Parametric Analysis and Reproduction of Indoor Acoustic Environments

Abstract

Authentic reproduction of acoustic environments is still one of the major goals in virtual acoustics. One approach to this is to measure the spatial room impulse response of the space and encode it with parametric methods. The spatial sound can be further decoded to different physical output setups, effectively reproducing the space at the point of measurement. This thesis presents five studies revolving around this type of reproduction. The studies address three different subtopics in the field: optimized virtual loudspeaker placement, acoustic scene reconstruction, and plausible spatial sound reproduction. Parametric methods often model static loudspeaker setups that are not aware of the reproduced spatial content. In the worst case, the approach deteriorates the quality of the reproduced spatial sound. The first study presents a method for resolving an optimized loudspeaker setup for a given spatial room impulse response. The listening tests indicated that the optimized setups enhanced the reproduction quality of small rooms, while the differences were harder to distinguish in larger spaces. The rise of virtual reality applications has created a need for a moving listener. Normally, parametric methods are limited to a single position within the acoustic scene, meaning that the listener can only rotate their head in a fixed position. To be able to move from that position, one must reconstruct the measured environment to update the arrival times of early reflections accordingly. Three of the studies present tools that address this topic. Two of them introduce a novel method to reconstruct the scene from multiple parametric spatial room impulse response measurements. The presented method can analyze concave spaces, which has not been possible with earlier methods. The third publication in turn replaces wall material filters with extracted early reflections. The listening tests indicated that the early reflection filters perform the best when they are over 2~ms long. However, optimal filter length could not be determined due to complex interactions with the signal, room, and late reverberation. Virtual reality applications do not necessarily need to reproduce the sound field to the smallest detail. The required level of detail only needs to convince the listener to be within the virtual scene. For this reason, it may be excessive to accurately simulate the space if a sufficient level of detail is achievable by simpler means. The fifth study approaches this idea by introducing a coloration filter to modify a simple room simulation. This aims at coloring the simulated spatial impulse response to resemble the room impulse response utilized to design the filter. The listening test implied that the filter did transform the processed response away from the original one, although the efficiency of the transform was affected by the input stimuli as well as the coloring room impulse response.

Akustisten ympäristöjen toisintaminen on edelleen yksi virtuaaliakustiikan päätavoitteista. Yksi lähestymistapa tähän on mitata huoneen tilaimpulssivaste ja esittää se parametristen menetelmien avulla. Tällöin mitattu tila voidaan toistaa mittauspisteessä kuultuna erilaisten äänentoistojärjestelmien kautta. Tämä väitöskirja rakentuu kuvatun aihealueen ympärille. Kirja esittelee viisi tutkimusta, jotka koskevat kolmea eri aihealuetta: optimoitua virtuaalikaiuttimien asettelua, akustisen tilan rekonstruointia ja uskottavan tilaäänen toisintamista. Parametriset menetelmät usein mallintavat äänentoistossaan kiinteitä kaiutinjärjestelmiä, jotka ovat säännöllisiä ja riippumattomia toistettavasta tilaäänestä. Pahimmillaan tämä voi heikentää toistettavan tilaäänen laatua. Ensimmäinen tutkielma esittelee menetelmän, jolla kaiutinhila voidaan kuuloketoistossa optimoida parametriselle tilaimpulssivasteelle sopivaksi. Kuuntelukokeiden perusteella optimoidut kaiutinpaikat paransivat toiston laatua pienissä huoneissa, kun taas isoissa tiloissa eroja oli vaikeampi havaita. Tilaäänen sovellukset virtuaalitodellisuuteen ovat luoneet tarpeen liikkuvalle kuuntelijalle. Tavallisesti parametriset menetelmät ovat sidottuja mittauspisteeseen, jossa kuulija voi ainoastaan käännellä päätään. Jotta pisteestä voitaisiin poistua, ympäröivä akustinen tila täytyy rekonstruoida. Tällöin varhaisten heijastusten saapumisaikoja voidaan päivittää kuulijan liikkeiden mukaan. Esitellyistä tutkimuksista kolme käsittelee kuvattua aihealuetta. Niistä kaksi esittelevät uuden tavan rekonstruoida akustinen ympäristö useista tilaimpulssivastemittauksista. Menetelmä kykeni rekonstruoimaan konkaaveja tiloja, mikä ei ole ollut aiemmilla menetelmillä mahdollista. Kolmas tutkimus puolestaan esittelee menetelmän, joka korvaa seinien materiaalisuodattimet huoneimpulssivasteesta irrotetuilla varhaisilla heijastuksilla. Kuuntelukokeiden perusteella heijastussuodattimen pituuden tarvitsee ylittää 2~ms toimiakseen parhaiten. Tarkkaa optimipituutta ei kuitenkaan voitu määrittää, koska saadut tulokset olivat riippuvaisia myös signaalista, huoneesta ja jälkikaiunnasta. Virtuaalisovellusten ei välttämättä tarvitse luoda ympäröivää äänikenttää pilkuntarkasti. Riittää, että kuuntelija uskoo äänen tulevan näkyvästä virtuaaliympäristöstä. Tavoitteen täyttymiseksi ei välttämättä vaadita tarkkoja huonesimulointeja, jos sama on mahdollista saavuttaa helpommin. Viides tutkimus lähestyy aihetta suodattamalla yksinkertaista huonesimulaatiota äänenvärisuodattimella. Tavoitteena on tuottaa tilaimpulssivaste, joka kuulostaa samalta kuin äänenvärisuodattimen muodostamiseen käytetty huoneimpulssivaste. Kuuntelukokeiden perusteella menetelmä muunsi impulssivastetta kauemmas alkuperäisestä, vaikkakin suodatuksen teho riippui käytetystä ääninäytteestä ja värittävästä huoneimpulssivasteesta.