas
Warnglocke am Bahnübergang
Whigthman & Kistler (1997)
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Messung der HRTFs
● Messung beim offenen Gehörgang:
Wightman & Kistler (1996) Wightman & Kistler (1996)
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Messung der HRTFs
● Messung beim geschlossenen Gehörgang
MØLLER et al (1995)
Probe microphone: Miniaturmikrophon:
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Messung der HRTFs
● Anlage am ISF, Wien:
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Messung der HRTFs
Di ,=P2 ,
P1
P3
P2
=Z ear canal
Z ear canalZ radiation
P4
P3
● Der richtungsabhängige Teil:• P
1 : Schalldruck im Zentrum, ohne Versuchsperson
• P 2 : Schalldruck am Eingang des geschlossenen Gehörgangs
● Der richtungsunabhängige Teil:
• P 3 : Schalldruck am Eingang des Gehörgangs
• P 4 : Schalldruck am Trommelfell
• Anpassung:•
• Gehörgang:MØLLER et al (1995)
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Messung der HRTFs
● Nach der Systemidentifikation:- S(f): Übertragungsfunktion des Gesamtsystems- E(f): Übertragungsfunktion des Equipments- H(f): HRTFs
S f =E f ⋅H f
E f =Emin f ⋅Emax f
H f = S f E f
H ' f =∣H f ∣⋅earg H f Emax f H f ⋅Emax f =S f
Emin f
hL , ,' [n] , hR , ,
' [n ]
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HRIRs
● In der Horizontalebene:ETC t =10⋅logh2t
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HRTFs
● In der Medianebene
Po
lar
ang
le (
deg
)
Frequency (kHz) Frequency (kHz)
Pol
ar a
ng
le (
deg
)
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Directional Transfer Functions (DTFs)
● Richtungsunabhängiger Teil: - Common Transfer Function (CTF)- Amplitudengang: logarithmischer Mittelwert über alle Positionen
- Phasengang: Minimumphasiges System- Enthält den Diffusanteil der HRTFs- Bei Messung mit offenem Gehörgang enthält dessen Resonanz
● Richtungsabhängiger Teil:- Directional Transfer Functions (DTFs)
C f =20N ∑
i=1
N
log∣H i f ∣
Di f =20⋅log∣H i f ∣−C f
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DTFs
● Modell der HRTF: H f =C f ⋅D f
Po
lar
an
gle
(de
g)
Frequency (kHz)
Po
lar
ang
le (
deg)
Frequency (kHz)
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Variabilität der Messung
● Wiederholung des Messaufbaus● Intersubjektive Auswertung
Whigthman & Kistler (1996)
Whigthman & Kistler (1996)
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Freifeldsimulation
● Freifeld-Darbietung:
● Simulation der Freifeld-Darbietung:
● Virtuelle binaurale Akustik● Auditorische Displays
● Diskrimierbarkeit: virtuell vs. real?
HRTF R
HRTF L
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Virtuelle Akustik
● Abb. links:• Lokalisation im Freifeld
● Abb. rechts:• Lokalisation mit
HRTFs
Target Angle (Deg) Whigthman & Kistler (1997)
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Merkmale für Schallquellenlokalisation
● Lateralisation:• Verschiebung des Hörereignisses innerhalb der
interauralen Achse• In-Kopf-Lokalisation• Merkmale: breitbandige ITDs und ILDs• Einfach ermittelbar aus der Anthropometrie
● Lokalisation:• Zuordnung einer räumlichen Position einer Schallquelle• Außer-Kopf-Lokalisation: Externalisation• Merkmale: monaurale spektrale Amplituden
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Lokalisationsleistung
● In der Horizontalebene:• Darbietung im Freifeld• Weiße Rauschimpulse • Signaldauer: 100ms• 600 bis 900
Versuchspersonen
Blauert (1974)
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Lokalisationsleistung
Middlebrooks (1999)
● 3D-Raum: Vergleich Freifeld vs. Virtuell
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Externalisation mit HRTFs
● Freifeld- vs. virtuelle Stimuli:• Mit idealen HRTFs keine Diskrimination möglich• Veränderung der HRTFs → schlechtere Externalisation
(bis zu Lateralisation!)
