Binaural technology for virtual reality [Elektronische Ressource] / Tobias Lentz
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Aachener Beiträge zur Technischen AkustikTobias LentzBinaural Technologyfor Virtual Realityλογος BINAURALTECHNOLOGYFORVIRTUALREALITYVon der Fakul¨at fur¨ Elektrotechnik und Informationstechnik derRheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen¨zur Erlangung des akademischen Grades einesDOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTENgenehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom-IngenieurTobias Lentzaus RheydtBerichter: Universitatsprofessor Dr. rer. nat. Michael Vorlander¨ ¨Universitatsprofessor Christian Bischof, Ph.D.¨Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 20. November 2007Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.¨iiTobias LentzBinaural Technologyfor Virtual RealityLogos Verlag Berlin GmbHλογοςAachener Beitrag¨ e zur Technischen AkustikHerausgeber:Prof. Dr. rer. nat. Michael Vorlander¨Institut fu¨r Technische AkustikRWTH Aachen52056 Aachenwww.akustik.rwth-aachen.deBibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sindim Internet uber¨ http://dnb.d-nb.de abrufbar.Dissertation RWTH AachenD 82, 2008c Copyright Logos Verlag Berlin GmbH 2008Alle Rechte vorbehalten.ISBN 978-3-8325-1935-3ISSN 1866-3052Band 6Logos Verlag Berlin GmbHComeniushof, Gubener Str. 47,10243 BerlinTel.: +49 (0)30 / 42 85 10 90Fax: +49 (0)30 / 42 85 10 92http://www.

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Publié le 01 janvier 2007
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Poids de l'ouvrage 11 Mo

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Aachener Beiträge zur
Technischen Akustik
Tobias Lentz
Binaural Technology
for Virtual Reality
λογος BINAURALTECHNOLOGYFORVIRTUALREALITY
Von der Fakul¨at fur¨ Elektrotechnik und Informationstechnik der
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen¨
zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Tobias Lentz
aus Rheydt
Berichter: Universitatsprofessor Dr. rer. nat. Michael Vorlander¨ ¨
Universitatsprofessor Christian Bischof, Ph.D.¨
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 20. November 2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.¨iiTobias Lentz
Binaural Technology
for Virtual Reality
Logos Verlag Berlin GmbH
λογοςAachener Beitrag¨ e zur Technischen Akustik
Herausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Michael Vorlander¨
Institut fu¨r Technische Akustik
RWTH Aachen
52056 Aachen
www.akustik.rwth-aachen.de
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind
im Internet uber¨ http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Dissertation RWTH Aachen
D 82, 2008
c Copyright Logos Verlag Berlin GmbH 2008
Alle Rechte vorbehalten.
ISBN 978-3-8325-1935-3
ISSN 1866-3052
Band 6
Logos Verlag Berlin GmbH
Comeniushof, Gubener Str. 47,
10243 Berlin
Tel.: +49 (0)30 / 42 85 10 90
Fax: +49 (0)30 / 42 85 10 92
http://www.logos-verlag.deContents
Abstract - Zusammenfassung v
1 Introduction 1
1.1 Organizationofdocument........................ 4
2 Virtual Sources 7
2.1 SourceDirectivity............................. 7
2.1.1 Measurement. 8
2.1.2 Analysis.............................. 9
2.1.3 SpatialInterpolation... 14
2.2 Near-field................................. 16
3 Binaural Synthesis 19
3.1 HRTFMeasurement........................... 21
3.1.1 PostProcesing 2
3.2 Near-fieldHRTFs............................. 24
3.2.1 ListeningTest. 30
3.3 DynamicAspects............................. 32
3.3.1 SpatialResolution .... 34
3.3.2 Fading............................... 35
3.3.3 Interpolation . 37
3.3.4 DistanceInterpolation...................... 41
4 Crosstalk Cancellation 45
4.1 StaticSolution .............................. 46
4.1.1 SwetSpot .. 50
4.2 DynamicSolution............................. 56
4.2.1 HRTFDatabase 57
4.2.2 FilterCalculation......................... 58
4.2.3 FilterPost-Procesing .. 59
4.2.4 Stability .............................. 60
4.2.5 DualCrostalkCancelation.... 64
4.2.6 LoudspeakerDirectivity..................... 70
iii5 Evaluation 73
5.1 Measurements............................... 73
5.1.1 Setup 74
5.1.2 Baseline.............................. 76
5.1.3 Results...... 7
5.2 Influence of Misalignment ........................ 84
5.3 I of Reflections . ..... 86
6 Interactive VR-System 91
6.1 Technicalenvironment.......................... 91
6.1.1 VisualVR-System .... 92
6.1.2 InterfacetoRoomAcousticalSimulation............ 94
6.2 AudioServer ..................... 96
6.2.1 SynthesisFilter........... 98
6.2.2 LowLatencyConvolution.......... 101
6.2.3 CrosstalkCancellationFilter.............. 103
6.2.4 Communication................ 104
6.3 Performance................. 105
6.3.1 Real-TimeRequirements........... 106
6.3.2 PerformanceofthecompleteSystem.............. 107
7 Validation 111
7.1 Auditorystimuli ............................. 11
7.2 VisualandAuditoryStimuli... 13
8 Summary 119
Kurzfassung 125
Appendix 140
Glossary 140
Directivity Plots 141
Curriculum vitae 144
Danksagung 145
Bibliography 147
ivAbstract - Zusammenfassung
Abstract
The generation and use of non-intrusive artificial virtual environments is gaining more
and more importance. Virtual environments are used in a variety of fields such as
product design or evaluation of prototypes. Moreover they turned out to be very
effective for the visualization of complex data sets. In the past, investigations were
focused mainly on the visual reproduction technique to present geometrical data in a
three-dimensional way (stereoscopic representation). However, the human perception
consists not only of visual input but is based on a number of sensations and thus it
would be worthwhile to create multi-modal and interactive virtual environments.
In this thesis, first of all the techniques required to include the acoustic component
into a virtual environment are described and assessed. Furthermore the implementa-
tion of a software system is described, which takes advantage of these techniques to
create complex acoustical scenes in real time. It features spatially distributed sound
sources which are utilized to create an environment that is as authentic as possible.
The system is based on the binaural technology (binaural: “concerning both ears”)
and aims at reproducing a sound for the ears of the user, that is equivalent to the
sound in an original surrounding. It is essential to set up a sound field that is as
exact as possible, to achieve a simulation with the highest degree of authenticity. This
comprises a description of the source, including its relevant angle-, distance- and time-
dependent radiation, the sound distribution in the virtual scene (room acoustics), the
perception-related consideration of all sound field components, as well as the exact
reproduction of the artificial sound at the ears of the user.
Therefore, the focus of the thesis is also put on the reproduction technology. In
this context, an approach for dynamic crosstalk cancellations is presented, which
enables a loudspeaker-based reproduction for binaural acoustical imaging instead of
using headphones. Filters are necessary to ensure the required channel separation in a
dynamic setting. These filters are calculated in real time on the basis of the given data
concerning the position and measured transfer functions of the outer ear. Furthermore
the integration of this spatial audio system into a Virtual Reality display system (five-
sided CAVE-like environment) at the Center for Computing and Communication,
RWTH Aachen University, is described and evaluated.
vZusammenfassung
Die Erzeugung und Nutzung kunstlic¨ her virtueller Umgebungen gewinnt immer
mehr an Bedeutung und wird vor allem in Bereichen wie dem Produktdesign, der
Prototypen-Evaluierung und in der Forschung zur Veranschaulichung komplexer Da-
tensatze¨ eingesetzt. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt auf der visuellen Dar-
stellung um beliebige Geometrien dreidimensional anzuzeigen (stereoskopische Dar-
stellung). Da sich die Wahrnehmung jedoch aus einer Vielzahl verschiedener Sinnesein-
drucke zusammensetzt, ist es wunschenswert, auch die Reprasentation der virtuellen¨ ¨ ¨
Szenen multi-modal und interaktiv zu gestalten.
Im Rahmen dieser Arbeit werden zunachst Techniken beschrieben und evaluiert,¨
mit denen eine Erweiterung der Darstellung um die akustische Komponente m¨oglich
ist. Des Weiteren wird die Implementierung eines Softwaresystems beschrieben, wel-
ches die vorgestellten Techniken nutzt, um komplexe akustische Szenen mit raumlic¨ h
verteilten Schallquellen moglichst authentisch in Echtzeit zu realisieren.¨
Das vorgestellte System verwendet die Binauraltechnik (binaural: beidohrig“) mit

