Die Wahrheit über Faltungshall

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
1.1 Vorwort
1.2 Geschichte
1.3 Voraussetzungen und Technisches Prinzip
1.4 Die Systemtheorie
1.5 Chancen und Anwendungsbeispiele

2. Room- Sampling
2.1 Raumakustische Basis und Halldefinition
2.2 Die Schallquelle und Impuls – Signale
2.2.1 Das Sinus – Sweep – Verfahren
2.2.2 Dirac, weißes Rauschen und Pistolenschuss
2.3 Die Mikrofonierung
2.3.1 ORTF
2.3.2 Binauraler Kunstkopf
2.3.3 Ambisonic
2.4 Weiterverarbeitung und Anwendung der Impulsantworten

3. Auralisation
3.1 Die Bedeutung der Auralisation
3.2 Das Prinzip der Faltung
3.2.1 Spektrum Multiplikation
3.3 Extraktion akustischer Parameter und Deconvolving der Impulsantworten
3.4 Der Player
3.5 Optimierungsverfahren zur Verminderung der Berechnungsintensität

4. Abschließende Betrachtungen
4.1 Vergleiche zwischen Faltungshall und Algorithmus- Hall
4.2 Eigene Meinung

5. Quellenangabe

1. Einführung

1.1 Vorwort

In meiner Diplomarbeit möchte ich die Funktionsweise des Faltungshalls mit allen seinen Zwischenstationen beschreiben und mich kritisch mit dieser Technologie auseinander setzen. Wie wir alle wissen, erfährt der Faltungshall momentan einen enormen „Boom“, da die benötigte Rechenkraft mit neuen Prozessor – Technologien nun gegeben ist und der Falltungshall quasi Einzug in die „Wohnzimmer“ erhält. Jedoch benutzen viele Hersteller von Faltungshall – Effekten manipulierte und unterschiedliche mathematische Verfahren zur Hallerzeugung und zur Optimierung der Rechenleistung, wodurch der Kunde geblendet wird. Da sich die oft sehr komplexen Verfahren kaum nachvollziehen lassen, weiß der Kunde also nicht, was letztendlich in seinem so genannten Faltungshall eigentlich „drin steckt“ und ist durch Firmen- und Betriebsgeheimnisse kaum in der Lage Nachforschungen anzustellen. Die Produkttests dieser Geräte basieren außerdem auf subjektiven Höreindrücken, wodurch sich hierbei auch keinerlei Aussagen über die Authentizität der Effekte treffen lassen. Einige der bekannten Verfahren werde ich in dieser Arbeit nennen, werde diese jedoch nicht auf spezifische PlugIns anwenden.

Als Basis zur Erklärung des eigentlichen Schwerpunktes dieser Arbeit, dem Faltungsprozess, werde ich die Vorgehensweisen zur Erfassung von Impulsantworten von Räumen beschreiben. Dabei spielen basistechnische, raumakustische Fragen sowie die Methoden zur Anregung der Räume und Mikrofonierungs – Verfahren zur Aufzeichnung der Impulsantworten eine Rolle. Ebenso werde ich Kriterien für die Wahl solcher Methoden anführen.

Im Hauptteil werde ich das Prinzip der mathematischen Faltung sowie der Fourier – Transformation, welche als Grundlagen für die Erzeugung des Faltungshalls dienen, erklären. Zum Abschluss werde ich den Faltungshall mit herkömmlicher Hallerzeugung auf der Basis von Algorithmen vergleichen und Vor- und Nachteile der beiden Verfahren herausstellen. Hierbei werde ich meine eigene Meinung einfließen lassen und ein Resümee ziehen. Als Anlage soll eine CD mit Klangbeispielen der beiden Hallverfahren dienen, wobei ich mit dem traditionellen Algorithmus – Hall eine Impulsantwort nachahme.

1.2 Geschichte

Die Entwicklung des Faltungshalls geht bis zum Anfang der 90er Jahre zurück.

Eine der zündenden Ideen entstand aus dem Wunsch heraus, die damals noch sehr teuren algorithmischen Hallgeräte kostengünstiger zu gestalten und einer größeren Personengruppe nahe zu bringen. Die sich damals auf dem Höhepunkt befindende Sampling – Technologie ermöglichte die ersten Versuche das legendäre Lexicon – Hallgerät zu „samplen“ und diese Samples per MIDI – Befehlen an vorhandene Audiosignale „ran zu hängen“, um diese dadurch letztendlich zu verhallen. Eines der ersten Probleme war dabei die Tatsache, dass die aufgenommenen Samples der Hallräume des Lexicons, so genannte Impulsantworten, mit einem Impuls erzeugt wurden und niemals identisch mit den Signalen waren, die man verhallen wollte. Man stelle sich hier eine Hihat mit dem Hallanteil eines breitbandigen Impulses vor, der sich über die gesamten Frequenzen des menschlichen Hörbereiches erstreckt, was einen äußert unnatürlichen Klangeindruck zur Folge hätte. Die entstandene Bibliothek an erstklassigen Hallräumen aus dem Lexicon war daher in der Praxis nahezu untauglich.

