Riverbero digitale medianteconvoluzione di teatri famosiAngelo FarinaDipartimento di Ingegneria Industriale, Università diParma, Via delle Scienze 181/A - Parma, 43100 ITALIA –HTTP://pcfarina.eng.unipr.itE-mail: farina@unipr.it

Qualità tecnica della musica trasmessa e riprodotta

Ravello, 25 giugno 2005

Meccanismi di propagazione del suono nelle sale

sorgente puntiforme ricevitore

suono diretto

suoni riflessi

Suono Diretto

Suono Riflesso

Registrazione/riproduzione di un teatro(Gerzon, 1975, “Recording concert hall acoustics for

posterity”)

Portable PC with 4-channels sound

board

Original Room

Sound Source

SoundField Microphone

B-format 4-channels signal

(WXYZ)

Measurement of B-format Impulse

Responses

MLS or sweep excitation signal

Convolution of dry signals with the B-format

Impulse Responses

Sound Source

Mono Mic.

B-format Imp. Resp.

of the original room

B-format 4-channels signal

(WXYZ)Convolver

Ambisonics decoder

Speaker array in the reproduction room

x(τ)

AuralizzazioneL’auralizzazione è il processo con cui un suono anecoico viene “proiettato virtualmente” in un ambiente acustico, caratterizzato dalla sua risposta all’impulso

h(τ) y(τ)

Input signal Impulse response (Transfer function)

Output signal

L’operazione di convoluzione, matematicamente molto “pesante”, viene normalmente implementata mediante l’algoritmo “overlap_and_save”, che opera tramite blocchi FFT

x(i)

x

h(i)

FFTM-points

FFTM-points H(k)

X(k)

IFFTX(k)·H(k)

y(r) Select LastM - N + 1Samples

Appendto y(i)

Registrazione anecoica(camera anecoica ASK Industries, Reggio Emilia)

Esempio di Auralizzazione – La Fenice

Musica AnecoicaConvoluzione con IR sperimentale (pt. 12)Convoluzione con IR calcolata al computer

Overture alle Nozze diFigaro di Mozart

Preludio al primo atto dellaTraviata di G.Verdi

• Musica anecoica• Convoluzione con IR

sperimentale (pt. 12)• Convoluzione con IR

calcolata al computerStop

IR Punto n. 12

Metodo di misura “Waves 2003”

Si desidera misurare la risposta impulsiva lineare h(t). Essa puo’ essere ricavata dalla conoscenza del segnale di test x(t) e del segnale misurato y(t). L’influenza della parte non lineare K e del rumore n(t) deve essere minimizzata.

Not-linear, time variant

system K[x(t)]

Noise n(t)

input x(t) +

output y(t)linear system w(t)⊗h(t)

distorted signal w(t)

Segnale di test Log Sine Sweep

Segnale misurato y(t)

La presenza di distorsione fa apparire numerose strisciate a frequenze multiple di quella di base

Deconvoluzione della risposta all’impulso

La deconvoluzione viene ottenuta convolvendo il segnale misurato y(t) con un opportuno filtro inverso z(t)

Filtro InversoIl filtro inverso non è altro che il segnale sweep usato per la misura, invertito nel tempo (time reversal). Poichè il segnale sweep logaritmico non ha uno spettro piatto, ma decrscente con la frequenza, occorre equalizzare il segnale invertito nel tempo in modo da avere una pendenza spettrale inversa.

Test Signal x(t) Inverse Filter z(t)

Result of the deconvolution

The last impulse response is the linear one, the precedingare the harmonics distortion products of various orders

1°2°3°

5°

Risultato della deconvoluzione

Apparecchiatura (sorgente omnidirezionale)

Sorgente sonora equalizzata:dodecaedrosubwoofer

Radiated sound power level

40

50

60

70

80

90

100

25

31.5 40 50 63 80 100

125

160

200

250

315

400

500

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3150

4000

5000

6300

8000

1000

0

1250

0

1600

0

2000

0

Frequency (Hz)

Lw (d

B)

Unequalized Equalized

Apparecchiatura (sorg. direttiva)Genelec S30D reference studio monitor:

