Brevet FR2638312A1 — publié le 19900427

L'invention concerne un procédé d'enregistrement ou de reproduction stéréophonique binaural pour signaux audio présentés par un casque d'écoute. En beaucoup de procédés stéréophoniques d'enregistrement et de reproduction, on s'efforce d'obtenir, au point d'écoute, la fidélité auditive originale de L'événement d'écoute prédominant au point d'enregistrement. L'un de ces procédés pour reproduire un enregistrement sonore, ainsi qu'un dispositif pour sa mise en oeuvre, permettant d'obtenir une reproduction sonore spatiale ressentie comme étant aussi naturelle que possible, utilisant en particulier un casque comme dispositif de reproduction, sont décrits dans la demande de brevet allemand DE-OS 31 12 874. Le procédé est basé sur le fait que l'enregistrement sonore est appliqué au dispositif de reproduction à travers un générateur de réverbération qui, à l'intérieur d'un laps de temps d'environ 50 ms après l'arrivée de l'impulsion sonore directe, génère des réflexions de réverbération, avec des intervalles de temps tels, de préférence sur 2 ms, qu'elles sont encore perçues par l'auditeur comme des réflexions individuelles de forte intensité sonore, au moins quelques-unes des réflexions individuelles étant constituées de deux impulsions déclenchées par une impulsion sonore directe à partir d'une voie du support d'enregistrement, dont la première est délivrée par la voie du dispositif de reproduction coordonnée à la voie correspondante du support d'enregistrement sonore, tandis que la deuxième, qui est Légèrement plus faible, est délivrée avec un retard d'environ 0,2 ms à 1 ms, de préférence de 0,63 ms par rapport à ta première impulsion, par l'autre voie du dispositif de reproduction, avec amortissement en fonction de l'audiofréquence des réflexions de réverbération. Ce procédé, que l'on appelle aussi "stéréophonie en temps réel", est basé sur le fait que l'on s'est rendu compte que les champs sonores ne peuvent pas être transférés sans dispositions particulières avec leur répartition spatiale d'origine à un local d'écoute qui diffère du local d'enregistrement. Surtout avec la reproduction par casque d'écoute, o l'on ne bénéficie pas d'un local d'écoute acoustique, il s'agit de présenter un champs sonore imité électroacoustiquement selon des points de vue psycho- acoustiques. Le matériel sonore utilisé dans ce but est défini spatialement, du moins par son enregistrement. Ce procédé permet donc de créer, lors de la reproduction, une spatialité remarquable et une excellente transparence de l'événement sonore, mais surtout de l'événement musical, parce que les réflexions essentielles du local sont imitées dans la plage de temps acoustiquement convenable et sont suivies de réverbérations. Cependant, ce procédé ne résout pas Le problème de la Localisation erronée de l'évé- nement d'écoute. La présente invention vise à indiquer un tel procédé pour l'enregistrement ou la reproduction stéréophonique binaural de signaux audio, procédé qui assure la fidélité auditive d'origine au point d'écoute, mais permette surtout la localisation exacte et univoque de sources sonores bien déterminées. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que l'on applique les signaux de la voie gauche à l'oreille gauche de l'auditeur à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à cette oreille pour la plage angulaire entre 0 et 45 à gauche du plan médian, et à l'oreille droite à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à cette oreille pour la même plage angulaire, avec en plus des signaux retardés dans le temps de la voie gauche, ayant un retard nettement en dehors du domaine de la localisation auditive globale et de l'écho audible, c'est-à-dire un retard compris entre 5 ms et 80 ms, et à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à cette oreille droite pour la plage angulaire opposée, et que l'on applique les signaux de la voie droite aux oreilles droite et gauche de la même manière, symétriquement par rapport au plan médian, des corrections nécessaires de la courbe amplitude- fréquence étant opérées à l'aide de filtres numériques à phase linéaire, sans produire une influence sur les structures temporelles des fonctions de transmission de l'oreille externe utilisées. L'essentiel de l'invention résidé dans