Introdução à Auralização Cezar Monteiro Pirajá Neto cezar@ime.usp.br

Introdução à AuralizaçãoIntrodução à Auralização

Cezar Monteiro Pirajá NetoCezar Monteiro Pirajá Netocezar@ime.usp.brcezar@ime.usp.br

ApresentaçãoApresentação Baseado no artigo:Baseado no artigo:M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson, "Auralization - An M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson, "Auralization - An

Overview", JAES Vol.41, pp861-875, Nov 1993. Overview", JAES Vol.41, pp861-875, Nov 1993. Pesquisa preliminar sobre minha área de Pesquisa preliminar sobre minha área de

pesquisapesquisa Estrutura da Apresentação:Estrutura da Apresentação:

IntroduçãoIntrodução HistóricoHistórico TécnicasTécnicas ConsideraçõesConsiderações

IntroduçãoIntrodução Auralização é o processo de renderizar o campo Auralização é o processo de renderizar o campo

sonoro de uma fonte em um espaço, de modo a sonoro de uma fonte em um espaço, de modo a simular uma sensação binaural em um posição simular uma sensação binaural em um posição do espaço modelado.do espaço modelado.

Foco em recriar a impressão aural das Foco em recriar a impressão aural das características acústicas de um espaço.características acústicas de um espaço.

Preocupações:Preocupações: Fidelidade SonoraFidelidade Sonora DiretividadeDiretividade Capturar características acústicas do localCapturar características acústicas do local

HistóricoHistóricoMunich, década de 30Munich, década de 30

Modelos físicos em escalaModelos físicos em escalaAlto-falantes customizados na gravaçãoAlto-falantes customizados na gravaçãoReprodução de forma binauralReprodução de forma binauralFala como sinal de testeFala como sinal de testeMétodos similares foram utilizados em Métodos similares foram utilizados em

experiências no Japãoexperiências no JapãoEvolução se deu graças ao Evolução se deu graças ao

Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de Sinais

Histórico (2)Histórico (2)Meyer (1965) e Kleiner (1980)Meyer (1965) e Kleiner (1980)

Sistemas Auralização utilizando múltiplos Sistemas Auralização utilizando múltiplos alto-falantesalto-falantes

Objetivo era simular reflexõesObjetivo era simular reflexõesBech (1990) e Fincham (1991)Bech (1990) e Fincham (1991)

Refinaram o método para obter um Refinaram o método para obter um posicionamento ótimo dos alto-faltantes.posicionamento ótimo dos alto-faltantes.

Produtos ComerciaisProdutos ComerciaisYamaha e LexiconYamaha e Lexicon

TécnicasTécnicas As técnicas baseiam-se em aproximações de As técnicas baseiam-se em aproximações de

características.características. Problema está quantificar e até mesmo Problema está quantificar e até mesmo

descrever audivelmente algumas dessas descrever audivelmente algumas dessas aproximações.aproximações.

Quatro técnicas básicas de auralização:Quatro técnicas básicas de auralização: Fully Computed AuralizationFully Computed Auralization Computed multiple-loudspeaker auralizationComputed multiple-loudspeaker auralization Direct acoustic scale-model auralization Direct acoustic scale-model auralization Indirect acoustic scale-model auralizationIndirect acoustic scale-model auralization

Foco nas técnicas que utilizam computação.Foco nas técnicas que utilizam computação.

Fully Computed AuralizationFully Computed AuralizationTendência HojeTendência HojeComponentes:Componentes:

Computador com dados da fonte, sala e do Computador com dados da fonte, sala e do ouvinteouvinte

Programa com um modelo matemático das Programa com um modelo matemático das propriedades de transmissãopropriedades de transmissão

Fully Computed AuralizationFully Computed Auralization

Fully Computed Auralization (2)Fully Computed Auralization (2)Etapas:Etapas:

Cálculo da Cálculo da RIRRIR e da e da BRIRBRIRFiltragem (Convolução)Filtragem (Convolução)

Cálculo da resposta impulsiva é simples Cálculo da resposta impulsiva é simples apenas em casos idealizadosapenas em casos idealizados

Quanto mais realista simulação, mais o Quanto mais realista simulação, mais o modelo se torna extremamente modelo se torna extremamente complicado.complicado.

Fully Computed Auralization (3)Fully Computed Auralization (3) Cálculo da RIRCálculo da RIR Predição da RIRPredição da RIR

Espelhamento Ray-Tracing

ProblemasProblemas Fenômenos como Dispersão e Difração.Fenômenos como Dispersão e Difração.

