Motivación del proyecto
1. Introducción
Espacialización
La espacialidad es la característica del sonido que nos da información para ubicar la fuente que lo produce, en un punto en el espacio. Esta capacidad de ubicación de la fuente recibe el nombre de localización. Por otro lado la espacialización es el conjunto de técnicas utilizadas para simular la espacialidad del sonido.
La localización es posible gracias a las diferencias percibidas por el sistema binaural. Estas diferencias son fundamentalmente diferencias de intensidad y diferencias de tiempo (o de fase), además de otro conjunto de pistas como diferencias espectrales y aquellas producidas por la difracción dada por la cabeza del oyente.
El sistema auditivo responde de diferente forma respecto a la espacialidad de un sonido dependiendo de la frecuencia del mismo. Para frecuencias altas las diferencias de intensidad nos dan buena información sobre localización, mientras que para frecuencias bajas estas diferencias no son de utilidad. Asimismo, las diferencias de tiempo son una buena fuente de información para localizar el origen de sonidos de baja frecuencia, pero a partir de las frecuencias medias (en las que la información puede ser ambigua) moviéndonos hacia los agudos la información se torna inútil.
En una grabación de audio, la espacialización se obtiene normalmente mediante diferencias de intensidad de la señal que va a cada canal (paneo). Esto tiene la gran desventaja de que la espacialidad es inexistente para sonidos de baja frecuencia, cuando se utiliza esta técnica de grabación y/o reproducción.
Simulación de espacios acústicos
Cuando se graba una orquesta en un teatro, en ocasiones se utiliza una técnica que consiste en colocar una especie de manequí (dummy head) con microfonos en los 'oídos', como si fuera un expectador más y grabar la función en dos canales. Estas "dummy heads" (cabezas tontas), también conocidas como "head and torso simulators" (HATS) son desarrolladas por los fabricantes de microfonos como Bruel & Kjaer, Sennheiser, Ambassador, etc, y permiten la reproducción de las características acústicas del torso, cabeza y pabellones auditivos de un adulto medio.
Las grabaciones hechas de esta forma registran la información agregada por la sala, así como la difracción producida por el cuerpo del oyente, los pabellones auditivos y la interacción con el canal auditivo de una forma de simular la percepción natural del fenómeno acúsitco. Luego se distribuyen especificando en que teatro y butaca fueron grabadas y con la indicación de que se deben escuchar con auriculares. Se podría decir que, si los sistemas de grabación y de reproducción son lo suficientemente fieles, se está reproduciendo el mismo fenómeno acústico en el oyente.
Este tipo de procedimiento tiene especial interés en aquellos casos en que la sala juega un papel escencial, y en la grabación de música de especto amplio (en donde las diferencias con una grabación tradicional se hacen más notorias).
Dummy Head de Bruel & Kjaer
Auralización
Dado que el fenómeno acústico es un fenómeno lineal, surge la posibilidad de simularlo una vez caracterizado por su respuesta al impulso. ¿Porqué en vez de grabar toda la función no grabamos sólo la respuesta al impulso del sistema compuesto por el teatro y la "dummy head"?
Una técnica relativamente nueva utilizada en la espacialización y en la reconstrucción de las características temporales y espaciales del campo sonoro en una sala, consiste en aplicar un filtrado FIR a señales monofónicas anecoicas obteniendo señales binaurales. Esta técnica es conocida como auralización.
Las señales anecoicas son señales de audio que no tienen contenido de espacio, es decir que se registra solo el sonido directo que probiene del instrumento. Esto se realiza en cámaras anecoicas.
Los filtros FIR pueden ser obtenidos experimentalmente a través de la grabación de la respuesta al impulso. Hay distintas técnicas para obtener la respuesta al impulso como la grabación directa de una explosión, o la grabación de una secuencia conocida y el posterior procesamiento de la señal grabada. Estas respuestas al impulso pueden ser también derivadas de un modelado para obtener la respuesta deseada, como ocurre en programas CAD que en base a las características de un proyecto de espacio acústico determinan la respuesta al impulso del sistema en diferentes puntos.
En la reconstrucción de espacios acústicos mediante auralización se pretende reproducir en el oyente la sensación psicoacústica en cuanto a la reverberación, coloración o tibieza, disparidad binaural, impresión espacial; y en cuanto a la respuesta del obstáculo compuesto por el torso, cabeza y pabellones auditivos.
En la espacialización o simulación de 3D mediante auralización, se pretende recrear la imagen acústica del sonido ubicando artificialmente la fuente en un lugar deseado del espacio, para lo cual se utiliza la respuesta de una "dummy head" excitada desde distintos puntos.
2. Antecedentes
Los pioneros de estas técnicas fueron el Gottingen Group (Schoeder, Gottlob y Ando) por los años 70’s, cuando el filtrado digital era sumamente lento. Posteriormente se desarrollaron múltiples proyectos, en distintas plataformas y con diferentes aplicaciones y capacidades (procesamiento en tiempo real, modelando espacios acùsticos, etc).