le fait qu'à l'intérieur d'un local d'écoute, la localisation de certaines sources sonores est possible surtout parce que, lors du traitement dans le cerveau de tous les événements sonores individuels perçus par l'oreille, la première réflexion de la source sonore symétrique revêt une importance particulière. De manière tout à fait générale, la perception par l'ouie de la direction et de la distance est déterminée par la fonction de transmission de l'oreille externe. Comme éléments de soutien, le cerveau - dans sa fonction d'ordina- teur - utilise, pour fixer définitivement la direction et la distance, l'impression optique acquise par les yeux, de même que des mouvements de rotation, d'inclinaison et de basculement de la tête, afin d'appréhender ainsi l'environnement spatial-acoustique réel. Des connaissances préalables du signal peuvent éventuellement venir s'y ajouter. Afin que toutes ces perceptions soient mutuellement corrélées convenablement, le cerveau doit avoir une mémoire longue durée et aussi une mémoire de courte durée, laquelle est adaptée continûment à la situation actuelle sans cesse renouvelée. En présence de perceptions contradictoires, par exemple lorsque L'impression visuelle ne concorde pas avec l'environnement spatial perçu par l'oreille, le signal audio est situé à l'arrière. Ce phénomène semble d'ailleurs plausible dans Le sens d'une certaine fonction protectrice de l'homme. Conformément à l'invention, un enregistrement sonore normal existant, destiné à la reproduction stéréophonique par haut- parleurs, est présenté avec la plus grande fidélité possible au son original par un casque d'écoute lorsque, à côté des signaux audio arrivant directement des deux voies, la voie gauche et la voie droite, on simule aussi les réflexions du local d'écoute, mais pondérées des fonctions de transmission de l'oreille externe, fonctions qui dépendent de la direction. L'intégration de la fonction de transmission de l'oreille externe pour toutes les directions spatiales, donne une courbe amplitude-fréquence approximativement plate à l'oreille. Or, une simulation aussi complexe est pratiquement impossible. IL est donc nécessaire de se rabattre sur une configuration simplifiée. Par une multitude d'essais d'écoute, la demanderesse est finalement parvenue à cette configuration fortement simplifiée, assurant les résultats exactes et répondant au but fixé. Cela signifie qu'il suffit, pour garantir un événement d'écoute fidèle à l'écoute naturelle, de présenter seulement trois signaux audio différents à chaque oreille. Selon une autre caractéristique de l'invention, la correction nécessaire est opérée comme une sommation à phase linéaire inverse des fonctions de transmission de l'oreille externe dont est chargée chaque oreille. Pour que la fidélité auditive des sons originaux soit assurée, il faut en plus consacrer une attention particulière à deux problèmes: 1. la correction des signaux audio présentés 2. tenir compte de différences individuelles éventuelles entre les fonctions de transmission de l'oreille externe de différentes personnes. Etant donné que des signaux audio correspondant seulement à trois directions sont présentés à chaque oreille, la somme de ces signaux ne donne pas une courbe amplitude-fréquence plate. La réponse fréquentielle, d'allure très variable en amplitude, provoque des déformations de timbre. Ce problème est résolu par la totalisation des fonctions de transmission de l'oreille externe dont est chargée chaque oreille puis par la multiplication de chaque fonction individuelLe de transmission de l'oreille externe par la fonction somme de transmission de l'oreille externe, à phase linéaire inverse. On atteint ainsi deux objectifs: primo, les timbres sont préservés parce que la somme des courbes amplitude- fréquence est étale, secondo Les structures de phases donc aussi les structures temporelles du signal audio ne sont pas influencées, ce qui a surtout pour conséquence que L'écoute directive (à effet de direction) n'est pas influencée dans la zone angulaire avant de + 600 (à gauche et à droite du plan médian). Le problème des différences individuelles entre les personnes ne peut pas être résolu complètement. Bien que la correction à phase linéaire de la fonction de transmission de l'oreille externe compense les fluctuations