f in kHzHartmann (1996) Hartmann (1996)
125Hz
250Hz
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Individualität der HRTFs
Algazi et al (2001)Algazi et al (2001)
● HRTFs sind höchst individuell:- Messung: 27 Personen- Azimuth: 0°, Elevation: 0°- Sortiert nach dem ersten Notch
● HRTFs hängen stark von der Anthropometrie ab
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Individualität der HRTFs
● Lokalisation mit fremden Ohren?• Weniger Externalisation• Mehr Vorne-Hinten-Verwechslungen
● Effekt hängt von der HRTF-Kompatibilität ab:
Unterschiede in d. Anthropometrie → Unterschiede in den HRTFs
→ Unterschiede in Lokalisation
Middlebrooks (1999)
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Modellierung der HRTFs• Blauert (1974):
- Kugelmodell• Brown & Duda:
- Approximation des Kopfschatten, der ITD, Echo des Torso und der Reflexionen der Pinna
• Kistler and Wightman (1997): - Zerlegung mit der Hauptkomponentenmethode (PCA)- Statische Filter, die je nach Position versch. gewichtet werden
• Middlebrooks (1999): - Individuelle Anpassung der HRTFs durch Time-Stretching
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Kugelmodell
● Kugelmodell:• Schalldruck einer Kugelwelle (ungestört):
• Nach der Beugung:
• Beugungsverhältnis:
• Lösung: Berechnung der Koeffizienten und
p0t =ℜ { p0 ej 2 f t }
pt =ℜ { p e j 2 f t}
pp0
= pp0
e j
pp0
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Kugelmodell● Randwertproblem:
• für große Abstände: ungestörte Welle• für Kugeloberfläche: Normalkomponente der
Schnellevektoren verschwindet● Huygens-Fresnel'sche Prinzip:
• Zerlegung des Wellenfeldes in Kugelwellen
pp0
= 2 r
2
∑m=0
∞ 2m1Dm
Lm−cosejm−
m2
2m1Dmcosm= 4r [mN m−1/22 r
m1N m3/22 r ]
2m1Dmsin m= 4r [m1 I m22 r
−m Im2 r ]
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Kugelmodell
Schalldruck am linken Ohr
IID
Blauert (1974)
Blauert (1974)
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Numerische Berechnung der HRTFs
● Visuelle Geometrie-Erfassung● Numerische Berechnung:
• Randelemente (BEM) (Katz, 2001; Kahana & Nelson, 2007)
• Fast-Multipole gekoppelte BEM (Kreuzer, Majdak, & Chen; 2009)
• FMM-BEM in SH (Gumerov & Duraiswami, 2010)
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Numerische Berechnung der HRTFs● Numerische Berechnung:
• Fast-Multipole gekoppelte Randelemente(FMM-coupled BEM)
• Mesh mit über 70.000 Knoten
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Einfache Approximation der HRTFs
● Approximation des Kugelmodells:• ILD: Filter 1-ter Ordnung:
• ITD: Allpaß 1-ter Ordnung mit Gruppenlaufzeit:
sz=−20
sp=−20
mit 0=cr und =1.050.95cos 180 °
150 °
h ={−ac
cos 0≤∣∣2
ac∣∣−
2
2≤∣∣
azimut 0°
Zölzer (2002)
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Modellierung des Torso
● Einfaches Echo:
•
•
• Zusätzliche Abschwächung bei lateralen Positionen
t=1.2180°−
180° 1−0.00004[ −80° ⋅180°180° ]
2
Zölzer (2002)
... Azimut ... Elevation =0 ° ...60 °
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Modellierung der Pinna
● Multiple Reflexionen, empirisch erfaßt:•
• Dn ist individuell anzupassen
• : Verstärkung der Reflexionen
p=An cos/2sin [Dn90 °−]Bn
pn
Zölzer (2002)
... Azimut ... Elevation
=0 ° ...90 °
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Struktur: Torso-Kopf-Pinna
Zölzer (2002)
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Weitere Lokalisation beeinflussende Faktoren
● Visuelle Umgebung:• Visuelle Umgebung konsistent mit akustischer Information
hilft bei der Lokalisation (Majdak et al. 2010)
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Naive 400 800 1200 1600
0
10
20
30
40
50
Number of trials
Manual
Qua
dran
t er
rors
(%
)
NH12
NH15
NH16NH17
NH18
Weitere Lokalisation beeinflussende Faktoren
