Métodos, aparatos y aplicaciones para la calibración espacial de un entorno acústico.

Se han definido una serie de conceptos, métodos y aparatos con el objetivo de facilitar el control y tratamiento de sonidos en un sistema de sonido envolvente multicanal.

La principal aplicación considerada es la optimización de la "localización virtual" de una fuente sonora en cualquier entorno acústico en donde se disponga de un sistema de sonido multicanal y de los medios adecuados para implementar los métodos aquí considerados.

Para ello, en primer lugar, se procede a la caracterización del entorno acústico y el sistema reproductor multicanal durante el proceso de "calibración espacial" del sistema, tras lo cual se diseñan mediante diversos algoritmos las mejores estrategias de codificación de sonidos en dicho entorno, dejando siempre el control final de estos parámetros a cada usuario particular del sistema. Posteriormente, durante el proceso de reproducción, el sistema podrá localizar virtualmente las fuentes sonoras en el entorno acústico con la máxima calidad posible en función del número de altavoces del sistema reproductor y su distribución física por dicho entorno.

Los conceptos presentados en la exposición de la presente invención pueden ser extendidos y aplicados a numerosos aspectos del tratamiento general de sonidos en sistemas de sonido multicanal, tales como el diseño de novedosos efectos sonoros mediante la manipulación de espacios sonoros virtuales, la creación de nuevas técnicas para la simulación de recintos virtuales así como de fuentes sonoras localizadas virtualmente tanto dentro como fuera del entorno acústico, o el desarrollo de una codificación espacial de sonidos que es una síntesis de las técnicas utilizadas por los sistemas WFS y HOA.

Métodos, aparatos y aplicaciones para la calibración espacial de un entorno acústico.

Sector de la técnica La presente invención hace referencia a una serie de conceptos, métodos y aparatos para el tratamiento de señales sonoras en sistemas de sonido envolvente multicanales y, más concretamente, a la aplicación de éstos en el diseño y optimización de la síntesis de fuentes sonoras virtuales utilizando este tipo de sistemas (tanto para configuraciones 2D como 3D) en cualquier clase de recinto o entorno acústico.

Estado de la técnica El tratamiento de sonidos en sistemas de sonido envolvente multicanales trata habitualmente con el problema de cómo recrear un determinado campo sonoro original en un cierto entorno, incluyendo la información de en dónde se encuentran localizadas las fuentes sonoras en dicho espacio. Existen numerosos algoritmos (también llamados ‘codificaciones’ o simplemente ‘sistemas’) para conseguir este objetivo que pueden dividirse en dos grandes familias: Los llamados ‘Sistemas Locales’ que intentan recrear el campo sonoro incidente en un punto particular del espacio, ejemplos de tales sistemas serían el sistema Estereofónico, el sistema Ambisónico [M.A. Gerzon, 1973], o el sistema VBAP [V. Pulkki, 1997] (del inglés ‘Vector Based Amplitude Panning’) . Por otro lado, existen también los llamados ‘Sistemas Globales’ los cuales intentan recrear un determinado campo sonoro en una cierta área extensa, tales como el sistema WFS [A. J. Berkhout, D. de Vries, P. Vogel, 1988] (del inglés ‘Wave Field Synthesis’) , los sistemas HOA [J. Daniel, R. Nicol, S. Moreau, 2003] (del inglés ‘High Order Ambisonics’) , o la técnica de Audio Holofónico [M.

A. Polletti, 2000].

La calidad en los sistemas de sonido envolvente puede medirse por los conceptos de homogeneidad, precisión y estabilidad [D.G. Malham, 1999]. Un sistema de sonido envolvente ideal no debe tratar preferentemente a ninguna dirección del espacio particular (homogéneo) , debe situar exactamente la localización de fuentes sonoras en el espacio (preciso) , y debe asegurar que esa pretendida localización espacial se mantenga estable respecto al movimiento del oyente (coherente o estable) . Además, estos sistemas deberán cumplir el requisito de “alta fidelidad” (“Hi-Fi” en inglés) que en su sentido más amplio significa fidelidad a las intenciones originales del compositor musical y, por lo tanto, los sistemas de sonido tendrían que incluir todos los aspectos espaciales de la representación sonora, además de los más obvios requerimientos de respuesta en frecuencia plana y baja distorsión.

