Filtracja przestrzenna dźwięku, Beamforming

Transkrypt

1 Filtacja pzestzenna dźwięku, Beamfoming Pzetwazanie dźwięków i obazów mg inż. Kuba Łopatka p. 628, klopatka@sound.eti.pg.gda.pl

2 Plan wykładu 1. Podstawy kieunkowości i ozchodzenia się dźwięku w pzestzeni 2. Cele i zastosowania filtacji pzestzennej 3. Beamfomey 4. Wektoowe czujniki akustyczne 5. Lokalizacja źódeł dźwięku 6. Sepaacja źódeł dźwięku

3 Rozchodzenie się dźwięku w pzestzeni Dźwięk jest mechaniczną falą popzeczną, pzenoszącą enegię w uchu dgającym Może się ozchodzić tylko w ośodkach spężystych Fala dźwiękowa pzenosi enegię w uchu oscylacyjnym cząsteczek ośodka Z ozchodzeniem fali dźwiękowej związane są wielkości: ciśnienie akustyczne i pędkość cząstek ośodka

4 Rozchodzenie się dźwięku w pzestzeni uszy ludzkie są ważliwe na ciśnienie akustyczne ciśnienie jest skalaem pędkość jest wektoem niesie infomację o kieunku v y y v x v x z v z

5 Rozchodzenie się dźwięku w pzestzeni Natężenie dźwięku ównież jest wektoem

6 Natężenie dźwięku Wekto natężenia jest postopadły do fontów falowych I p 2 2ck Tym samym wekto I wskazuje kieunek ozchodzenia się fali

7 Kieunkowość dźwięku Chaakteystyka kieunkowa zależność zysku enegetycznego, wzmocnienia lub emisji uządzenia od kieunku Większość źódeł lub odbioników dźwięku są kieunkowe Chaakteystyka dookólna niezależność od kieunku źódła/pzetwoniki wszechkieunkowe (omnidiectional)

8 Kieunkowość dźwięku Pzykłady: o mikofony kieunkowe badziej ważliwe na dźwięk z pzodu mikofonu lub supekieunkowe (shotgun) o kieunkowe głośniki o kieunkowe apaaty słuchowe o uządzenia do podsłuchu

9 Filtacja pzestzenna Celem filtacji pzestzennej jest kształtowanie chaakteystyki kieunkowej pzetwonika dźwięku Wykozystanie algoytmów pzetwazania sygnałów do uzyskania pożądanej chaakteystyki Wykonywana jest najczęściej po stonie odbioczej

10 Filtacja pzestzenna Zastosowania o kieunkowe pzetwoniki dźwięku o lokalizacja źódeł dźwięku o apaaty słuchowe o śledzenie źódeł dźwięku

11 Beamfoming Beamfoming (kształtowanie wiązki) to technika polegająca na wykozystaniu matycy pzetwoników (mikofonów) i zastosowaniu algoytmów działających na sygnałach z tych mikofonów, mających za zadanie dać w wyniku pożądaną chaakteystykę kieunkową (najczęściej wąską). Dotyczy najczęściej fal dźwiękowych i adiowych. Stosowane po stonie nadawczej lub odbioczej.

12 Beamfoming Zasadą działania beamfomea po stonie odbioczej jest óżnica w opóźnieniu sygnałów dochodzących do poszczególnych elementów matycy pzetwoników, co jest obsewowane jako óżne pzesunięcie fazowe sygnału.

13 Beamfoming - ilustacja

14 Rodzaje beamfomeów Bez opóźnienia beamfome wąskopasmowy póbkowanie pzestzenne Z opóźnieniem beamfome szeokopasmowy póbkowanie pzestzenne i czasowe

15 Beamfome wąskopasmowy Odpowiedź beamfomea jest kombinacją liniową sygnałów z poszczególnych mikofonów z odpowiednimi wagami

16 Beamfome szeokopasmowy Odpowiedź beamfomea jest kombinacją liniową sygnałów z poszczególnych mikofonów z odpowiednimi wagami i opóźnieniami

17 Chaakteystyka beamfomea Odpowiedź beamfomea θ kąt ω pulsacja w wekto wag d wekto pzesunięć fazowych

18 Chaakteystyka beamfomea Znajdowanie pożądanej chaakteystyki jest ównoznaczne ze znalezieniem watości wag, pzy któych odpowiedź beamfomea apoksymuje zadaną z góy odpowiedź pomocne są metody optymalizacji

