Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales.

Sistema para invidentes para la exploración de entornos tridimensionales almacenados en la memoria física de un computador mediante la síntesis de audio binaural en tiempo real de un espacio acústico vectorial compuesto por vértices acústicos. El sistema, que comprende un dispositivo servidor y un dispositivo cliente, monitoriza la posición y orientación de la cabeza del usuario y lo posiciona en un entorno acústico vectorial que contiene las características geométricas de un espacio virtual o real, permitiendo su exploración. Este sistema es de aplicación en el campo de las ayudas auditivas para ciegos, en la mejora de la movilidad de personas invidentes y en el aumento de la accesibilidad de computadores y dispositivos electrónicos

Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales.

La presente invención se refiere a un sistema que permite a personas invidentes explorar entornos tridimensionales, mediante la síntesis de audio binaural en tiempo real de un conjunto de fuentes sonoras puntuales en campo libre (vértices acústicos) que aproximan la geometría del entorno tridimensional, siendo de aplicación en el campo de las ayudas para invidentes y en la mejora de la accesibilidad a computadores y espacios reales. El sistema se diferencia de los existentes hasta la fecha en que: 1) la información geométrica no es adquirida por sistemas de visión artificial, sino que ésta se encuentra almacenada en la memoria física de un computador, 2) la descripción de la geometría es vectorial, resolviendo la falta de resolución espacial de sistemas basados en visión y 3) se incorpora un patrón inteligente de activación de las fuentes puntuales, dependiente de la propia geometría, que permite una percepción más eficiente y precisa del espacio acústico.

Antecedentes de la invención

El reto de proporcionar referencias espaciales a las personas invidentes se persigue desde hace mucho tiempo. Se ha facilitado información espacial a los invidentes a través del sentido del oído de muy diversas formas y, en concreto, existen varios grupos en el mundo que han trabajado en la traducción de información espacial a través de las funciones de transferencia de la cabeza, comúnmente denominadas HRTF (del inglés head related transfer functions) o de sus equivalentes temporales, las respuestas al impulso de la cabeza, llamadas HRIR (del inglés head related impulse responses).

Las HRIR de un determinado sujeto describen cómo un sonido que procede de una cierta dirección (\vartheta,φ) y desde una cierta distancia r se ve modificado por el efecto de la difracción y la reflexión del sonido en la cabeza, en el torso y en las orejas del propio sujeto. Los seres humanos aprendemos a utilizar la información contenida en dichas respuestas al impulso para localizar fuentes sonoras en el espacio. De este modo percibimos, por ejemplo, por dónde viene un coche que se aproxima, o que algo acaba de caer justo a nuestras espaldas.

Se sabe que esta habilidad para localizar sonidos funciona mejor en entornos con características de campo libre (esto es, entornos en los que apenas existe reflexión del sonido) y para fuentes sonoras de banda ancha y carácter impulsivo.

Es posible crear una "fuente sonora virtual" en campo libre de forma sencilla. A través de la convolución del patrón sonoro de la fuente sonora con las HRIR de un determinado sujeto para una determinada posición (r,\vartheta,φ), es posible generar tramas de audio que, reproducidas por unos auriculares comunes, den al sujeto la sensación de que la fuente sonora se encuentra en las coordenadas esféricas (r,\vartheta,φ). Esta sensación espacial se ve reforzada si el procesado es actualizado en tiempo real y se permite que el sujeto se mueva en relación a la fuente virtual. Esto es debido a que los seres humanos utilizamos el movimiento de forma natural para discriminar confusiones en la localización de fuentes sonoras. La síntesis binaural en campo libre es hoy día posible gracias al avance de las técnicas actuales correspondientes al estado del arte del procesado digital de la señal.

Es preciso subrayar el hecho de que la localización de fuentes sonoras es una habilidad que el ser humano adquiere a través del entrenamiento. El cerebro no tiene información previa acerca de la forma de las orejas en el momento del nacimiento, y por tanto el recién nacido no tiene la capacidad de discernir la procedencia de los sonidos durante los primeros meses de vida. En cuanto aparecen los primeros signos de coordinación muscular, los bebés humanos aprenden a relacionar el patrón espectral de los sonidos que perciben con una cierta dirección y distancia. De este modo la habilidad para localizar sonidos comienza a desarrollarse. Este proceso de entrenamiento no se restringe a la infancia, aunque la capacidad de aprendizaje de los recién nacidos en este sentido es muy superior a la de los adultos. Los seres humanos siguen entrenando y adaptando la habilidad de localización a lo largo de su vida, ya que su torso, su cabeza y sus orejas cambian con la edad. Se han documentado casos en los que personas con orejas parcial o totalmente seccionadas han recuperado, tras cierto tiempo, la habilidad para localizar sonidos, lo que demuestra que es posible reeducar al cerebro para que adopte unas nuevas HRIR si se le facilitan los estímulos adecuados.

