Brevet FR3065137A1 — publié le 20181012

- 1 - PROCEDE DE SPATIALISATION SONORE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la spatialisation sonore permettant de créer l'illusion de la 5 localisation d'un son lors d'une écoute, notamment par casque et une sensation d'immersion. L'audition humaine est capable de déterminer la position dans l'espace des sources sonores, principalement en se basant sur la comparaison entre les signaux sonores reçus des deux oreilles, mais aussi grâce à la 10 comparaison son direct/réverbération, ou encore par un traitement spectral. Les techniques dépendent fortement du système d'écoute (stéréophonie, multicanal, etc.). L'écoute au casque permet par exemple de sélectionner précisément ce qu'une 15 oreille va percevoir : indépendamment du canal dédié à l'autre oreille, et sans le filtrage HRTF effectué par la tête. La spatialisation permet d'améliorer la perception de la cohérence de l'espace sonore et l'intelligibilité de l'ensemble en dépend. L'auditeur peut localiser des sources 20 sonores uniquement par son système auditif et par exemple percevoir si une voiture lui fonce dessus ou si elle passe à 100 mètres de lui, si un chien aboie chez le voisin ou s'il est juste devant lui, et ainsi assurer une cohérence entre une vidéo et l'ambiance sonore associée. 25 Les deux oreilles perçoivent les sons qui diffèrent par leur gain, leur phase et leurs réflexions et le cerveau en fait une analyse détaillée pour en calculer les résultats et pouvoir placer le son perçu avec plus ou moins d'exactitude. 30 La première différence de perception des deux oreilles est la différence de gain : un son est placé à droite, l'oreille droite entend ce son bien plus fort que 3065137 - 2 - l'oreille gauche. Plus le son est proche de l'oreille, plus la différence de gain sera grande. La raison est simple : les deux oreilles sont distancées d'environ 20 cm et cette distance s'ajoute donc au chemin parcouru par le son. Un son se trouvant à 20 cm d'une oreille, double la distance en allant vers l'autre oreille (= moins 6 dB). La deuxième différence perçue est celle de la phase : en parcourant la distance entre une oreille et l'autre, le son arrive avec une phase différente à chaque oreille, sauf dans le cas très particulier et théorique d'une onde sinusoïdale qui correspondrait exactement à la distance entre les oreilles. Le cerveau est capable d'analyser des différences de phases sans problèmes et d'en tirer des conclusions sur l'emplacement de la source sonore. La troisième différence se base sur la particularité de l'oreille, sa forme et la construction particulière de notre appareil auditif. Il est bien évident que la forme particulière de nos oreilles fait en sorte que les sons venant de devant seront amplifiés et les autres 20 venant des côtés ou de derrière seront plus ou moins atténués. Notre cerveau utilise donc ces trois différences de perception pour analyser les données et pour calculer et construire un espace sonore. Etat de la technique 25 Les procédés et dispositifs selon l'état de la technique ont pour but de permettre un rendu spatial fidèle des sons dans un casque de reproduction audio porté par un utilisateur. Un casque audio sans traitement spécifique ne permet qu'un rendu dégradé d'un mixage multi-canal, inférieur 30 à celui d'une diffusion sur enceinte Le but des dispositifs de rendu audio spatialisé est de simuler la provenance des sons de plusieurs sources réparties dans l'espace. Pour effectuer ce rendu spatial avec une fidélité suffisante, il est 3065137 - 3 - nécessaire de tenir compte notamment des différences de chemin entre une source sonore et chacune des oreilles de l'utilisateur et des interférences entre les ondes acoustiques et le corps de l'utilisateur. Ces éléments sont 5 traditionnellement mesurés pour être inclus dans une chaîne de traitement de signal numérique destinée à restituer à l'utilisateur portant un casque les éléments lui permettant de reconstituer la localisation des sources sonores en utilisant des fonctions de transfert de la tête (en anglais « Head 10 Related Transfer Functions » ou « HRTF »). On connaît notamment dans l'état de la technique des solutions décrites par exemple dans le brevet européen Procédé de synthèse transaurale pour la spatialisation sonore EP2815589 décrivant un procédé pour la production d'un fichier 15 numérique audio stéréo spatialisé à partir d'un fichier audio multicanal originel, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de traitement, sur chacun des canaux, pour la suppression des trajets croisés (cross talk cancelation) - une étape de fusion des canaux pour construire un signal stéréo - une étape de filtrage dynamique et d'équalisation spécifique pour l'augmentation de la dynamique du son. On connaît aussi le brevet français FR2851879 décrivant un traitement de données sonores, pour une restitution spatialisée de signaux acoustiques. On