3D-ljudrekonstruktion

3D-ljudrekonstruktion är tillämpningen av rekonstruktionstekniker på 3D-ljudlokaliseringsteknik . Dessa metoder för att rekonstruera tredimensionellt ljud används för att återskapa ljud som matchar naturliga miljöer och ger rumsliga signaler om ljudkällan. De ser också tillämpningar för att skapa 3D-visualiseringar på ett ljudfält för att inkludera fysiska aspekter av ljudvågor inklusive riktning, tryck och intensitet . Denna teknik används inom underhållning för att återge ett liveframträdande genom datorhögtalare. Tekniken används också i militära tillämpningar för att bestämma placeringen av ljudkällor . Att rekonstruera ljudfält är också tillämpbart på medicinsk bildbehandling för att mäta punkter i ultraljud.

Tekniker

För att återge robust och naturligt ljud från en tredimensionell ljudinspelning används tekniker för ljudlokalisering och efterklangsrekonstruktion . Dessa tekniker bearbetar ljud för att återge de rumsliga signalerna.

Placeringen av en ljudkälla bestäms genom tredimensionell ljudlokalisering med hjälp av flera mikrofonsystem, binaurala hörselmetoder och HRTF (huvudrelaterad överföringsfunktion) .
Efter identifiering av riktningen används andra signalbehandlingstekniker för att mäta impulssvaret under lång tid för att bestämma intensitetskomponenterna i olika riktningar. Genom att ha både data och kombinera ljudintensitet med riktning bestäms ett tredimensionellt ljudfält och fysiska egenskaper som skapar de resulterande förändringarna i intensitet rekonstrueras.

Som ett resultat av denna tvåstegsprocess innehåller det rekonstruerade tredimensionella ljudfältet information inte bara om lokaliseringen av ljudkällan, utan också om de fysiska aspekterna av miljön för den ursprungliga signalkällan. Detta är dess skillnad från resultaten av ljudlokaliseringsprocessen.

Efter att ljudet har rekonstruerats och de rumsliga ledtrådarna är tillgängliga måste de levereras till kunden. De olika metoderna för att göra detta ingår i detta avsnitt.

Lyssningsrum

Högtalarplacering från ITU-R-rekommendation

I lyssningsrumsmetoden tar lyssnaren emot ljudet antingen via hörlurar eller via högtalare. Hörlurar introducerar tillräckligt med ljudkällor för att en lyssnare ska kunna uppleva 3D-ljud med riktning. Med högtalare påverkar placeringen och antalet högtalare återgivningsdjupet. Det finns olika metoder för att välja plats för högtalarna. En enkel modell består av fem högtalare, placerade i den ITU-R rekommenderade formationen: mitten, 30° till vänster, 110° till vänster, 30° till höger och 110° till höger. Denna uppställning används med flera tredimensionella ljudsystem och rekonstruktionstekniker. Som ett alternativ kan den huvudrelaterade överföringsfunktionen användas på ljudkällans signal för att panorera dess faltning till var och en av högtalarna beroende på deras riktning och placering. Detta möjliggör beräkning av signalenergin för varje högtalare genom utvärdering av ljud i flera kontrollpunkter i lyssningsrummet.

Efterklangsrekonstruktion

3D-ljudsystem med Reverberation Reconstruction flödesschema

Efterklangsrekonstruktionen innebär att man mäter ljudet med en fyrapunktsmikrofon för att mäta dess verkliga leveransförseningar på olika platser. Varje mikrofon mäter ett impulssvar från en tidsutsträckt pulssignal för olika tidsramar med olika ljudkällor. Den erhållna informationen appliceras på det tredimensionella ljudsystemet med 5 högtalare, som i lyssningsrumstekniken. Systemet kombinerar också den huvudrelaterade överföringsfunktionen med impulssvaret från signalen som spelas in av mikrofonerna och energin justeras enligt den ursprungliga tidsramen för ljudsignalen, och en extra fördröjning läggs till ljudet för att matcha tidsramen av impulssvaret. Faltningen och fördröjningarna appliceras på all ljudkällasdata som tas och summeras för den resulterande signalen.

Denna teknik förbättrar också riktningen, naturligheten och klarheten hos det rekonstruerade ljudet i förhållande till originalet. En nackdel med denna metod är att antagandet om en enda ljudkälla – medan verkliga efterklang inkluderar olika ljud med överlappning – tillsammans med att lägga till alla olika värden inte förbättrar lyssnarnas uppfattning om rummets storlek, uppfattningen av avstånd är inte förbättrats.

Laserprojektioner

Eftersom ljudvågorna orsakar förändringar i luftdensiteten, orsakar det sedan ljudtrycksförändringar. De mäts och bearbetas sedan med hjälp av tomografisignalbehandling för att rekonstruera ljudfältet. Dessa mätningar kan göras med hjälp av projektioner, vilket eliminerar behovet av att använda flera mikrofoner för att bestämma separata impulssvar. Dessa projektorer använder en laserdopplervibrometer för att mäta brytningsindexet för mediet på laserbanan. Dessa mätningar bearbetas av tomografisk rekonstruktion för att reproducera det tredimensionella ljudfältet, och sedan används faltningsprojektionen för att visualisera det.

Närfälts akustisk holografi

I närfältsakustisk holografi mäts ljusbrytningen i ett tvådimensionellt område i mediet (detta tvådimensionella ljudfält är ett tvärsnitt av det tredimensionella ljudfältet) för att producera ett hologram . Därefter uppskattas mediets vågtal genom analys av vattentemperaturen. Flera tvådimensionella ljudfält beräknas, och det tredimensionella ljudfältet kan också rekonstrueras.

Denna metod är tillämpbar främst på ultraljud och för lägre ljudtryck, ofta i vatten och vid medicinsk bildbehandling. Metoden fungerar under antagandet att mediets vågtal är konstant. Om vågantalet förändras i hela mediet kan denna metod inte rekonstruera det tredimensionella ljudfältet lika exakt.

Se även