Riverbero digitale mediante convoluzione di teatri famosi

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1 Riverbero digitale mediante convoluzione di teatri famosi Angelo Farina Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Parma, Via delle Scienze 181/A - Parma, ITALIA farina@unipr.it Qualità tecnica della musica trasmessa e riprodotta Ravello, 25 giugno 2005

2 Meccanismi di propagazione del suono nelle sale suoni riflessi suono diretto sorgente puntiforme ricevitore Suono Diretto Suono Riflesso

3 Registrazione/riproduzione di un teatro (Gerzon, 1975, Recording concert hall acoustics for posterity ) Original Room Sound Source SoundField Microphone Measurement of B- format Impulse Responses B-format 4- channels signal (WXYZ) MLS or sweep excitation signal Portable PC with 4- channels sound board B-format Imp. Resp. of the original room Sound Source Mono Mic. Convolver B-format 4- channels signal (WXYZ) Ambisonics decoder Convolution of dry signals with the B-format Impulse Responses Speaker array in the reproduction room

4 Auralizzazione L auralizzazione è il processo con cui un suono anecoico viene proiettato virtualmente in un ambiente acustico, caratterizzato dalla sua risposta all impulso x(τ) 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) FFT M-points X(k) x IFFT X(k) H(k) y(r) Select Last M - N + 1 Samples h(i) FFT M-points H(k) Append to y(i)

5 Registrazione anecoica (camera anecoica ASK Industries, Reggio Emilia)

6 Esempio di Auralizzazione La Fenice Overture alle Nozze di Figaro di Mozart Musica Anecoica Convoluzione con IR sperimentale (pt. 12) Convoluzione con IR calcolata al computer IR Punto n. 12 Stop Preludio al primo atto della Traviata di G.Verdi Musica anecoica Convoluzione con IR sperimentale (pt. 12) Convoluzione con IR calcolata al computer

7 Metodo di misura Waves 2003 Noise n(t) input x(t) Not-linear, time variant system K[x(t)] distorted signal w(t) linear system w(t) h(t) + output y(t) 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.

8 Segnale di test Log Sine Sweep

9 Segnale misurato y(t) La presenza di distorsione fa apparire numerose strisciate a frequenze multiple di quella di base

10 Deconvoluzione della risposta all impulso La deconvoluzione viene ottenuta convolvendo il segnale misurato y(t) con un opportuno filtro inverso z(t)

11 Filtro Inverso Il 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)

12 Risultato della deconvoluzione Result of the deconvolution The last impulse response is the linear one, the preceding are the harmonics distortion products of various orders

13 Apparecchiatura (sorgente omnidirezionale) Sorgente sonora equalizzata: dodecaedro subwoofer Radiated sound power level Lw (db) Frequency (Hz) Unequalized Equalized

14 Apparecchiatura (sorg. direttiva) Genelec S30D reference studio monitor: Three-ways, active multi-amped, AES/EBU Frequency range 37 Hz 44 khz (+/- 3 db) Genelec S30D Sound Power Level (db) Lw,tot = 96.8 db Power Pressure Frequency (Hz)

15 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) Microfono Soundfield Cardioidi ORTF Braccio rotante Testa artificiale binaurale

16 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.

17 Teatri misurati T20 (s) N. Theatre Reverberation Time T20 Uhara N. sources/receivers 1 Uhara Hall, Kobe, Japan 2/2 Noh 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/ Tearo Regio, Parma, Italy Frequency (Hz) 6/1 Kirishima Siracusa Taormina Audit. Parma Roma-700 Roma-1200 Roma-2700 Bergamo Cathedral Valli-RE SOH Concert Hall SOH-Opera Theatre SOH-The Studio Regio Parma

18 Teatri misurati 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

19 Possibili metodiche di Auralizzazione Stereo ORTF su 2 altoparlanti standard Binaurale in cuffia Binaurale su altoparlanti (Stereo-Dipolo) Metodo B-format (Ambisonics 1 ordine) Surround secondo standard ITU 5.1 canali Wave Field Synthesis (array di altoparlanti) Metodi ibridi (Ambiophonics)