SoluçõesSoluções FEM – Finite-Element MethodFEM – Finite-Element Method BEM – Boundary-Element MethodBEM – Boundary-Element Method

Novos ProblemasNovos Problemas Quantidade de elementos necessáriosQuantidade de elementos necessários

Fully Computed Auralization (4)Fully Computed Auralization (4)Absorção, Dispersão e DifraçãoAbsorção, Dispersão e Difração

Problema para programas baseados somente Problema para programas baseados somente na acústica geométrica.na acústica geométrica.

AbsorçãoAbsorção Dimensão da Superfície / Comprimento de OndaDimensão da Superfície / Comprimento de Onda ““Menos problemática”Menos problemática”

Complexidade da ReflexãoComplexidade da Reflexão Materiais reativosMateriais reativos Evitar superestimar Som Direto / Som ReverberanteEvitar superestimar Som Direto / Som Reverberante Perceptivo (Maekawa e Sakurai)Perceptivo (Maekawa e Sakurai)

Fully Computed Auralization (4)Fully Computed Auralization (4)Absorção, Dispersão e Difração (2)Absorção, Dispersão e Difração (2)Dispersão e DifraçãoDispersão e Difração

Kleiner and KihlmanKleiner and KihlmanEfeitos audíveis mesmo que em pequenas Efeitos audíveis mesmo que em pequenas

proporçõesproporçõesRelação direta com a qualidade acústicaRelação direta com a qualidade acústicaComplicado de simularComplicado de simularUma solução é fazer uma “re-radiação”Uma solução é fazer uma “re-radiação”Outra opção é fazer uso de dados dispersão Outra opção é fazer uso de dados dispersão

medidos de várias superfíciesmedidos de várias superfícies

Fully Computed Auralization (5)Fully Computed Auralization (5) Cáculo da Cáculo da BRIRBRIR

Considera um ouvinte humanoConsidera um ouvinte humano Casos idealizadosCasos idealizados RIR -> BRIRRIR -> BRIR

Obtenção do Efeito BinauralObtenção do Efeito Binaural Canal EstéreoCanal Estéreo Cálculo da função de transferência de um modeloCálculo da função de transferência de um modelo Medição através de um ouvinteMedição através de um ouvinte Medição através de uma cabeça artificialMedição através de uma cabeça artificial

Fully Computed Auralization (5)Fully Computed Auralization (5)Cabeça ArtificialCabeça Artificial

Fully Computed Auralization (6)Fully Computed Auralization (6)ConvoluçãoConvolução

Diretamente no domínio do tempoDiretamente no domínio do tempoNo domínio das freqüênciasNo domínio das freqüências

ProblemasProblemas In-head localizationIn-head localizationBack-front ambiguityBack-front ambiguity

Fully Computed Auralization (7)Fully Computed Auralization (7) ApresentaçãoApresentação

BinauralBinaural Transaural

Back-front confusionBack-front confusion VantagemVantagem

Pode se utilizar grande quantidade de sinais de Pode se utilizar grande quantidade de sinais de entrada e RIRentrada e RIR

DesvantagemDesvantagem Tempo de processamento proporcional a essa Tempo de processamento proporcional a essa

quantidadequantidade

Computed Multiple-Loudspeaker Computed Multiple-Loudspeaker AuralizationAuralization

Compartilha todos os princípios da fully Compartilha todos os princípios da fully computed auralizationcomputed auralization

Componentes+Componentes+Sistema multi-canalSistema multi-canalDelay e ReverberadoresDelay e Reverberadores

Computed Multiple-Loudspeaker Computed Multiple-Loudspeaker AuralizationAuralization

Computed Multiple-Loudspeaker Computed Multiple-Loudspeaker Auralization Auralization (2)(2)

VantagemVantagemNatural direcionalidadeNatural direcionalidade

DesvantagemDesvantagemNecessidade do Necessidade do array array estar localizado em estar localizado em

uma câmara anecóica.uma câmara anecóica.Alto-falantes pequenos e suficientesAlto-falantes pequenos e suficientes

Direct Acoustic Scale-Model Direct Acoustic Scale-Model AuralizationAuralization

Modelo acústico escalado Modelo acústico escalado Ultra-sônicoUltra-sônico ParedesParedes

VantagemVantagem Naturalmente incluí os fenômenos como dispersão e difração.Naturalmente incluí os fenômenos como dispersão e difração.