individuelles des courbes amplitude- fréquence, les différences dans les structures de phases individuelles continuent d'exister. Il reste donc seulement le choix entre employer les fonctions de transmission de l'oreille externe d'une "personne moyenne" aussi appropriée que possible, ou alors présenter les fonctions de transmission de l'oreille externe de "différentes personnes". La différence qui subsiste en fin de compte entre le comportement d'écoute individuel et le choix qui s'y rapproche le plus, dans le cas de la deuxième solution, peut être compensée seulement par l'aptitude individuelle à l'apprentissage de l'auditeur. Bien entendu, les meilleurs résultats d'écoute sont obtenus avec "ses propres oreilles", c'est-à-dire avec les fonctions de transmission de l'oreille externe propres à chaque individu. Lors des essais d'écoute pratiques, il a été constaté que Les personnes participant aux essais, lors de l'écoute avec des "oreilles étrangères", la tête étant maintenue fixe, n'étaient plus en mesure, malgré cela, de dire si les signaux audio leur étaient présentés par des haut-parleurs ou par un casque d'écoute. Il se produisait certes des inversions de direction avant/arrière, lors de la présentation par haut-parleurs comme Lors de la présentation par casque, mais le phénomène connu de "localisation dans la tête" ne se produisait dans aucun cas. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, on confère également un retard, atteignant tout au plus 700 ps, aux signaux stéréo de la voie gauche appliqués à l'oreille droite, à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille droite pour la plage angulaire de 0 à 45 à gauche du plan médian, de même qu'aux signaux stéréo de la voie droite appliqués à l'oreille gauche, à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à L'oreille gauche pour la plage angulaire de 0 à 45 à droite du plan médian. Un retard dans le temps des signaux audio mentionnés ci- dessus a un effet de soutien sur les différences de signaux inter- aurales et renforce par conséquent l'action d'ensemble du procédé selon l'invention, mais iL peut être utilisé aussi, en étant rapporté au signal, pour le réglage de La Largeur de base. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, on applique à l'oreille droite les signaux stéréo de la voie gauche pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonée à l'oreille droite pour la plage anguLaire de 0 à 45 à gauche du plan médian, ainsi qu'à l'oreille gauche les signaux stéréo de la voie droite pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille gauche coordonnée pour la plage angulaire de 0 à 45 à droite du plan médian, ensemble avec les signaux qui sont toujours, dès le départ, retardés dans le temps et que l'on applique, à l'intérieur des domaines temporels indiqués, par paires de signaux retardés de façon inégale d'un côté et de l'autre. L'inégalité dans le retard des différents signaux stéréo tient compte de dissymétries géométriques de la tête humaine et de l'auditeur pour ce qui concerne son emplacement dans le local entouré par des murs. C'est ainsi que la naturalité de l'événement d'écoute présenté est réalisée le plus fortement. Quant à la fraction interaurale des signaux, il s'est révélé particulièrement avantageux de choisir des temps de retard qui sont d'environ 0,3 ms par exemple pour l'oreille gauche et d'environ 0,4 ms pour l'oreille droite. Les temps de retard correspondants pour une source sonore symétrique devraient alors être d'environ 27 ms pour l'oreille gauche et d'environ 22 ms pour l'oreille droite. D'autres combinaisons sont concevables et seront choisies en fonction des caractéristiques individuelles. De par son principe, le procédé selon L'invention est applicable aussi bien côté enregistrement que du côté de la repro- duction. Quant à la compatibilité de ce procédé avec la repro- duction des signaux audio présentés par des haut-parleurs, il reste encore quelques difficultés à résoudre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: 26383 12 - la figure 1 représente l'événement d'écoute dans un local clos réfléchissant; - la figure 2 montre les fractions sonores essentielles à une écoute fidèle à l'écoute d'origine; OS - la figure 3 montre les signaux audio essentiels à une telle écoute par un casque; et - la figure 