Los trabajos de Angelo Farina, del departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Parma, nos sirvieron de referencia para la incursión en el tema de auralización.
Del mismo modo, los trabajos realizados por Bill Gardner y Keith Martin de los laboratorios MIT, nos permitieron trabajar sobre espacialización, utilizando las grabaciones de respuestas al impulso de su cabeza artificial KEMAR (HRTFs, head related transfer functions).
K.Martin, KEMAR y B.Gardner
3. Objetivo preliminar
El objetivo que originalmente nos planteamos es el estudio de la espacialización y la simulación de espacios acústicos mediante las técnicas de auralización, creando un sistema DSP que permita por un lado localizar una fuente en diferentes puntos del espacio, y por otro simular la sensación psicoacústica de distintos espacios acústicos.
Para ello contamos en primera instancia con el trabajo de B.Gardner y K.Martin, sobre las funciones de transferencia (HRTFs) obtenidas a partir de ensayos sobre una cabeza artificial. Se obtuvieron para diferentes ubicaciones de la fuente (elevación y azimut), la respuesta al impulso de cada uno de los 'oídos’.
Por otra parte, contamos con las respuestas binaurales de diferentes teatros de Europa, registradas para distintas ubicaciones. Esta información está disponible gracias a Angelo Farina [1](en su página web).
Grabaciones de música anecoica están también disponibles en varios sitios web (desde las primeras registradas por la BBC de Londres). En particular utilizamos archivos disponibles desde un link de la página de Farina, que fueron registrados en el Minoo Civic Hall de Osaka, en Japón.
Para predecir y comparar resultados con el sistema DSP a diseñar, contamos con el software CoolEdit y los plugins desarrollados por Angelo Farina, que permiten hacer la convolución de señales anecoicas con los respectivos FIR para generar señales binaurales.
4. Aplicaciones
Las aplicaciones de estas técnicas son muy variadas y plantemos a continuación algunas que nos parecieron interesantes.
En primer lugar se puede mencionar el diseño de espacios para la audición. Es importante resaltar que normalmente este tipo de proyectos implican un costo muy alto y una duración que puede rondar los diez años. Otra característica importante de los mismos es la gran cantidad de variables subjetivas que están en juego, y la dificultad por ende de cuantizarlas. Las técnicas de auralización permiten contar con una herramienta de simulación capaz de reproducir la sensación psicoacústica del oyente en la sala diseñada, antes de que ésta sea construida. De esta forma se puede recurrir a la opinión de oídos entrenados, y realizar correcciones, durante el diseño.
Una aplicación interesante es la reconstrucción de espacios acústicos. Es posible recrear las características acústicas de espacios distantes geográficamente del oyente, o de espacios que ya no existen. En relación a esto se está desarrollando un proyecto de registro y preservación del patrimonio acústico de Europa. Estas técnicas permiten incluir salas que fueron destruídas durante la guerra.
La realidad virtual es un vasto campo de aplicaciones para la auralización. Desde presenciar conciertos multimedia como si estuviéramos en determinada butaca de un teatro en particular, hasta todo lo relacionado con aplicaciones interactivas como viajes, juegos, eventos, etc.
Otra aplicación que se señaló en la introducción es la posibilidad de obtener grabaciones en las que la espacialización (la ubicación de los instrumentos) esté dada por técnicas de auralización. La mezcla de una grabación podría tratar las señales de diferentes instrumentos de forma de obtener un panorama más definido de la localización de los sonidos (en especial para frecuencias graves).
5. Referencias
[1] http://pcfarina.eng.unipr.it/ Página personal de Angelo Farina donde hay links a cosas relacionadas.
[2] http://xenia.media.mit.edu/ Página educacional del MIT media lab.
[3] KEMAR.html Página del MIT donde se encuentran las HRTFs usadas.
[4] ’HTRF measurements of a Kemar dummy-head microphone’ Bill Gardner y Keith Martin, MIT media lab, Mayo 1994.
{5} http://xenia.media.mit.edu/~billg/ Página personal de Bill Gardner
[6] ’Signal convolution of anhecoic music with binaural impluse responses’ Angelo Farina, Departamento de Ingeniera, Universidad de Parma.
[7] http://campanellaacoustics.com/faq.htm Página de consultor en acústica con links a sitios relacionados.
[8] brutefir.html Brute FIR, software libre para Linux que permite hacer la convolución con HRTFs y demás.
[9] JoseJavier.htm Página personal del autor de Ambivolver, software libre para la convolución en tiempo real.
[10] vspace.html Software para espacialización y simulación de espacios acústicos.
[11] Ambisonics biblio.txt Bibliografía de Ambisonics.
[12] http://www.am3d.com/ Empresa que se dedica a la simulación 3D con HRTFs.
[13] http://www.etail.com/holophonics/index.html Holophonics página comercial de esta técnica de simulación 3D, con archivos .wav de ejemplo para bajar.
[14] ’Problemas Informáticos de los modelos acústicos de un teatro’ Juan Grompone, SM IEEE, Interfase S.A., Julio 1991.