Cada uno de los sistemas desarrollados hasta el momento tiene sus propias ventajas e inconvenientes en cuanto a la calidad ofrecida en la localización espacial de fuentes sonoras. En general, la calidad de los Sistemas Globales, tales como WFS, Holofónico o HOA, es muy superior con respecto a los Sistemas Locales, pero al costo de requerir un número extra de canales de audio para una reproducción de sonidos óptima. Estos sistemas funcionan reconstruyendo físicamente el campo sonoro original sobre una cierta área de escucha, al menos hasta una determinada frecuencia óptima de funcionamiento que depende de la disposición y número de altavoces del sistema reproductor. Aunque estos sistemas fueron concebidos partiendo de planteamientos muy diferentes están íntimamente relacionados entre sí, tal y como ha sido demostrado [M.A. Polletti, 2000].

En los Sistemas Locales, la principal técnica de simulación de la localización virtual de fuentes sonoras utilizada se conoce con el nombre de ‘Panorámico de Amplitud’ [S. Bleda Pérez, 2000], [V. Pulkki, 1997] que consiste en posicionar una fuente sonora controlando el escalado en amplitud de la misma señal entre un par de altavoces de manera que la potencia sonora permanezca constante en todas las posiciones intermedias entre ambos. Comercialmente, los sistemas estándar de sonido envolvente (formatos 5.1, 6.1, 7.1, etc.) utilizan una codificación bastante deficiente en cuanto a la calidad ofrecida según los parámetros comentados anteriormente, hasta el punto de poder afirmarse que estos sistemas son no homogéneos, imprecisos y poco coherentes. Esto se debe a que en su desarrollo histórico provienen de un Sistema Local, extensión del ‘Sistema Estereofónico’, y cuya principal aplicación fue, y sigue siendo, la reproducción de sonidos para películas y material audiovisual.

Existen numerosas propuestas para optimizar el espacio sonoro recreado por un sistema de sonido envolvente multicanal mediante un método de calibración (véanse por ejemplo [US Patent No. 7123731, 2001], [US Patent No. 6856688, 2001]) , diseñadas con el propósito de afectar la posición del llamado ‘sweet spot’, el cual hace referencia a la región de escucha óptima en un Sistema Local. Ninguna de estas propuestas se ocupa de cómo aplicar la calibración del entorno acústico para el diseño de una codificación de sonidos Global, o investigan las profundas implicaciones que tal calibración supone para un entorno acústico en donde se encuentra emplazado un sistema de sonido envolvente multicanal.

Sería por tanto deseable la obtención de un método para el tratamiento de sonidos en sistemas de sonido multicanal que proporcionara la máxima calidad posible independientemente del entorno acústico, o del número y características de los altavoces del sistema reproductor utilizado. Este método debería integrar y utilizar los diferentes tipos de codificación espacial existentes (tanto Locales como Globales) , permitiendo la elección de los parámetros de localización de sonidos al usuario final del sistema (dependiendo de la aplicación que se le va a dar al sistema de forma más inmediata) , y adaptándose de manera óptima a cada entorno de reproducción automáticamente.

La presente descripción define pues una serie de conceptos que permiten construir un método de tratamiento de sonidos organizado en procesos jerárquicos para aplicar a cualquier sistema reproductor de sonidos multicanal formado por una multiplicidad de altavoces distribuidos en un entorno físico, uno o varios micrófonos, y un procesador para realizar cálculos y manipulación de señales. Más aún, los conceptos presentados pueden ser empleados para proponer un modelo conceptual que sirve de marco ideal para investigar y explorar las posibilidades que ofrece el tratamiento de fuentes sonoras en el espacio.