20 ORTF Stereo 60 2 Microfoni 2 Altoparlanti La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 30, ciascuno alimentato dal segnale del corrispondente microfono

21 Cuffia stereofonica E necessario che la risposta della cuffia venga equalizzata digitalmente, onde garantire la corretta risposta in modulo/fase

22 Binaural (Stereo Dipole) Original 2-channels recording of the signals coming from N sources N d Nr d Nl x r 3 2 d 2r x l Cross-talk canceller 20 d 2l 1 d 1r d 1l La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 10, alimentati attraverso un sistema digitale di cancellazione del crosstalk

23 Binaural (Dual Stereo Dipole) Schema Subwoofer vantaggi: Riproduzione sonora 3D I filtri di cross-talk cancellation equalizzano gli altoparlanti svantaggi: Poche basse frequenze Colorazione fuori dallo sweet spot

24 Binaural (Dual Stereo Dipole) Frontal Rear Quested 2108 monitors Quested F11P monitors

25 Ambisonics 3D Original Room Ambisonics decoder Sound Source SoundField Microphone B-format 4- channels signal (WXYZ) Speaker array in the reproduction room La riproduzione avviene su un array di 8-24 altoparlanti, attraverso un decoder Ambisonics

26 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 Bformat signals These signals are: W : omnidirectional X,Y,Z : the three figure-of-eight microphones aligned with the ISO cartesian reference system

27 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

28 Ambisonics decoding z γ r = G W + G ( X cos( α) + Y cos( β) + Z cos( γ) ) β 1 2 [ ] Fi 1 2 α y W X Y Z G 1 G 2 G 2 G 2 x Each speaker feed is simply a weighted sum of the 4 B-format signals. cos α 1 cos β 1 cos γ 1 InvFilt 1 The weighting coefficients are computed by the cosines of the angles between the loudspeaker and the three Cartesian axes cos α 2 cos β 2 cos γ 2 InvFilt 2

29 A software Ambisonics decoder Audiomulch VST host Gerzonic bplayer Gerzonic Emigrator

30 Sale Ambisonics 3D ASK Reggio Emilia University of Ferrara University of Bologna

31 ITU 5.1 surround Williams MMA Schema del sistema microfonico Williams MMA C : Cardioide, 0 L, R : Cardioide, ± 40 LS, RS : Cardioide, ± 120 INA-5 Schema del sistema microfonico INA-5 C : Cardioide, 0 L, R : Cardioide, ± 90 LS, RS : Cardioide, ± 150

32 ITU 5.1 surround OCT Schema del sistema microfonico OCT C : Cardioide, 0 L, R : Super Cardioide, ± 90 LS, RS : Cardioide, ± cm

33 Metodi ibridi (Ambiophonics) Sistema Ambiophonics 3D (10 altoparlanti):

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

35 Auralizzazione di una intera orchestra 5 ch. 1 ch. 1 ch. 1x5 5 ch. 1x5 5 ch. M I X Ciascuna traccia asciutta rappresenta una distinta sorgente sonora, che viene convoluta con l appropriato set di risposte impulsive

36 Auralizzazione di un mix 5-canali asciutto 5 ch. M I X 5 ch. 5 ch. 5 (1x1) L effetto dell ambiente è un unico set di filtri, applicato ad un segnale asciutto a 5 canali risultante dal mix

37 Software plugins Aurora per Adobe Audition

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

39 Ascolto n. 1 Teatro degli Arcimboldi - Mozart Platea, con pannelli Platea, senza pannelli

40 Ascolto n. 2 Confronto Parigi - Parma Citè de la Musique, Parigi Auditorium di Parma

41 Conclusioni e sviluppi futuri La 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-360 Il continuo incremento di velocità dei computer consente ora la convoluzione multicanale in tempo reale a bassa latenza: questo apre la porta ad applicazioni live per concerti all aperto, ricreando l acustica di una sala da concerto in piazze, stadi e teatri all aperto.

42 Link Internet