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Audio et spatialisation du son

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Audio et spatialisation du son. Nicolas Tsingos. Motivation. L’apport du son est indéniable films, jeux vidéos, simulation, réalité virtuelle le son augmente le réalisme et la sensation d ’immersion. Motivation. Le son doit être cohérent avec les visuels synchronisation

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Presentation Transcript

  1. Audio et spatialisation du son Nicolas Tsingos

  2. Motivation • L’apport du son est indéniable • films, jeux vidéos, simulation, réalité virtuelle • le son augmente le réalisme et la sensation d ’immersion

  3. Motivation • Le son doit être cohérent avec les visuels • synchronisation • cohérence des effets (distance, position, etc.)

  4. Introduction au son physique • Onde mécanique • compression/dilatation des molécules du milieu • pas de son dans le vide ! • créée par un corps en vibration • caractérisée par le niveau de pression acoustique (Pa ou N.m-2) • également mesurée en décibels (dB) : 20 log10(P/Préf)

  5. Ondes harmoniques • Onde sphérique: • P(r,t) = Po/r sin(t - kr ) •  = 2f (pulsation) • k = /c (nombre d’onde) • = 2 /k (longueur d’onde) • = kr (phase) r

  6. Introduction au son physique • Ordres de grandeur • célérité : 340 m/s (air) 1000 m/s (eau/métal) • fréquences: 0 - 400 kHz (audible de 20Hz à 20kHz) • longueur d’onde : 100m - 1mm • Lumière: • célérité : 3.108 m/s (vide) • fréquences: 1011 - 1017 Hz • longueur d’ondes: 7.8x10-7 m (rouge) - 3.9x10-7 m (violet)

  7. Ondes complexes • Peuvent se décomposer en ondes harmoniques • décomposition linéaire • Analyse de Fourier • FFT par blocs • spectrogramme

  8. Ondes complexes

  9. Propagation du son • Sources/Auditeur en mouvement • Effet Doppler

  10. Propagation du son • Réflexion • spéculaire • Diffraction du son

  11. Propagation du son • Réverbération • superposition de réflexions/diffractions du sonau cours du temps • particulièrement sensible dans les espaces clos

  12. Perception du son • L’oreille est un récepteur complexe • le tympan mesure la pression acoustique • convertie en atomes temps-fréquence par le cortex

  13. Perception du son • Nous somme sensibles à l’intensité(intégrale temporelle du carré de la pression) • Fréquences audibles: 20Hz- 20kHz • Dynamique: 1012 W.m2 (120 dB) du seuil d’audition au seuil de douleur

  14. Perception du son

  15. Perception du son • Filtrage en « bandes critiques » • membrane basilaire (cochlée) • le son est découpé en 25 bandes • 1/3 octave

  16. Perception du son • Masquage • Effet de précédence : pour des signaux similaires le premier arrivé à l’auditeur masque le second (essayez avec votre chaine hifi) • Masquage temporel : un son fort masque un son faible immédiatement après…et même avant ! • Masquage fréquentiel: une fréquence masque les fréquences voisines (+ dans les basses)

  17. Perception du son • Le spectre et la phase du son sont plus importants que les variations de la pression

  18. Perception du son • la perception binaurale (des 2 oreilles) donne des indications de direction en 3D

  19. Le son numérique • Acquisition du son • microphone • convertit les variations de pression en variations d’intensité électrique • Numérisation du son • convertit les variations d’intensité electrique en bits • Pulse Code Modulation (PCM) • quantisation et fréquence d’échantillonage

  20. Le son numérique • Quantisation • nombre de bits utiliséspour encoder l’amplitude du signal • virgule fixe ou virgule flottante • linéaire ou non-linéaire • pas assez de résolution => bruit • détermine la dynamique possible du signal

  21. Le son numérique • Fréquence d’échantillonnage (sampling rate) • combien de fois par seconde va-t-on représenter la valeur du signal • Théorème de Shannon: il faut échantillonner à au moins 2x la plus haute fréquence contenue dans le signal pour ne pas avoir de pertes

  22. Le son numérique • Quelques chiffres • CD : 16 bits, entiers, 44100 Hz • Téléphone: 8 bits, entiers, 8kHz, non linéaire • DVD: jusqu’à 192kHz, 24 bits, entiers

  23. * Spatialisation du son

  24. Spatialisation du son • Positionnement du son dans l’espace • différence de temps d’arrivée aux oreilles • masquage/diffraction par le torse et la tête • filtrage complexe dû aux réflexions/diffractions dans le pavillon de l’oreille => dépend de la direction d’incidence