obtient, pour chaque signal acoustique, au moins un premier jeu et un second jeu de termes pondérateurs, représentatifs d'une direction de perception dudit signal acoustique par un auditeur. On applique ensuite à au moins deux jeux d'unités de filtrage, disposées en parallèle, lesdits signaux acoustiques, pour délivrer au moins un premier et un second signal de sortie (L,R) correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par ces unités de filtrage respectivement 3065137 - 4 - pondérés par l'ensemble des termes pondérateurs du premier jeu et du second jeu. Au sens de l'invention, chaque signal acoustique à traiter est au moins partiellement codé en compression et s'exprime sous la forme d'un vecteur de sous- 5 signaux associés à des sous-bandes de fréquences respectives. Chaque unité de filtrage effectue un filtrage matriciel appliqué à chaque vecteur, dans l'espace des sous-bandes fréquentielles. La demande de brevet internationale WO 2010061076 10 décrit un autre exemple de procédé de traitement du signal, notamment audionumérique, adapté pour être mis en oeuvre par un processeur de signal numérique (DSP) possédant des bibliothèques de calcul de transformées de Fourier de l'espace des complexes vers l'espace des complexes, pour le traitement 15 numérique de P signaux d'entrée, P étant un entier supérieur ou égal à 2, plus particulièrement pour le filtrage desdits P signaux d'entrée par convolution de transformées de Fourier rapides (FFT) échantillonnées, obtenant ainsi Q signaux de sortie, Q étant un entier supérieur ou égal à 2. Selon 20 l'invention, le procédé comprend au moins les étapes suivantes - regrouper lesdits P signaux d'entrée par deux, l'un représentant la partie réelle, l'autre la partie imaginaire d'un nombre complexe, définissant ainsi un ou 25 plusieurs vecteurs d'entrée, - réaliser le filtrage sur ledit ou lesdits vecteurs d'entrée en passant par l'espace de Fourier, engendrant ainsi un ou plusieurs vecteurs de sortie, complexes, la partie réelle et la partie imaginaire dudit ou 30 de chacun desdits vecteurs sortie représentant respectivement l'un desdits Q signaux de sortie. Inconvénients de l'art antérieur 3065137 - 5 - Les solutions de l'art antérieur permettent certes d'améliorer la spatialisation du son lors d'une écoute avec un casque à un volume d'écoute donné. Toutefois, la spatialisation dépend de l'intensité du son. Si le volume 5 sonore est trop élevé, on perd la perception de spatialisation. Si au contraire, le volume d'écoute est faible, l'effet de spatialisation est déformé et exagéré et perturbe l'auditeur. Un son distant étant moins puissant, le niveau 10 sonore est le réglage le plus évident pour décrire l'éloignement. Par ailleurs, le niveau relatif entre un son sec et sa réverbération diffère en fonction du volume d'écoute. Enfin, la distance filtrant certaines fréquences, 15 une égalisation coupant les basses (en dessous de 200Hz) et hautes fréquences participe à l'illusion d'éloignement. Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention 20 concerne selon son acception la plus générale un procédé de spatialisation sonore consistant à appliquer un filtrage d'un signal sonore avec une fonction de transfert prenant en compte un profil déterminé par acquisition d'une réponse impulsionnelle d'une salle de référence, caractérisé en ce 25 qu'il comporte une étape de modification de ladite fonction de transfert en fonction d'un signal représentatif du volume d'amplification. Avantageusement, ladite modification de la fonction de transfert consiste à sélectionner un profil parmi une 30 pluralité de profils correspondant chacun à une acquisition d'une réponse impulsionnelle de ladite salle de référence avec une distance différente. 3065137 - 6 - Selon une variante particulière, le procédé de spatialisation sonore selon la revendication 2 est caractérisé en ce qu'il comporte en outre des étapes de calcul en temps réel de profils synectiques par combinaison d'au moins deux 5 profils préenregistrés. Selon une autre variante, ladite modification de la fonction de transfert consiste à sélectionner une séquence de longueur variable dudit profil, la taille de ladite séquence étant fonction du volume d'amplification. 10 L'invention concerne également un équipement de spatialisation sonore pour la mise en oeuvre du procédé susvisé comprenant un calculateur pour exécuter un traitement consistant à appliquer un filtrage d'un signal sonore avec une fonction de transfert prenant en compte un profil déterminé 15 par acquisition d'une réponse impulsionnelle d'une salle de référence, caractérisé en ce que ledit calculateur comporte des moyens pour sélection une série de fonctions de transfert en fonction d'un signal représentatif du volume d'amplification. 20 Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit concernant un exemple non limitatif de réalisation. 