Three-ways, active multi-amped, AES/EBUFrequency range 37 Hz – 44 kHz (+/- 3 dB)

Genelec S30D

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0

2531

.5 40 50 63 80 100

125

160

200

250

315

400

500

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3150

4000

5000

6300

8000

1000

0

Frequency (Hz)

Soun

d Po

wer

Lev

el (d

B)

PowerPressure

Lw,tot = 96.8 dB

Metodo di misura

Microfoni:Testa artificiale binaurale (Neumann KU-100)Microfoni a cardioide ORTF (Neumann K-140)Microfono pressione-velocità B-Format 4 canali (Soundfield ST-250)

Braccio rotante

Testa artificiale binaurale

Cardioidi ORTF

Microfono Soundfield

Apparecchiature

Piatto rotante: Outline ET-1

Computer e scheda audio:– Signum Data Futureclient P-IV 1.8 GHz

– Aardvark Pro Q-10, 96 kHz – 24 bits, 8 ch.

Teatri misuratiN. Theatre N. sources/receivers 1 Uhara Hall, Kobe, Japan 2/2 2 Noh Drama Theater, Kobe, Japan 2/2 3 Kirishima Concert Hall, Kirishima, Japan 3/3 4 Greek Theater in Siracusa, Italy 2/1 5 Greek-Roman Theater in Taormina, Italy 3/2 6 Auditorium of Parma, Italy 3/3 7 Auditorium of Rome (Sala 700), Italy 3/2 8 Auditorium of Rome (Sala 1200), Italy 3/3 9 Auditorium of Rome (Sala 2700), Italy 3/5 10 Bergamo Cathedral, Italy 2/1 11 Teatro Valli, Reggio Emilia, Italy 5/1 12 Sydney Opera House, Opera Theatre 4/2 13 Sydney Opera House, Concert Hall 3/3 14 Sydney Opera House, The Studio 3/1 15 Tearo Regio, Parma, Italy 6/1

Reverberation Time T20

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Frequency (Hz)

T20

(s)

Uhara

Noh

Kirishima

Siracusa

Taormina

Audit. Parma

Roma-700

Roma-1200

Roma-2700

BergamoCathedral

Valli-RE

SOH ConcertHall

SOH-OperaTheatre

SOH-TheStudio

Regio Parma

Uhara Noh Kirishima Siracusa Taormina

Parma Roma 700 Roma 1200 Roma 2800 Bergamo

Sydney Opera Sydney Concert Sydney Studio Teatro Valli RE Teatro Regio PR

Teatri misurati

Possibili metodiche di Auralizzazione

Stereo ORTF su 2 altoparlanti standardBinaurale in cuffiaBinaurale su altoparlanti (Stereo-Dipolo)Metodo B-format (Ambisonics 1° ordine)Surround secondo standard ITU 5.1 canaliWave Field Synthesis (array di altoparlanti)Metodi ibridi (Ambiophonics)

ORTF Stereo

La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 30°, ciascuno alimentato dal segnale del corrispondente microfono

2 Microfoni

60°

2 Altoparlanti

Cuffia stereofonicaE’ necessario che la risposta della cuffia vengaequalizzata digitalmente, onde garantire la correttarisposta in modulo/fase

Binaural (Stereo Dipole)

La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 10°, alimentati attraverso un sistema digitale di cancellazione del “cross-talk”

…

2

3

1

Original 2-channels recording of the signals coming from N sources

d1l

xr

xl

Cross-talk canceller

d1r

d2l

d2r

dNl

dNr

N

20°

Binaural (Dual Stereo Dipole)

vantaggivantaggi: : Riproduzione sonora 3DRiproduzione sonora 3DI filtri di crossI filtri di cross--talk talk cancellation equalizzano cancellation equalizzano gli altoparlantigli altoparlanti

svantaggisvantaggi: : Poche basse frequenzePoche basse frequenzeColorazione fuori dallo Colorazione fuori dallo ““sweet spotsweet spot””

Schema

Subwoofer

Binaural (Dual Stereo Dipole)

Frontal Rear

Quested 2108 monitors Quested F11P monitors

Ambisonics 3D

La riproduzione avviene su un array di 8-24 altoparlanti, attraverso un “decoder” Ambisonics