4 représente les signaux audio à présenter à l'oreille conformément à l'invention, de même que les moyens nécessaires à la mise en oeuvre du procédé. La figure I illustre les conditions sonores existant lors de l'écoute stéréophonique dans un local clos 4 dont les parois 4' réfléchissent les sons. Les ondes sonores ou signaux audio issus du haut-parleur gauche L, atteignent l'oreille gauche et l'oreille droite de l'auditeur H à la fois par les trajets directs 1, 2 et par les réflexions produites par les parois, le plancher et le plafond du local d'écoute 4. Ceci est valable aussi et en même temps pour le haut-parleur droit R. Chaque direction est pondérée de la fonction de transmission de l'oreille externe qui lui est coordonnée. Les fractions des réflexions venant des côtés et du plafond procurent, pour l'essentiel la spatialité, tandis que les signaux primaires venant des deux haut-parleurs et atteignant l'oreille directementdéterminent la direction par laquelle arrive - tel que le ressent l'auditeur - l'événement sonore. Selon la loi de la localisation auditive globale ou localisation somme et selon la loi du premier front d'onde, l'interprétation de la direction est opérée par l'oule. Cependant, conformément à l'invention, un rôle très essentiel de soutien de l'écoute directive est joué par la réflexion 5 atteignant en premier l'oreille et venant latéralement de l'arrière ou tout à fait de l'arrière, de la direction d'une source sonore symétrique. La fonction globale de transmission de l'oreille externe, intégrée par l'oreille pour toutes les directions spatiales, présente une courbe amplitude-fréquence plate. Comme une simulation aussi complexe est quasiment impossible dans la pratique, le procédé selon l'invention est basé sur une configuration fortement 2638 3 12 simplifiée des fractions sonores fournissant une contribution essentielle à l'écoute directive (à effet de direction). Sur la figure 2, on peut voir qvelles fractions sonores fournissent une contribution essentielle à l'écoute respectant la fidélité directionnelle. Un événement sonore rayonné par le haut-parleur gauche L et le hautparleur droit R atteint l'oreille gauche par le trajet sonore le plus court désigné. par 1 et atteint l'oreille droite par le trajet sonore le plus court désigné par 1'. En étant affecté par le temps de propagation interaurale et par des distorsions occasionnées par La tête, le signal du haut-parleur gauche L atteint l'oreille droite par le trajet sonore 2 et le signal du haut-parleur droit R atteint l'oreille gauche par le trajet sonore 2'. Ainsi sont satisfaites les lois de la localisation somme et du premier front d'onde. Malgré cela, l'écoute avec la fidélité directionnelle n'est pas, ainsi, garantie de façon univoque, surtout dans des locaux réverbérants. La fidélité directionnnelle est assurée seulement par le troisième signal 3; 3', prévu selon l'invention et qui correspond à la réflexion à partir d'une source sonore symétrique. Lorsque l'on présente ces trois signaux à l'oreille par un casque d'écoute 8 et à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe des directions concernées à chaque fois, ainsi que le montre la figure 3, o les trois signaux essentiels pour l'oreille gauche et L'oreilLe droite sont désignés de nouveau par 1, 2', 3' et 1', 2, 3, il y a lieu de ne pas perdre de vue la problématique de la correction convenable et des différences individuelles des fonctions de transmission de l'oreille externe chez différentes personnes. La figure 4 montre le procédé selon l'invention pour la présentation de signaux audio stéréophoniques binauraux par un casque d'écoute. Le signal audio de La voie gauche L, pour commencer, est envoyé directement, à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille gauche pour la plage angulaire de 0 à 45 à gauche du plan médian 7, par un bloc de la rangée inférieure de la figure 4, contenant les flèches indicatrices de direction correspondantes. Le même signal audio atteint l'oreille droite à travers deux branches à retard. L'une d'elles produit le retardT2, pouvant atteindre tout au plus 700 ps et le signal audio acheminé par elle est pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille droite pour la plage angulaire de 00 à 45 située à gauche du plan médian 7. Cette branche simule l'écoute