Además de los objetivos comentados, el método de tratamiento de sonidos propuesto permite la creación de ‘composiciones sonoras espacializadas’ (concebidas como aquellas composiciones de sonidos en donde las fuentes sonoras están localizadas en diferentes puntos del espacio, o cuyas densidades de energía se encuentran distribuidas espacialmente de manera controlada) en un espacio idílico de referencia que posteriormente será reconstruido en un entorno de reproducción particular de la forma más fiel posible, permitiendo simultáneamente el control total sobre dicha reconstrucción al usuario final del sistema, y aislando al compositor de los detalles del entorno físico en donde se reproduzca su creación.

Breve descripción de los dibujos La invención se describirá a continuación en relación con ciertas realizaciones preferidas, con referencia a las figuras ilustrativas siguientes, para que pueda ser comprendida en su totalidad. En los dibujos:

- la figura 1 es una ilustración de un ‘espacio coherente homogéneo envolvente sonoro’, y de los elementos que lo modelan física y conceptualmente;

- la figura 2 es una representación figurativa de las transformaciones que es posible aplicar a un espacio sonoro virtual dentro de un entorno acústico;

- la figura 3 es una ilustración simbólica de la caracterización de un entorno mediante un ‘espacio base de referencia’;

- la figura 4 es un diagrama esquemático del método de tratamiento de señales en capas que se propone;

- la figura 5 es un esquema de los elementos del sistema, así como de su disposición durante el proceso de calibración espacial, según el diseño realizado como prototipo preferido;

- la figura 6 representa un diagrama de flujo con las diversas fases del proceso de calibración espacial para ser aplicado utilizando el prototipo preferido;

- la figura 7 es una representación del arreglo circular de micrófonos utilizado en el prototipo preferido, en donde se muestran también figurativamente los diagramas polares de los micrófonos empleados;

- la figura 8 es una ilustración de diferentes superficies...

1. Un método para la calibración espacial de un entorno acústico en donde se dispone de: uno o varios sistemas de sonido multicanal que incluyen una pluralidad de altavoces distribuidos de manera arbitraria, pero aproximadamente regular, rodeando completamente una cierta área de reproducción; medios adecuados para captar y discriminar espacialmente las señales acústicas con respecto a una región del espacio en donde se sitúan dichos medios; así como medios para la ejecución de instrucciones de un programa informático y para la manipulación de las señales sonoras, conectados tanto a los medios de captación de señales como a cada uno de los canales del sistema reproductor; dicho método caracterizado por compensar las diferencias en amplitud y fase de las señales acústicas provenientes de dichos altavoces sobre el área de referencia, de manera tal que se igualen tanto el tiempo de llegada como el valor de la densidad de potencia sonora proveniente de cada una de las direcciones del espacio alrededor de dicha región de referencia, mediante un procedimiento que comprende las etapas de:

determinar y compensar las diferencias existentes en amplitud y fase entre las señales de cada uno de los canales respecto a la región de referencia, mediante el análisis de la amplitud y el tiempo de llegada de las señales acústicas obtenidas mediante los medios de captación cuando se emite secuencialmente una señal piloto por cada uno de los altavoces, calculándose unos coeficientes de corrección de la amplitud y el tiempo de llegada para cada canal del sistema reproductor, y determinar y compensar las diferencias en amplitud de las señales acústicas provenientes de cada una de las direcciones del espacio alrededor de la región de referencia, calculando la densidad de potencia recibida cuando se emite la misma señal piloto localizada en sucesivas posiciones alrededor de la región de referencia de tal manera que la densidad de potencia acústica emitida permanezca constante para todas las localizaciones virtuales entre altavoces consecutivos del entorno, obteniéndose así los coeficientes de ponderación de la amplitud entre dichos altavoces para cada localización del espacio.

2. El método de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por añadir, durante la primera etapa del procedimiento de calibración espacial, las operaciones de determinar y compensar la respuesta en frecuencia, así como calcular el margen dinámico para cada uno de los canales del sistema reproductor.

3. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por añadir una etapa adicional en el procedimiento de calibración espacial, consistente en optimizar la homogeneidad del valor de la densidad de potencia acústica para todas las direcciones del espacio cuando la fuente sonora realiza un movimiento panorámico continuado alrededor del área de referencia.

4. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se utiliza como medio de captación direccional de las señales sonoras un arreglo compuesto de una multiplicidad de micrófonos, con características direccionales predeterminadas, dispuestos en el espacio siguiendo una geometría conocida; dicho método caracterizado entonces por determinar la densidad de potencia acústica recibida en cada dirección del espacio respecto del área de referencia mediante el promediado de los valores de la potencia estimados, en función de dichas características direccionales, entre los micrófonos del arreglo más cercanos a la pretendida dirección espacial a analizar.

5. El método de acuerdo a las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en donde se utiliza como medio de captación direccional de las señales sonoras un sólo micrófono de direccionalidad predeterminada montado sobre una plataforma giratoria con un motor paso a paso, y conectado al dicho procesador de manera que se permita el control de la dirección a la que apunta el micrófono, dicho método caracterizado por determinar la densidad de potencia acústica recibida en cada dirección del espacio haciendo corresponder la dirección de máxima ganancia del micrófono, efectuado el giro controlado de dicho micrófono mediante el motor paso a paso, con la localización virtual de la fuente sonora pretendida cuando se reproduce la señal piloto de manera tal que su densidad de potencia permanezca constante para posiciones entre altavoces consecutivos.

6. Un método para el tratamiento de señales acústicas en sistemas de sonido envolvente multicanales, cuyos altavoces se encuentran distribuidos de forma arbitraria pero aproximadamente regular rodeando completamente una cierta área de reproducción, inmerso en un entorno acústico en donde se dispone de los medios necesarios para llevar a cabo la calibración espacial respecto de una cierta región de referencia contenida en dicho entorno; dicho método caracterizado por escalar dicha señal en los canales del sistema reproductor compensando las diferencias en amplitud y fase entre ellos, de tal manera que el tiempo de llegada y la densidad de potencia provenientes de cualquier dirección del espacio alrededor de dicha región de referencia se correspondan de manera directamente proporcional a las pretendidas dimensiones geométricas de un deseado espacio virtual, estableciendo así una superficie sonora virtual de formas y

dimensiones cualesquiera en torno a dicha región de referencia; dicho método comprendiendo las operaciones de: calibración: realizar la calibración espacial del entorno siguiendo cualquiera de los métodos descritos en las anteriores reivindicaciones, esta calibración determina un espacio virtual de referencia o espacio base de geometría regular simétrica en torno a la región de referencia; proyección: determinar los nuevos coeficientes de amplitud relativa entre altavoces en función de los factores proporcionales entre las dimensiones geométrica del espacio virtual de referencia y el deseado espacio virtual sonoro en todas las direcciones alrededor de la región de referencia; reproducción: aplicar a dicha señal sonora los factores de amplitud y retardo calculados en función del espacio virtual en la etapa de proyección, y posteriormente aplicar los coeficientes de corrección de amplitud y fase dependientes del centro de referencia donde se ha realizado el proceso de calibración, para cada canal del sistema reproductor.

7. El método de acuerdo a la reivindicación 6 caracterizado por reproducir diversas señales acústicas, cada una de ellas proyectando su propio espacio sonoro virtual con formas y dimensiones cualesquiera sobre un mismo espacio de referencia resultado del proceso de calibración espacial, y en donde dichos espacios virtuales pueden realizar transformaciones de cambio de forma, traslación, rotación/inclinación o expansión/contracción relativas al espacio de referencia, mediante la manipulación de los factores proporcionales de amplitud y retardo para cada canal del sistema reproductor de forma independiente para cada una de dichas señales.

8. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en donde el proceso de calibración espacial se repite en diferentes regiones del espacio dentro de un mismo entorno, caracterizado por permitir aplicar transformaciones de traslación o rotación/inclinación al espacio base de referencia, sin que las características de los espacios virtuales que están siendo reproducidos sobre él sean modificados, mediante la interpolación lineal o paramétrica de los factores proporcionales de amplitud y fase para cada uno de los canales del sistema reproductor respecto de las diferentes regiones en donde dicho entorno ha sido calibrado.

9. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 6, 7 u 8, caracterizado por reproducir una señal sonora distribuyendo su energía acústica sobre una superficie virtual que conforma un determinado espacio virtual sonoro, de manera tal que cada una de sus muestras se codifique en una posición del espacio ligeramente diferente a la muestra anterior, dicha fuente sonora describiendo entonces un movimiento continuo panorámico alrededor del área de referencia a una velocidad angular tal que el sistema auditivo humano sea incapaz de percibir directamente el movimiento aparente de dicha fuente en el espacio, sintiendo un hipotético oyente por el contrario que la señal sonora se encuentra envolviendo completamente el área de escucha, y con una amplitud y fase proporcionales a las dimensiones del deseado espacio sonoro virtual en cada dirección del espacio alrededor del área de referencia.

10. Un método para optimizar y controlar la localización espacial de fuentes sonoras en un entorno acústico, en donde se dispone de los medios necesarios para realizar la calibración espacial del mismo y para poder aplicar el método de tratamiento de señales especificado en las reivindicaciones 6, 7, 8 ó 9; dicho método caracterizado por establecer un espacio base de referencia, que encierra y comprende el área de reproducción sobre la cual se desea reconstruir el campo sonoro original, mediante la calibración espacial de dicho entorno siguiendo cualquiera de los métodos descritos en las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 ó 5, y determinando los parámetros de la codificación espacial aplicada a dichas fuentes sonoras en función de la dimensión virtual R del dicho espacio de referencia, la distancia virtual DV de la fuente sonora al espacio de referencia, y de las componentes frecuenciales de las señales acústicas a reproducir, de la siguiente manera:

si DV >> R, es decir, si la distancia virtual de la fuente al espacio de referencia es muy grande, se considera que las señales procedentes de dicha fuente son ondas planas cuando llegan al espacio de referencia; en este caso, cuando la longitud de onda de las señales a reconstruir tiene dimensiones mayores que las del espacio base se aplica la reconstrucción del campo sonoro mediante el análisis de las componentes de los armónicos esféricos de dicho espacio de referencia; mientras que si la longitud de onda es comparable o menor en tamaño a las dimensiones del dicho espacio base se aplican factores proporcionales de amplitud entre los canales del sistema de tal forma que se concentre la energía acústica exclusivamente sobre la dirección de la pretendida localización espacial de la fuente sonora haciendo uso de los coeficientes determinados en tiempo de calibración; y siempre de manera que la ganancia en los canales del sistema sea proporcional al inverso de la distancia virtual de la fuente sonora respecto del origen del espacio de referencia;

si DV > R, es decir, si la distancia virtual es comparable pero todavía mayor que las dimensiones del espacio de referencia, se aplica el principio de Huygens sobre la superficie sonora virtual que define dicho espacio virtual; de manera que si la longitud de onda de las señales a reconstruir tiene dimensiones mayores que las del espacio virtual de referencia se aplica la reconstrucción del campo sonoro mediante el análisis de las componentes de los armónicos esféricos de dicho espacio de referencia, mientras que si la longitud de onda es comparable o menor en tamaño a las dimensiones del dicho espacio virtual se aplican los coeficientes determinados en tiempo de calibración del sistema, pero añadiendo en ambos casos un retardo relativo entre dichas componentes para cada altavoz y un factor de proporcionalidad inversa en función de la relación entre la distancia virtual de la fuente sonora y las distancias virtuales de los altavoces en el entorno;

si DV < R, es decir, si la pretendida localización espacial de la fuente sonora se encuentra encerrada por la superficie virtual de referencia, se ofrecen dos alternativas de tratamiento en este caso:

reproducir la señal acústica de tal manera que las señales emitidas por los altavoces lleguen al

mismo tiempo y con la misma amplitud de forma simultánea a la región del espacio en donde se pretende simular la localización virtual de la fuente sonora.

calcular las distancias virtuales desde la deseada localización virtual de la fuente sonora a los distintos altavoces del sistema, y escalar en amplitud y retardo las señales en los altavoces de forma tal que la amplitud sea inversamente proporcional a dicha distancia, y el retardo directamente proporcional a la misma;