25 - Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement les positions des haut-parleurs virtuels et l'effet de salle pour enregistrer une série de fonctions de transfert, La figure 3 représente la réponse impulsionnelle d'un signal de type « sweep » 30 - la figure 4 représente le spectre temps-fréquence d'un exemple de fonction de transfert - la figure 5 représente le schéma de principe d'un système de reproduction. Encodage des fonctions de transfert 35 les technologies binaurales se déclinent sous deux formes : - encodage naturel : Les signaux binauraux sont acquis au moyen d'un enregistrement en plaçant une paire de microphones à l'entrée des conduits auditifs d'un individu ou 3065137 - 7 - d'un mannequin (têtes artificielles). Cette déclinaison trouve son application dans la captation de scènes sonores pour le partage d'ambiance ou le concept de carte postale sonore. - encodage artificiel : Les signaux binauraux sont 5 obtenus par synthèse binaurale en convoluant un signal monophonique représentant le signal émis par la source sonore par une paire de filtres modélisant les fonctions de transfert associées aux oreilles gauche et droite en relation avec une position de source donnée. Potentiellement les fonctions de 10 transfert peuvent prendre en compte l'effet de salle lié à l'environnement acoustique des sources sonores. Contrairement à un enregistrement, la synthèse binaurale offre toute liberté dans le positionnement et le contrôle des sources sonores. Acquisition physique des fonctions de transfert 15 Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement les positions des haut-parleurs et l'effet de salle pour enregistrer une série de fonctions de transfert. Une pluralité de haut-parleurs (1 à 5) entoure, 20 dans l'exemple représenté, un couple de microphones (6, 7), par exemple sous forme d'une tête artificielle. Les haut-parleurs (1 à 5) sont placés dans une première position, à une distance intermédiaire par rapport aux microphones (6, 7). Ils sont l'un après l'autre alimenté 25 par un signal de référence, par exemple un bruit blanc de faible durée, par exemple un « clap ». Chaque microphone reçoit une onde sonore directe et une onde sonore réverbérée par les parois de la salle de prise de son. Pour chaque haut-parleur (1 à 5) le trajet 30 acoustique (ipsi-latéral (10) dans l'exemple représenté) du haut-parleur (3) au microphone gauche (7), ainsi que le trajet acoustique (contra-latéral (11) dans l'exemple représenté) du haut-parleur (3) au microphone droite (6), ainsi que des 3065137 - 8 - réflexions sur les murs (trajet 12, 13)), et finalement un champ diffus après plusieurs réflexions. A chaque réflexion, l'onde acoustique s'atténue dans les fréquences les plus élevées. 5 On déplace ensuite les haut-parleurs (1 à 5) comme représenté en figure 2, à une distance différente, de la distance précédente, et on réitère la procédure d'acquisition des enregistrements sonores par les microphones (6, 7). On enregistre ainsi une série d'acquisitions 10 sonores correspondant à des orientations différentes, regroupées en fonction de la distance de placement des haut-parleurs, permettant de calculer par des traitements connus des fonctions de transfert sous forme de réponses impulsionnelles. 15 Pour réaliser le calcul des fonctions de transfert, on utilise un générateur (21) produisant un signal de référence, amplifié par un amplificateur (20). Ce signal est également transmis à un calculateur (22) recevant les signaux provenant des deux microphones (6, 7) pour réaliser le calcul 20 d'un filtre binaural. La figure 3 représente la réponse impulsionnelle d'un signal de type « sweep » et la figure 4 illustre une représentation temps-fréquence d'une fonction de transfert correspondant à l'acquisition par un haut-parleur (3) à une 25 distance donnée. En considérant un premier bloc de temps de 0 à N-1, noté m=0, la fréquence maximale Fcd(0) d'un filtre représentant la fonction de transfert propre à l'oreille droite peut être plus basse que la fréquence maximale Fcg(0) d'un filtre représentant la fonction de transfert propre à 30 l'oreille gauche. On peut ainsi limiter les composantes de son filtre pour l'oreille droite jusqu'à la fréquence de coupure Fcd(0) quand bien même le signal à traiter peut avoir des composantes spectrales supérieures et jusqu'à la fréquence Fcg(0) au moins. Ensuite, après des réflexions, l'onde 35 acoustique tend à s'atténuer dans les fréquences élevées, ce 3065137 - 9 - qui est bien respecté par la représentation temps-fréquence de la fonction de transfert pour l'oreille gauche, comme pour l'oreille droite, pour les instants N à 2N-1, correspondant au bloc suivant noté m=1. Ainsi, on peut prévoir de limiter les 5 composantes des filtres pour l'oreille droite jusqu'à la fréquence de coupure Fcd(1) et pour l'oreille gauche jusqu'à la fréquence de coupure Fcg(1). Les blocs plus courts permettent de faire varier plus finement la plus