Original Room

Sound Source

SoundField Microphone

B-format 4-channels signal

(WXYZ)

Ambisonics decoder

Speaker array in the reproduction room

The Soundfield microphone

• This microphone is equipped with 4 subcardioid capsules, placed on the faces of a thetraedron

• The signal are analogically processed in its own special control box, which derives 4 “B-format” signals

• These signals are:

• W : omnidirectional

• X,Y,Z : the three figure-of-eight microphones aligned with the ISO cartesian reference system

B-format components

• Physically, W is a signal proportional to the pressure, XYZ are signals proportional to the three Cartesian components of the particle velocity

• when a sound wave impinges over the microphone from the “negative” direction of the x-axis, the signal on the X output will have polarity reversed with respect to the W signal

Ambisonics decoding

r

y

z

x

α

β

γ ( )[ ])cos(Z)cos(Y)cos(XGWG21F 21i γ⋅+β⋅+α⋅⋅+⋅⋅=

W X Y Z

G1 G2 G2 G2

cos γ1cos β1cos α1

InvFilt1

cos γ2cos β2cos α2

InvFilt2

Each speaker feed is simply a weighted sum of the 4 B-format signals.

The weighting coefficients are computed by the cosines of the angles between the loudspeaker and the three Cartesian axes

A software Ambisonics decoder

Audiomulch VST host

Gerzonic bPlayer

Gerzonic Emigrator

Sale Ambisonics 3D

University of Bologna

University of Ferrara

ASK – Reggio Emilia

ITU 5.1 surround

Williams MMA

Schema del sistema microfonico Williams MMAC : Cardioide, 0°L, R : Cardioide, ± 40°LS, RS : Cardioide, ± 120°

INA-5Schema del sistema microfonico INA-5C : Cardioide, 0°L, R : Cardioide, ± 90°LS, RS : Cardioide, ± 150°

ITU 5.1 surround

OCT73 cmSchema del sistema microfonico

OCTC : Cardioide, 0°L, R : Super Cardioide, ± 90°LS, RS : Cardioide, ± 180°

Metodi ibridi (Ambiophonics)

Sistema Ambiophonics 3D (10 altoparlanti):

Auralizzazione o riverbero artificiale?In “full auralization” also the direct sound comes from the measured IRsNel “riverbero artificiale” al posto del suono diretto misurato si sostituisce un picco ideale (funzione Delta di Dirac)

Ciascuna traccia “asciutta” rappresenta una distinta sorgente sonora, che viene convoluta con l’appropriato set di risposte impulsive

MIX

5 ch.

1x5

1x51 ch.

1 ch.5 ch.

5 ch.

Auralizzazione di una intera orchestra

Auralizzazione di un “mix” 5-canali asciutto

L’effetto dell’ambiente è un unico set di filtri, applicato ad un segnale asciutto a 5 canali risultante dal mix

MIX

5 ch.

5 ch.

5 ch.

5 (1x1)

Software“plugins” Aurora per Adobe Audition

Software

Gerzonic’s Ambisonics decoders (Emigrator, DecoPro)David McGriffy’s Visual Virtual Mike (VST & standalone)Waves IR1 convolution reverb

Ascolto n. 1 – Teatro degli Arcimboldi - Mozart

Platea, con pannelli

Platea, senza pannelli

Ascolto n. 2 – Confronto Parigi - Parma

Citè de la Musique, Parigi

Auditorium di Parma

Conclusioni e sviluppi futuriLa tecnologia della convoluzione con la risposta acustica di teatri famosi è attualmente lo stato dell’arte nel campo del riverbero digitale per gli studi di registrazione.Recentemente si è passati dal semplice riverbero (effetto temporale) alla creazione dell’ambiente surround (effetto spaziale) – plugin IR-360Il continuo incremento di velocità dei computer consente ora la convoluzione multicanale in tempo reale a bassa latenza: questo apre la portaad applicazioni “live” per concerti all’aperto, ricreando l’acustica di una sala da concerto in piazze, stadi e teatri all’aperto.

Link Internet

HTTP://www.angelofarina.it

HTTP://www.aurora-plugins.it

HTTP://www.acoustics.net