interaurale. La deuxième branche produit un retard T3 compris entre ms et 80 ms et le signal passant par elle est pondéré des fonctions de transmission de l'oreille externe, de l'oreille droite, coordonnées à la plage angulaire opposée. Les pondérations avec les fonctions de transmission de l'oreille externe sont représentées symboliquement par les blocs de la rangée inférieure, contenant les flèches indicatrices de direction correspondantes. Le signal audio de la voie droite R est appliqué de la même manière, symétriquement par rapport au plan médian 7, à l'oreille droite et à l'oreille gauche. Les retards sont désignés dans ce cas par T '2 et T'3 L'effet de direction est accru lorsque les différents retards dans le temps sont présentés par paires et de façon inégale. C'est ainsi que, par exemple, on pourrait choisir 27 ms pour T3 et 0,3 ms pour T2' auquel cas il s'avèrera avantageux de choisir 22 ms pour T'3 et 0,4 ms pour T'2. Il ne serait pas judicieux de présenter à l'oreille gauche, en plus de l'oreille droite, et inversement, un signal audio supplémentaire, également retardé dans le temps et simulant en quelque sorte en tant que premier écho une source sonore symétrique, parce qu'un tel signal conduirait à boucher l'oreille acoustiquement, annulant ainsi l'effet réalisable par le procédé. La correction nécessaire, à phase linéaire, procurant les couleurs des sons et n'influençant pas les structures de phases des fonctions de transmission de l'oreille externe, n'est pas représentée sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Procédé d'enregistrement ou de reproduction stéréo- phonique binaural pour signaux audio présentés par un casque d'écoute, caractérisé en ce que l'on applique les signaux de la voie gauche (L) à l'oreille gauche de l'auditeur (H) à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coor- donnée à cette oreille pour la plage angulaire, entre 0 et 45 à gauche du plan médian (7), et à l'oreille droite à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à cette oreille pour la même plage angulaire, avec en plus des signaux retardés dans le temps de la voie gauche, ayant un retard nettement en dehors du domaine de la localisation auditive globale et de l'écho audible, c'est-à-dire un retard compris entre 5 ms et 80 ms, et à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à cette oreille droite pour la plage angulaire opposée, et que l'on applique les signaux de la voie droite (R) aux oreilles droite et gauche de la même manière, symétriquement par rapport au plan médian (7), des corrections nécessaires de la courbe amplitude-fréquence étant opérées à l'aide de filtres numériques à phase linéaire, sans produire une influence sur les structures temporelles des fonctions de transmission de l'oreille externe utilisées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la correction nécessaire est opérée comme une sommation à phase linéaire inverse des fonctions de transmission de l'oreille externe dont est chargée chaque oreille. 3. Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que l'on confère également un retard (CT, T3), atteignant tout au plus 700 ps, aux signaux stéréo de la voie gauche (L) appliqués à l'oreille droite, à l'état pondéré de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille droite pour la plage angulaire de 0 à 45 à gauche du plan médian (7), de même qu'aux signaux stéréo de la voie droite appliqués à l'oreille gauche, à l'état pondéré de la fonction de transmission 26383 12 de l'oreille externe coordonnée à l'oreille gauche pour la plage angulaire de 0 à 45 à droite du plan médian. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on applique à l'oreille droite les signaux stéréo de la voie gauche (L) pondérés de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille droite pour la plage angulaire de 0 à 45 à gauche du plan médian (7), ainsi qu'à l'oreille gauche les signaux stéréo de la voie droite pondérés de la fonction de transmission de l'oreille externe coordonnée à l'oreille gauche pour la plage angulaire de 0 à 45 à droite du plan médian, ensemble avec les signaux qui sont toujours, dès le départ, retardés dans le temps et que l'on applique, à l'intérieur des domaines temporels indiqués, par paires de signaux retardés de façon inégale d'un côté et de l'autre.