  25. Direct dB Reflections Reverb 0dB DecayTime Reflections Delay time Reverb Delay Spatialisation du son • Réverbération • Modèle géométrique • Construire les réflexions • En déduire un filtre • Modèle perceptif • approximation statistique • réverberation artificielle • contrôle par critères perceptifs

  26. Réverbération par convolution • Réponse impulsionelle • la réponse d’un système lorsquel’entrée est une impulsion (Dirac) • suffit à décrire le système • Convolution

  27. Calcul de réponse impulsionelle • Ray-tracing

  28. Calcul de réponse impulsionelle • For each path • Build path filter • Add to impulse response • Convolve signal chunk with “long” filter Need for a convolution engine Best-suited to static environments

  29. Calcul de réponse impulsionelle • For each path • Build “short” path filter • Convolve with a chunk of input signal • Mix contribution to output Convolution per path Supports interpolation of paths attributes and filters

  30. dB 0 dB time Attributs perceptifs • Acoustique des salles (design de salles de concert)

  31. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) dB 0 dB time

  32. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) dB 0 dB time

  33. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) • Direct/reflected ratio (proximity) dB 0 dB time

  34. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) • Direct/reflected ratio (proximity) • Early/late ratio (intelligibility) dB 0 dB time

  35. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) • Direct/reflected ratio (proximity) • Early/late ratio (intelligibility) • Initial delay time (room size) dB 0 dB time

  36. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) • Direct/reflected ratio (proximity) • Early/late ratio (intelligibility) • Initial delay time (room size) dB 0 dB time

  37. Attributs perceptifs • Acoustique des salles • Total energy (amplification) • Decay time (reverberance) • Direct/reflected ratio (proximity) • Early/late ratio (intelligibility) • Initial delay time (room size) • Lateral energy fraction dB 0 dB time

  38. dB time Hz Attributs perceptifs On divise la réponse impulsionelle en 3 parties • le son direct • reflexions précoces • réverbération (tardive) fréquences: 3 bandes • basses [20-500 Hz] • médium [500-2000 Hz] • aigus [2000+ Hz]

  39. Attributs perceptifs • Distribution spatiale (typique) son direct: directionel réflexions individuelles: directionelles réverberation: diffuse (de partout) • Réflexions précoces ne sont pas séparées mais:- le son direct peut être bloqué - echos audibles (environmt. extérieurs) - “phasing” avec les sources en mouvement

  40. A t g 1 1 t g 2 2 t g N N Reverbération artificielle • Plus efficace qu’une convolution directe matrice de feedback atténuation delai

  41. Spatialisateur multi-channel output bus filter gain pan pan reverberation block source processing block Reverb. Refl.

  42. Positionement 3D du son • Systèmes de restitution • stéréo • multi-haut parleur

  43. Positionement 3D du son • En stéréo • pas besoin de plus ! • appliquer une paire de filtres à un signal mono • filtres sont directionels • HRTFs • Head Related Transfer Functions • mesurés ou simulés • dépendent de l’auditeur

  44. Positionement 3D du son • Extension à des enceintes stéréo • transaural stereo • suppression des cheminscroisés (cross-talk)

  45. Positionement 3D du son • Multi-haut parleur • Son surround 5.1 et + • Ambisonics • Holophonie

  46. Technique Setup(# chans) DSP elevation imaging Sweet spot recording HRTF light (2) moderate yes v.good n/a yes Transaural light (2+) moderate yes good small yes AmplitudePanning average (4+) low yes (3D array) average small ? Ambisonics average (4+) moderate yes(3D array) good small yes WFS heavy (100+) high ? v.good n/a ? Récapitulatif

  47. Standards • Direct Sound 3D • spatialisation, reverberation, effets • EAX (Creative Labs) • OpenAL (multi-plateforme) => support hardware par les cartes sons 64 voix 3D + 4 reverb simultanées • MPEG4 audio • JAVA 3D

  48. Compression du son • Quantization et fréquence d’échantillonage • Quantization non uniforme • Adaptive Differential PCM (ADPCM) • Perceptual audio coding (PAC)

  49. Quantization et échantillonnage • Réduire le nombre de bits • introduit du bruit de quantization • limite la dynamique • Réduire la fréquence d ’échantillonage • limite la réponse en fréquence • Peut marcher pour certains signaux (voix,…)

  50. Quantization non uniforme • Donner plus de résolution aux signaux de faible amplitude • quantization logarithmique • -law (US) et A-law (europe) • 14/16 bits représentés sur 8 bits • téléphone

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