Todos estos hechos y las pruebas realizadas en los trabajos de investigación precedentes a esta invención llevan a la conclusión de que los seres humanos, y especialmente las personas invidentes, siendo más sensibles a los estímulos auditivos, pueden refinar su habilidad para localizar sonidos mediante un adecuado entrenamiento. Pero la búsqueda de alternativas a la percepción visual, que supongan una verdadera mejora de la movilidad de los invidentes y su percepción del entorno, es categóricamente distinta en función de si el entorno es, o no, conocido previamente.

Si no existe información previa sobre el entorno, la adquisición de la información se realiza, habitualmente, mediante algún tipo de sistema de visión artificial. Tal es el caso de la patente española P9602283 (INSTITUTO DE ASTROFÍSICA DE CANARIAS-UNIVERSIDAD DE LA LAGUNA), en la que se describe la creación de un espacio acústico virtual mediante HRTF en que los objetos virtuales se representan recubriéndolos con una malla regular de pequeños generadores acústicos que definirían sus cualidades físicas, posición, color, textura, etc.

No obstante, en dicho sistema, las restricciones de las técnicas actuales de percepción tridimensional mediante visión artificial necesarias para obtener la información geométrica, derivan en una definición "raster" del espacio acústico virtual, es decir, basada en una malla regular, en contraposición a una representación vectorial. Esto limita enormemente la capacidad de representación del sistema, impide una descripción inteligente y precisa de dicho espacio, que es percibido por el invidente como un conjunto desordenados de puntos, y no permite la introducción de patrones complejos de activación de las fuentes puntuales.

Descripción de la invención

La presente invención se basa en la generalización del concepto de espacio acústico virtual mediante una descripción vectorial del mismo. Se define así un espacio acústico vectorial cuya unidad mínima de información es la fuente sonora puntual en campo libre, que denominaremos en adelante vértice acústico. Partiendo de mapas vectoriales de entornos conocidos es posible disponer vértices acústicos en puntos estratégicos del espacio acústico virtual, sin restricción espacial alguna, y activarlos de acuerdo a un patrón inteligente que mejore la percepción final de la geometría del entorno virtual.

El sistema al que se refiere la presente invención se organiza en una estructura cliente servidor que optimiza el procesamiento de la información y que posibilita su aplicación en el ámbito de la mejora de la accesibilidad de los ordenadores (por ejemplo el diseño de juegos de ordenador para invidentes) y en edificios o entornos reales de los que exista una descripción geométrica adecuada. La implementación práctica de un sistema de navegación de entornos virtuales o reales sin el uso de la vista es perfectamente viable a día de hoy, ya que no se trata tanto de reproducir exactamente la realidad visual si no de crear un espacio acústico que permita a los invidentes guiarse.

El servidor (1) es el encargado de hacer todo el procesamiento de la información geométrica con restricciones de tiempo real dejando al cliente (2) únicamente las tareas de procesado de audio.

Dentro del servidor, la geometría (3), que consiste en un modelo tridimensional de un dominio espacial, bien creado por ordenador o bien réplica de un entorno real, es traducida mediante un sistema de posicionamiento de vértices (4), en un conjunto de vértices en el espacio que describe la geometría del modelo tridimensional. Este proceso puede realizarse de forma previa (offline) sin restricciones de tiempo real. Al nuevo mapa generado lo denominamos mapa de vértices acústicos (5), en el que cada uno de los vértices se corresponderá con una fuente sonora puntual en el espacio acústico virtual con características...

1. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales que consiste en un sistema servidor (1), un sistema cliente (2), la descripción geométrica de un entorno (3), un sistema de posicionamiento de vértices acústicos (4), un mapa de vértices acústicos (5), un sistema de generación de la lista de vértices acústicos (6), un módulo de comunicaciones de servidor (7), la posición y orientación de la cabeza del usuario (8), un sistema de seguimiento (9); un módulo de comunicaciones de cliente (10), una lista de vértices acústicos (11), un sistema que realiza la síntesis binaural en tiempo real de los vértices acústicos (12), un bloque de convolución de los patrones monoaurales con las HRIR del usuario (13), una matriz de patrones binaurales (14) y un sistema de reproducción estéreo (15).

2. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales según la 1ª reivindicación caracterizado por que el sistema de seguimiento se implementa con un sistema inercial en miniatura.

3. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales según la 1ª reivindicación caracterizado por que los sistemas servidor (1) y cliente (2) se implementan físicamente en un mismo dispositivo, para la navegación de entornos virtuales, para el entrenamiento de la navegación en entornos reales, y como herramienta de accesibilidad informática para invidentes.

4. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales según la 3ª reivindicación caracterizado por que el sistema de seguimiento (9) se implementa con un sistema de seguimiento de la posición y orientación de la cabeza basado en una cámara situada en el ordenador frente al usuario.

5. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales según la 1ª reivindicación caracterizado por que los sistemas servidor (1) y cliente (2) se implementan en dispositivos físicamente distintos, para la navegación de recintos y espacios reales.

6. Sistema para la exploración de entornos virtuales y reales mediante espacios acústicos vectoriales según la 5ª reivindicación, en el que el servidor (1) está además dotado de un sistema de alerta personal para cuando el usuario se aproxima a una zona de riesgo.