ObservaçõesObservações As vantagens só são válidas se o modelo acústico reproduz As vantagens só são válidas se o modelo acústico reproduz

fielmente o original (paredes, fonte, ouvinte)fielmente o original (paredes, fonte, ouvinte) Conseqüência: O modelo e a auralização são aproximaçõesConseqüência: O modelo e a auralização são aproximações

ProblemasProblemas Reproduzir características técnicas de microfones e alto-Reproduzir características técnicas de microfones e alto-

falantes em escala reduzida.falantes em escala reduzida. Propriedades de absorção para reflexõesPropriedades de absorção para reflexões Reproduzir propriedade de absorção do arReproduzir propriedade de absorção do ar

Direct Acoustic Scale-Model Direct Acoustic Scale-Model AuralizationAuralization

Indirect Acoustic Scale-Model Indirect Acoustic Scale-Model AuralizationAuralization

Calcular Calcular BRIR BRIR através do modelo em através do modelo em escala reduzidaescala reduzida

No resto equivale ao No resto equivale ao Direct Acoustic Direct Acoustic Scale-Model AuralizationScale-Model Auralization

VantagensVantagensDiminuição de distorçõesDiminuição de distorçõesArmazena somente as respostas impulsivasArmazena somente as respostas impulsivasPossibilidade de compensar perdas pelo arPossibilidade de compensar perdas pelo ar

Indirect Acoustic Scale-Model Indirect Acoustic Scale-Model AuralizationAuralization

Considerações Sobre o Material Considerações Sobre o Material para Auralizaçãopara Auralização

Caracterização da FonteCaracterização da FonteAlto-falanteAlto-falanteFontes NaturaisFontes Naturais

DiretividadeDiretividadeReichardt e KussevReichardt e Kussev

Verificação da AuralizaçãoVerificação da AuralizaçãoQue se espera ?Que se espera ?

Simulação aceitávelSimulação aceitávelSimulação exataSimulação exata

Inteligibilidade da fala (1980)Inteligibilidade da fala (1980)Comparação entre uma gravação binaural Comparação entre uma gravação binaural

e a auralização do e a auralização do setupsetupComparação a partir da audição alternada Comparação a partir da audição alternada

entre trechos auralizados e reais.entre trechos auralizados e reais.Ruído inerente das salas de concertoRuído inerente das salas de concerto

Outras consideraçõesOutras consideraçõesPerformance no cálculo da Performance no cálculo da RIR RIR e e BRIRBRIRPadronização de InterfacePadronização de InterfaceBinaural ou Transaural x MulticanalBinaural ou Transaural x MulticanalRedução de dadosRedução de dados

Usos da AuralizaçãoUsos da AuralizaçãoTreinamento e EstudosTreinamento e EstudosPredição de ruídoPredição de ruídoSistemas de Realidade VirtualSistemas de Realidade VirtualJogosJogosMelhorar sistemas em aviões e carrosMelhorar sistemas em aviões e carros

ConclusãoConclusão Auralização é útil graças ao advento dos “super”-Auralização é útil graças ao advento dos “super”-

computadores pessoais e softwarescomputadores pessoais e softwares Junto com novas implementações em hardware a Junto com novas implementações em hardware a

auralização vai se tornar uma poderosa ferramenta para auralização vai se tornar uma poderosa ferramenta para simulação de salas e geração de evento auralsimulação de salas e geração de evento aural

Demonstrações convincentes tem sido feitas.Demonstrações convincentes tem sido feitas. Verificação dessas demonstrações é que deixa a Verificação dessas demonstrações é que deixa a

desejardesejar Auralização combinada com reprodução transaural e Auralização combinada com reprodução transaural e

controle ativo do campo sonoro deve possibilitar que a controle ativo do campo sonoro deve possibilitar que a auralização saia dos laboratórios.auralização saia dos laboratórios.

Existem várias aplicações interessantes, como Sistemas Existem várias aplicações interessantes, como Sistemas de Realidade Virtual.de Realidade Virtual.

ReferênciasReferências M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson, M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson,

"Auralization - An Overview", JAES Vol.41, "Auralization - An Overview", JAES Vol.41, pp861-875, Nov 1993.pp861-875, Nov 1993.

Lia Kortchmar, “Sound Quality In Workplaces”, Lia Kortchmar, “Sound Quality In Workplaces”, COPPE/URFJ, April 2000.COPPE/URFJ, April 2000.

That’s all folksThat’s all folks

ObrigadoObrigado

EspelhamentoEspelhamento

Ray-TracingRay-Tracing

Apresentação TransauralApresentação Transaural