19 Chaakteystyka beamfomea

20 Zaawansowany beamfoming Usuwanie wpływów zakłóceń na sygnał użyteczny Filtacja adaptacyjna w celu usunięcia niepożądanych sygnałów neuobeamfoming wykozystanie sieci neuonowej i uczenia maszynowego do znalezienia wag

21 Wave Field Synthesis Wave Field Synthesis (WFS) technika odwzoowania pzestzennego ozkładu pola akustycznego duża liczba głośników (często więcej niż 100) zasada Huygensa

22 WFS - zasada Źódło: echeche.icam.f

23 Zalety WFS Obaz dźwiękowy pozostaje niezmienny pzy pzesuwaniu się słuchacza Możliwość stwozenia pozonych źódeł poza obszaem odsłuchu Images: echeche.icam.f

24 WFS - zasada Images: holophony.net

25 WFS - pzetwazanie Głośnik n odtwaza falę pochodzącą ze źódła pozonego m ), ( 2 ), ( m m n jk n m S e P m n n - m+2 n - m+1 m m m n jk n S e P m n ), ( 2 ), ( n - m Opeację powtaza się dla wszystkich źódeł n m m m n jk n jk S e e P m n n ), ( 2 2 ), ( I wszystkich głośników

26 Pojektoy dźwięku Matyce ok. 40 głośników stosowane w uządzeniach kina domowego wysoka kieunkowość. YAMAHA SoundBa

27 Sound fom ultasound Technologia pzenoszenia słyszalnych fal akustycznych za pomocą wiązki ultadźwięków o wysokiej kieunkowości. Zazwyczaj stosuje się matycę pzetwoników o śednicy ~0,5m. Kieunkowość matycy pzetwoników Kamakua laboatoies, JP Chen, Min, D.G. Huang, L.M. Xu, T.Y. Hu, and Yi Wang Reseach on a novel audio beam loudspeake based digital signal pocesso. In Mechatonics and Automation, 2005 IEEE Intenational Confeence, 1: IEEE.

28 Wektoowe czujniki akustyczne Czujniki, któe są ważliwe nie tylko na ciśnienia akustyczne (skala), ale też na pędkość cząsteczek powietza (wekto) Wyjście z czujnika jest wielokanałowe: p ciśnienie v x pędkość w kieunku x v y pędkość w kieunku y v z pędkość w kieunku z

29 Wektoowe czujniki akustyczne Obliczenie na podstawie składowych wektoa natężenia dźwięku kieunek nadchodzenia fali dźwiękowej Możliwość lokalizacji źódeł dźwięku i filtacji pzestzennej bez potzeby stosowania matycy mikofonów Badanie ozkładu pzestzennego pola akustycznego

30 Lokalizacja źódeł dźwięku Zadanie: ozpoznać automatycznie kieunek nadchodzenia fali dźwiękowej pojedynczy mikofon niemożliwe dwa mikofony + sztuczna głowa naśladowanie mechanizmów lokalizacji dźwięków pzez człowieka matyca mikofonów beamfoming wektoowy czujnik akustyczny obliczenie współzędnych wektoa natężenia dźwięku

31 Lokalizacja źódeł dźwięku Zastosowanie: wojsko lokalizacja stzelca, pozycji atyleyjskich monitoing akustyczny wykywanie i lokalizowanie niebezpiecznych zdazeń obotyka pomoc dla niesłyszących

32 Lokalizacja źódeł dźwięku Pzykład pasywny ada akustyczny: Wielokanałowa sonda natężeniowa Kata pzetwoników A/C Blok cyfowego pzetwazania sygnału Achiwizacja i pezentacja wyników ada akustyczny Steowanie uchem kamey

33 Lokalizacja źódeł dźwięku Wynikiem lokalizacji są współzędne wektoa natężenia dźwięku lub kąty azymutu i elewacji.

34 Lokalizacja źódeł dźwięku Z jednego punktu można jedynie okeślić kieunek Z dwóch punktów tiangulacja można okeślić dokładne położenie źódła dźwięku

35 Dziękuję za uwagę! Źódła: Finn Jacobsen. Sound intensity. In Spinge Handbook of Acoustics, pages Spinge New Yok, Bekhout, A. J. and de Vies, D. and Vogel, P., Acoustic contol by wave field synthesis, The Jounal of the Acoustical Society of Ameica, 93, (1993) holophony.net echeche.icam.f micoflown-avisa.com