dem Ziel, an den Ohren des Benutzers das Schallsignal zu reproduzieren, das auch im
Original-Umfeld dort herrschen wurde.¨ Um eine m¨oglichst authentische Simulation
zu gewahrleisten, ist es erforderlich, alle beteiligten Komponenten, die das Schallfeld¨
beeinflussen, mit einer hoc¨ hstm¨oglichen Genauigkeit nachzubilden. Dazu gehort¨ die
Beschreibung der Quelle mit ihrem charakteristischen winkel-, abstands- und zeit-
abhangigen Abstrahlverhalten, die Schallausbreitung in der virtuellen Szene (Raum-¨
akustik), die geh¨orbezogene Beruc¨ ksichtigung (binaural) aller Schallfeldanteile und
letztendlich die exakte Reproduktion dieses kunstlichen Schallsignals an den Ohren¨
des Benutzers.
Ein besonderer Schwerpunkt wird in dieser Arbeit auf die Reproduktionstech-
¨nik gelegt. Es wird eine dynamische Ubersprechkompensation vorgestellt, die eine
Wiedergabe uber Lautsprecher ermoglicht. Um die benotigte Kanaltrennung fur eine¨ ¨ ¨ ¨
korrekte binaurale Wiedergabe auch im dynamischen Fall zu garantieren, werden die
benotigten Filter zur Laufzeit entsprechend den Positionsinformationen mit gemes-¨
senen Außenohrub¨ ertragungsfunktionen berechnet. Schließlich wird die Integration
dieses Audiosystems in das am Rechen- und Kommunikationszentrum vorhandene
funf¨ seitige VR-Displaysystem beschrieben und evaluiert.
vi

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