DE10148006A1

DE10148006A1 - Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks

Info

Publication number: DE10148006A1
Application number: DE2001148006
Authority: DE
Inventors: Roland Aubauer; Stefano Ambrosius Klinke; Christoph Poerschmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Zur Erfassung von Bewegung und Orientierung eines Kopfes, wird in einer tragbaren Schallwiedergabeeinrichtung, insbesondere Kopfhörer oder Helm mit integrierten Schallgebern, eine Einrichtung zur Kopforientierungsbestimmung integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine tragbare Schallwiedergabeeinrichtung, insbesondere Kopfhörer oder Helm mit integrierten Schallgebern, zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks.

Es ist bekannt Schallwiedergabeeinrichtungen, beispielsweise an Stereofernsehgeräten angeordnete, derart auszugestalten, dass der abgegebene Schall bei einem Hörer den Eindruck räumlich verteilter Schallquellen entstehen lässt.

Des Weiteren ist es bekannt eine derartige räumliche Darbietung von Schallquellen (3D-Audio) mit Hilfe von Kopfhörern zu realisieren.

Bei diesen 3D-Audio Kopfhörern werden räumliche Schalleffekte im Allgemeinen durch eine binauralen Wiedergabe erzielt. D. h. den beiden Ohren eines Nutzers des Kopfhörers werden unterschiedliche Schallwellen zugeführt, so dass bei der Verarbeitung dieser Schallwellen im Gehirn der Eindruck verteilter Schallquellen entsteht.

Für die binaurale Wiedergabe mittels Kopfhörer, werden die virtuellen Orte dieser verteilten Schallquellen relativ zu den Koordinaten des Kopfes erzeugt. Dazu werden sogenannte kopfbezogenen Übertragungsfunktionen (head-related-transfer- functions - HRTF) bestimmt, die mit den gewünschten Audiosignalen im Zeitbereich gefaltet werden.

Bei einer Bewegung des Kopfes ergibt sich jedoch das Problem, dass die (virtuellen) Schallquellen den Kopfbewegungen des Hörers folgen, wobei die künstlich hervorgerufene dreidimensionale Schallwahrnehmung der natürlichen Schallwahrnehmung bei realen ortsfesten Schallquellen nicht entspricht.

Bislang wird das Problem durch sogenannte "Head-Tracker" gelöst. Bei diesen Bewegungsverfolgungssystemen handelt es sich im Allgemeinen um eine Anordnung mehrerer Kameras (Triangulation), die eine 3D-Information durch Videoaufnahmen verschieden Perspektiven des Kopfes und Auswertung der Kopfbewegung bzw. der Bewegung spezieller am Kopf bzw. Kopfhörer angebrachter Markierungspunkte.

Zum Teil werden auch Infrarotsysteme verwendet, bei denen ebenfalls die Position und Orientierung relativ zu einer Referenzposition im Raum bestimmt wird.

Auch der Einsatz von Markierungspunkten, welche elektromagnetische Wellen aussenden, die von einer Anordnung entsprechender elektromagnetischer Sensoren erfasst werden, als Alternative zur videotechnischen Bewegungsverfolgung ist bekannt.

Durch die "Head-Tracking" Systeme ist es möglich die Positionen des Hörers bzw. der Ohren relativ zum Raum zu Detektieren und auf Grundlage dieser Detektion die Orte der virtuell erzeugten Schallquellen dynamisch - analog zur Kopfbewegung - zu verändern, so dass die virtuellen Schallquellen relativ zum Raum konstant bleiben.

Nachteilig bei diesen Systemen ist, dass sie ein Mess- oder Sendesystem benötigen, die ortsfest angeordnet sein müssen.

Zudem dürfen insbesondere bei optischen Bewegungsverfolgungssystemen, wie beispielsweise Infrarot- oder Videosystemen, keine Hindernisse zwischen Sensor und Kopfhörer existieren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Schallwiedergabeeinrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks so auszugestalten, dass eine höhere Mobilität und Flexibilität gewährleistet wird.

Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Gemäß Anspruch 1, wird bei einer zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks ausgestalteten tragbaren Schallwiedergabeeinrichtung, insbesondere einem Kopfhörer oder Helm mit integrierten Schallgebern, eine in die tragbare Schallwiedergabeeinrichtung integrierte Einrichtung zur Positionsbestimmung vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine erhebliche Vereinfachung der dreidimensionalen Schallerzeugung erreicht, da eine für die dreidimensionale Schallerzeugung notwendige Ermittlung der Kopfposition eines Nutzers des Kopfhörers vor Ort durchgeführt wird. Es ist daher auch möglich, dass solche Kopfhörer in Verbindung mit mobilen Endgeräten genutzt werden können, so dass beispielsweise auch beim Telefonieren mit einem Mobilfunkendgerät eine dreidimensionale Schallwiedergabe simuliert wird. Zudem wird eine kostengünstige Realisierung erreicht, da keine Übertragungseinrichtung erforderlich ist, die dem Kopfhörer aktuelle Positionsdaten übermittelt, so dass auch Verzögerungen und Fehler durch den Übertragungsweg minimiert werden.

Vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung mit mindestens einem Magnetsensor zur Erfassung des Erdmagnetfelds, da hiermit eine sehr einfache realisierbare Ermittlung der Orientierung, des Nutzers insbesondere Orientierung seines Kopfes, erreicht werden kann. Zudem kann auf sehr einfache Weise eine Orientierung relativ zu weiteren, ebenfalls mit Magnetsensoren ausgestalteten, Objekten, beispielsweise weiteren Nutzern, welche sich gemeinsam in einer virtuellen Realität befinden, ermitteln, da das Erdmagnetfeld ein gemeinsame Bezugsgröße darstellt. Die Ermittlung der Orientierung im Verhältnis zu anderen Nutzern ist beispielsweise in der Anwendung von virtuellen Realitäten von Vorteil, bei denen eine Unterhaltung mit weiteren sich in der virtuellen Realität befindenden Personen realisiert wird.

Weist Kopforientierungsbestimmungseinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen Accelerometer, auf, lassen sich neben gleichmäßigen Bewegungen in besonderem Maße ruckartige Bewegungen, wie beispielsweise ein Nicken oder Kopfschütteln, erfassen.

Ruckartige Bewegungen lassen sich auch erfassen, wenn die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung alternativ oder ergänzend mindestens einen Sensor zur Trägheitsmessung, insbesondere Gyroskop, aufweist, wobei hierbei auch präzise Ergebnisse bei der Erfassung gleichmäßiger Bewegung erzielt werden.

Kopfbewegungen wie, beispielweise ein Nicken, lassen sich auch erfassen, wenn die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung alternativ oder ergänzend mindestens einen Drehratensensor ("angular rate sensor", "yaw rate sensor") aufweist.

Ist die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie eine Positionsbestimmung ermöglicht wird, kann man neben der Berücksichtigung der Orientierung des Kopfes auch die Position zur Berechnung der virtuellen Schallquelle Berücksichtigen.

Von Vorteil ist es, wenn die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor, die mit einem festgelegten Kippwinkel angeordnet sind, aufweist, da durch die feste Bezugsgröße Koordinaten, beispielsweise zur Erfassung einer Bewegung in einer Ebene, ermittelt werden können. Weist die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung zusätzlich einen dritten Sensor auf, der sowohl zum ersten Sensor als auch zweiten Sensor mit je einem festen Kippwinkel angeordnet ist, wird eine Erfassung einer Bewegung im Raum ermöglicht, wobei bei einem Kippwinkel von 90° eine orthogonale Anordnung gegeben ist und damit ein orthogonales Koordinatensystem zugrundegelegt werden kann.

Eine tragbare Steuereinrichtung, die eine Kopforientierungsbestimmungseinrichtung mit einer eigenen Steuereinrichtung sowie einer Einrichtung zur Manipulation von Audiosignalen aufweist, ermöglicht es eine Schallquelle die lediglich Audiosignale mit einem zweidimensionalen Höreindruck erzeugt, um die Funktion des dreidimensionalen Höreindrucks zu erweitern, wobei hierzu die Steuereinrichtung unter Einbeziehung der von der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung ermittelten Position bzw. Orientierung des Nutzers bzw. seines Kopfes, die Manipulationseinrichtung derart ansteuert, dass sie aus den "zweidimensionalen" Audiosignalen, Audiosignale, die einen dreidimensionalen Höreindruck vermitteln, erzeugt und an die Schallwiedergabeeinrichtung weitergibt.