● Visuelle Umgebung:• Visuelle Umgebung konsistent mit akustischer Information
hilft bei der Lokalisation (Majdak et al. 2010)
● Erfahrung:• Training mit eigenen HRTFs
verbessert die Lokalisation (Majdak et al. 2010)
• Große Verbesserung gleich am Anfang (nach 400 Zielen)
• Langsamere Verbesserungdanach
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Kopfbewegungen
● Peilbewegung helfen Vorne-Hinten-Verwechslungen aufzulösen (Perret & Noble 1997)
Blauert (1974)
Stimuluslänge: 3s Rotation: 60°
Perret & Noble (1997)
schl
echt
er
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Abhängigkeit vom Alter
● Ausbildung des binauralen Systems bis zu der 2-ten Lebensdekade
● Wahrnehmung der ITD:
Prozentsatz der wahrgenommenen ITD bezogen auf die Wahr-nehmung Erwachsener
Litovsky and Ashmed (1997)
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Abhängigkeit vom Alter
● Durch den symmetrischen Hörverlust im Alter kaum schlechtere Lokalisation
Relative Häufigkeit des Lokalisationsfehler > 7.5°
Signal: weisses RauschenBlauert (1974)
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Plastizität des auditorischen Systems
Pre-test
Post-test
Hofman et al (1998)
Hofman et al (1998)
Hofman et al (1998)
● HRTF: angelernt oder “fest verdrahtet”?• Veränderung der HRTFs• Rekalibrierung des Systems möglich
(Hofman et al. 1998)
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Plastizität über gezieltes Training
(Walder, Laback, Majdak, 2010)
Training (Tage)
Pre-tests Post-tests
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Schallquellenlokalisation
● Freifeld, eine Quelle:• Laterale Positionen:
- Relevante Merkmale: Binaural, breitbandig- Spektrale Information vernachlässigbar- Einfacher Zusammenhang mit der Anthropometrie
• Vertikale Positionen (auch Vorne/Hinten):- Relevante Merkmale: Monaurale spektrale Amplituden- Individualisierte HRTFs essentiell:
Komplexer Zusammenhang mit Anthropometrie Generische HRTFs: Problem noch nicht gelöst
- Rekalibrierung über Training möglich- Modellierung komplex
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Virtuelle binaurale Akustik
● Echtzeit Filterung der Signale mit HRTFs:● HRTF: Spatially oriented format for acoustics (SOFA)
– http://sofaconventions.org● Signale (Bandbreite, Modulationen):
– https://freesound.org● Nachhall● Kongruenz mit visueller Information, Training
● Echtzeiterfassung der Position/Ausrichtung des Hörers:
● pd, Unity, OpenCV, etc...
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Binaurale Hörmodelle
● Jefress (1948)● Colburn and Durlach (1978):
Stern and Trahiotis (1997)
Stern and Trahiotis (1997)
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Bin. Hörmodelle
● Breebaart et al. (2001):• Periphäre Verarbeitungs-
stufe- Bandpass 1-4kHz- 3-Ordnung Gammatone-
Filterbank- Gauss'sches Rauschen
bei 60 uPa- Halbwellengleichrichtung
mit LP 5-ter Ord. @ 770Hz- 5 Adaptationskreise
Breebaart et al. (2001)
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Binaurale Hörmodelle
● Breebart et al.(2001):• Binaurale Verarbeitung• Zentrale Verarbeitung
Breebaart et al. (2001)
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Hörmodelle: Toolboxes
● Auditory Modeling Toolbox (AMT)● Über 30 Modelle aus verschiedenen Kategorien
– http://amtoolbox.sourceforge.net● Demonstrationen: demo_● Experimente: exp_● Modelle, z.B.: breebaart2001_
● EarLab: bis 2006 entwickelt● Brian Hears● Two!Ears
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Binaurale Kohärenz
● Veränderung des Hörereignisses mit dem Kohärenzgrad der binauralen Signale
● Anwendung: Simulation der Räumlichkeit
k ... KohärenzgradProzentangaben:
● Anteil der Hörereignisse
Signal: ● Breitbandrauschen
Blauert (1974)
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