Partitioned convolution algorithms for real-time auralization

Wefers, Frank; Vorländer, Michael (Thesis advisor); Savioja, Lauri (Thesis advisor)

Berlin : Logos-Verl. (2015, 2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur technischen Akustik 20
Seite(n)/Artikel-Nr.: IV, 258 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Virtuelle Realität (VR) schafft eine künstliche Wirklichkeit, in die ein Mensch eintauchen und mit der er interagieren kann. Ausgehend von der Beschreibung einer virtuellen Szene werden hierzu mit Hilfe von Computern, verschiedene Sinnesreize generiert, welche beim Benutzer die Illusion der Präsenz in dieser Wirklichkeit erzeugen. Für den Hörsinn bedeutet dies, dass man die akustische Beschreibung einer Szene in hörbare Signale überführen muss, welche dem Benutzer entsprechend dargeboten werden. Für diesen Prozess, der Auralisierung genannt wird, sind digitale Filter ein grundlegendes Werkzeug, das in verschiedenen Arten benötigt wird (z.B. lineare/nichtlineare Filter, zeitinvariante/zeitveränderliche Filter). Eine in der VR allgemeine Anforderung sind geringe Latenzen (möglichst zeitnahe Reaktion). Der Rechenaufwand hierfür reicht, je nach Anwendung, von moderat bis hochkomplex.Diese Arbeit befasst sich mit digitalen Filtern, welche endliche Impulsantworten haben, sogenannte FIR-Filter (von engl. finite impulse response). Für diese finden sich zahlreiche Anwendungen in der akustischen virtuellen Realität, wie beispielsweise in der binauralen Sythese, räumlichen Klangwiedergabeverfahren und bei der Erzeugung künstlichen Nachhalls. FIR-Filter können auf einfache Weise im Zeitbereich implementiert werden. Diese Art der Realisierung erfordert allerdings einen erheblichen Rechenaufwand und scheidet dadurch für die oben genannten Anwendungen aus. FIR-Filter können mit Hilfe schneller Faltungsalgorithmen effizienter implementiert werden.Seit Anfang der 1960er Jahre wurden verschiedene Konzepte zur schnellen Faltung entwickelt, häufig ausgehend vom "teile und herrsche" (divide-and-conquer) Paradigma. Das populärste Beispiel hierfür ist die schnelle Faltung mittels der schnellen Fouriertransformation (engl. Fast Fourier Transform, FFT), welche sich als Standardverfahren etablierte. Leider sind die meisten schnellen Faltungsverfahren nicht direkt zur Filterung von Signalen in Echtzeit geeignet. Als leistungsfähigstes Konzept hat sich hierbei die Technik der partitionierten Faltung herausgestellt. Dieses zerteilt zunächst die Operanden der Faltung (Partitionierung) und realisiert dann die gewünschte Filterung mittels schneller Faltungen dieser Teilprobleme. Die Art der Zerlegung bestimmt hierbei maßgeblich die Fähigkeit der Echtzeitverarbeitung. Die vorliegende Arbeit untersucht drei Klassen von partitionierten Faltungen, welche für Echtzeit-Auralisierungen geeignet sind: Algorithmen, welche Filter als Ganzes (d.h. unpartitioniert) verarbeiten und solche, welche Filter in gleiche Teile (uniform) und ungleiche Teile (nicht uniform) zerlegen. Für jede Klasse werden die algorithmischen Eigenschaften im Detail hergeleitet und analysiert und Richtlinien für die optimale Wahl der Parameter werden angegeben. Dabei werden alle Techniken auch hinsichtlich weiterführender Aspekte untersucht, welche für die virtuelle Realität relevant sind, wie Mehrkanal-Filterung, Zusammenschaltungen von Filtern zu Netzwerken, sowie zeitveränderliche Filterung. Die Arbeit identifiziert die geeigneten Faltungstechniken (Filterungsverfahren) für die oben genannten Anwendungen auf verschiedenen Endgeräten, von Auralisierung auf mobilen Endgeräten mit begrenzter Rechenkapazität bis hin zu umfangreichen Raumakustik-Auralisierungen auf speziellen Multiprozessorsystemen.