Ist jedoch eine Schallquelle selbst in der Lage Audiosignale zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindruck auf Basis von Positionsdaten zu generieren, ist es von Vorteil wenn die mit der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung ausgestaltete tragbare Schallwiedergabeeinrichtung eine Schnittstelle aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass von der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung erfasste Messdaten an ein eine Steuereinrichtung aufweisendes Endgerät sowie von dem Endgerät unter Einbeziehung der Messdaten generierte Audiosignale an die tragbare Schallwiedergabeeinrichtung übermittelt werden. Zudem wird durch diese Auslagerung von Funktionen eine Raumbedarfs-, Gewichts- sowie Energieverbrauchsminimierung der tragbaren Schallwiedergabeeinrichtung erreicht.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der einzigen Figur dargestellten und im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt
Figur einen modellhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen tragbaren Schallwiedergabeeinrichtung.
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kopfhörers KH mit einer im Kopfhörer integrierten Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO, der über eine Schnittstelle SS der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO einem Mobiltelefon MT verbunden ist.
Über die Schnittstelle SS werden von der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO, die hierzu lediglich Beschleunigungs-, Erdmagnet und/oder Trägheitssensoren aufweist, Messdaten an eine Steuereinrichtung des Mobilteils MT übermittelt, so dass die Steuereinrichtung des Mobilteils MT, eine aktuelle Kopfposition bzw. -orientierung berechnen, das Generieren Audiosignalen und das Übertragen an den Kopfhörer KH steuern kann.
Hierdurch wird gewährleistet, dass für das Erzeugen eines dreidimensionalen Höreindrucks berechnete sowie für das Generieren als mathematisches Modell zugrundegelegte virtuelle Schallquellen auch bei einer Drehung des Kopfes, so wahrgenommen werden, als wären sie an einem festen Punkt im Raum angeordnet, da durch die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO eine Echtzeiterfassung der Kopfbewegung erfolgt.
Alternativ ist es auch möglich, die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO mit einer eigenen Steuereinrichtung auszugestalten, die bereits vorliegende Audiosignale eines Endgerätes, dass nicht zur Erzeugung Audiosignalen, die einen dreidimensionalen Höreindruckeindruck vermitteln, ausgestaltet ist, auf Basis der von der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung KO ermittelten Messdaten zu Manipulieren, so dass ein dreidimensionaler Höreindruck ermöglicht wird.
Diese Alternative bringt den weiteren Vorteil, dass beliebige, lediglich eine übliche Kopfhörerschnittstelle aufweisende, Audioendgeräte zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks befähigt werden.
Für eine Erfassung aller drei orthogonalen Komponenten (Koordinaten) der Orientierung sind im Allgemeinen drei orthogonal angebrachte Sensoren erforderlich. Für eine Orientierung in der Horizontalebene sind lediglich zwei Magnetfeldsensoren vorzusehen, wobei eine beliebige Kombination von Beschleunigungs-, Trägheits-, Drehratensensoren und Magnetfeldsensoren zu einer hybriden Kopforientierungsbestimmungseinrichtung denkbar ist.
Zudem reduziert sich durch die Anordnung eine bei Systemen zur binauralen Schallerzeugung durch eine Kopfnachführung verursachte unter dem Stichwort "Im-Kopf-Lokalisation" bekannte Problematik.

Claims

1. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH), insbesondere Kopfhörer oder Helm mit integrierten Schallgebern, zur Erzeugung eines dreidimensionalen Höreindrucks gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Kopforientierungsbestimmung (KO).

2. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) mindestens einen Magnetsensor zur Erfassung des Erdmagnetfelds aufweist.

3. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) mindestens einen Beschleunigungssensor, insbesondere Accelerometer, aufweist.

4. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) mindestens einen Sensor zur Trägheitsmessung, insbesondere Gyroskop, aufweist.

5. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) mindestens einen Sensor zur Drehratenmessung aufweist.

6. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Positionsbestimmung ermöglicht wird.

7. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor aufweist, die zueinander mit einem festgelegten Kippwinkel, insbesondere orthogonal, angeordnet sind.

8. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) einen dritten Sensor aufweist, der zur Erfassung einer Bewegung im Raum, sowohl zum ersten Sensor als auch zweiten Sensor mit einem festgelegten Kippwinkel, insbesondere orthogonal, angeordnet ist.

9. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO)

a) eine Steuereinrichtung sowie

b) eine Einrichtung zur Manipulation von Audiosignalen aufweist.

10. Tragbare Schallwiedergabeeinrichtung (KH) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) eine Schnittstelle aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass

a) von der Kopforientierungsbestimmungseinrichtung (KO) erfasste Messdaten an ein eine Steuereinrichtung aufweisendes Endgerät (MT) sowie

b) von dem Endgerät (MT) unter Einbeziehung der Messdaten generierte Audiosignale an die tragbare Schallwiedergabeeinrichtung übermittelt werden.