haute fréquence à considérer par exemple 10 pour tenir compte d'une première réflexion pour laquelle la fréquence la plus haute augmente pour l'oreille droite (traits pointillés autour de Fcd(0) dans la figure 4) dans les premiers instants du bloc m=0. Il est possible de ne pas prendre en compte toutes les composantes spectrales d'un 15 filtre représentant une fonction de transfert, en particulier au-delà d'une fréquence de coupure Fc. En effet, la convolution d'un signal par une fonction de transfert devient, dans le domaine spectral, une multiplication des composantes spectrales du signal par les composantes spectrales du filtre 20 représentant la fonction de transfert dans le domaine spectral, et, en particulier, cette multiplication peut être opérée jusqu'à une fréquence de coupure seulement, qui est fonction d'un bloc donné, par exemple, et du signal à traiter. Reproduction sur un casque ou un couple de haut-parleurs 25 L'alternative au casque est l'écoute sur un système de deux haut-parleurs, par exemple les haut-parleurs en façade d'un ordinateur portable. Si l'on alimente les haut-parleurs par les signaux binauraux, et non pas des écouteurs d'un casque, il est nécessaire de traiter les trajets croisés : le 30 signal binaural gauche (respectivement droit) qui est destiné uniquement à l'oreille gauche (respectivement droite) est perçu non seulement par l'oreille gauche (respectivement droite), mais aussi par l'oreille droite (respectivement 3065137 - 10 - gauche) modulo le contournement de la tête. Cette diaphonie entre les deux oreilles détruit l'illusion de la scène sonore virtuelle. La solution générale est basée sur un prétraitement des signaux binauraux en amont de la diffusion par les haut- 5 parleurs : le signal parasite résultant du trajet croisé est injecté en opposition de phase au signal binaural original, de façon à annuler l'onde de contournement lors de la diffusion. Il s'agit du procédé d'annulation des trajets croisés (en anglais crosstalk canceller). 10 Les séries de fonctions de transfert sont enregistrées dans une base de données (51), avec un indicateur correspondant au rang de la distance d'acquisition lors la phase d'acquisition. La sélection de la série est pilotée par un signal 15 (50) correspondant au niveau d'écoute provenant par exemple de l'interface homme-machine de commande d'un amplificateur numérique. En fonction du volume sélectionné sur l'amplificateur, le calculateur détermine le rang approprié 20 - pour un volume fort, le rang correspondant à la série de fonction de transfert acquise avec les haut-parleurs (1 à 5) placés à grande distance, correspondant à une réponse impulsionnelle IR longue, de l'ordre de 400 ms à 2s, acquise avec des haut-parleurs (1 à 5) placés à une distance de 3 à 5 25 mètres des microphones (6, 7) - pour un volume faible, le rang correspondant à la série de fonction de transfert acquise avec les haut-parleurs (1 à 5) placés à une faible distance, correspondant à une réponse impulsionnelle IR courte, de l'ordre de 50 ms à 1 s, 30 acquise avec des haut-parleurs (1 à 5) placés à une distance de 1 à 2 mètres des microphones (6, 7). REVENDICATIONS1 - Procédé de spatialisation sonore consistant à appliquer un filtrage d'un signal sonore avec une fonction de transfert prenant en compte un profil déterminé par acquisition d'une réponse impulsionnelle d'une salle de référence, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de modification de ladite fonction de transfert en fonction d'un signal représentatif du volume d'amplification. 2 - Procédé de spatialisation sonore selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite modification de la fonction de transfert consiste à sélectionner un profil parmi une pluralité de profils correspondant chacun à une acquisition d'une réponse impulsionnelle de ladite salle de référence avec une distance différente. 3 - Procédé de spatialisation sonore selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des 20 étapes de calcul en temps réel de profils synectiques par combinaison d'au moins deux profils préenregistrés. 4 - Procédé de spatialisation sonore selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite modification de 25 la fonction de transfert consiste à sélectionner une séquence de longueur variable dudit profil, la taille de ladite séquence étant fonction du volume d'amplification. 5 - Equipement de spatialisation sonore pour la 30 mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comprenant un calculateur pour exécuter un traitement consistant à appliquer un filtrage d'un signal sonore avec une fonction de transfert prenant en compte un profil déterminé par acquisition d'une réponse impulsionnelle d'une salle de 3065137 - 12 - référence, caractérisé en ce que ledit calculateur comporte des moyens pour sélection une série de fonctions de transfert en fonction d'un signal représentatif du volume d'amplification. 5