Der Hersteller Sony® wurde als erstes auf dieses Problem aufmerksam und arbeitete bereits an einem Lösungskonzept. Mit seinem Hardware – Effektgerät, dem „DRE-S777“, welches von Sony® Ende der 90er Jahre für über 10.000 USD auf den Markt gebracht wurde, war das Fundament für die weitere Entwicklung des Faltungshalls geboren.

Die Idee, einen hochwertigen Halleffekt einer breiten Personengruppe nahe zu bringen, wurde jedoch auf Grund des hohen Preises nicht erfüllt. Das Grundprinzip des mit hochwertiger Digitaltechnik und Hochleistungs – DSP’s (Digitale Signal Prozessoren) ausgestatteten und immer noch sehr teuren Hallgerätes basierte auf der gleichen ursprünglichen Idee: Des Aufzeichnens von Hallräumen aus anderen technischen Geräten. Jedoch wurden die beiden Signale – Ursprungssignal und Impulsantwort – nicht wie vorhergehend via MIDI getriggert, sondern per DSP zusammengerechnet. Diesen sehr rechenintensiven Vorgang bezeichnete Sony® als Faltung. Damit war der Begriff „Faltungshall“ geboren.

Aktuell gibt es hunderte Halleffekte in Form von Hard- und Softwarelösungen auf dem Markt, deren Funktionsweise auf der Faltungstheorie basiert.

1.3 Voraussetzungen und Technisches Prinzip

Die Grundvoraussetzung für die Funktion des Faltungshalls ist das Vorhandensein einer Impulsantwort und eines leistungsfähigen Players, welcher für den Faltungsprozess verantwortlich ist. Der erste Schritt dient also zur Herstellung und Aufzeichnung einer Impulsantwort, der „Konservierung“ eines Raumes. Hierbei wird der Raum zunächst durch einen Impuls angeregt. Dieser kann aus einem Sinus – Sweep, einem Pistolenschuss oder aus weißem Rauschen bestehen (näheres unter 2.2 „Die Schallquelle und Impuls – Signale“) und wird optimaler Weise durch einen dodekaedronischen Lautsprecher wiedergegeben, da dieser eine gleichmäßige Anregung des Raumes nach allen Seiten gewährleistet.

Nun wird dieser Impuls zusammen mit der Antwort des Raumes, bestehend aus den Erstreflektionen und dem diffusen Nachhall mit mehreren Mikrofon aufgezeichnet (siehe 2.3 „Die Mikrofonierung“). Durch das so genannte Deconvolving werden die Eingangssignale mit den Ausgangssignalen mathematisch in Beziehung gebracht. Die Systemantwort wird also mit dem Erregerimpuls invertiert gefaltet, wodurch sich die reine Impulsantwort ergibt. Der Erregerimpuls wird dabei also aus der aufgezeichneten Systemantwort entfernt.

Die Impulsantwort findet nun ihre Verwendung in der so genannten Auralisation.

Auralisation bedeutet ein beliebiges Musik- oder Tonsignal virtuell in einer vorher durch Impulsantworten konservierten Akustik wiederzugeben, dies wird durch einen weiteren Faltungsprozess erreicht. Die Impulsantwort, welche Aufschluss über den gesamten zeitlichen, frequentiellen und energetischen Verlauf des Halls vom aufgezeichneten Raum bringt, wird also wiederum auf das zu verhallende Signal (Musik oder Sprache) gefaltet.

Dabei lässt sich der Faltungsprozess im Groben durch eine „sample – by – sample“ – Operation an zwei verschiedenen Signalen beschreiben, welche durch diesen Prozess miteinander verschmelzen oder besser gesagt „aufeinander gefaltet“ werden.

Alternativ dazu kann ein leistungseffizienteres Verfahren eingesetzt werden, welches sich Spektrum – Multiplikation nennt (näheres unter 3.2.1 „Spektrum – Multiplikation“).

Den Vorgang der Faltung oder Spektrum – Multiplikation übernimmt der Player, welcher entweder durch eine Hardware – Implementierung (Effektgerät) oder durch eine Software (PlugIn) verwirklicht wird. In einigen Fällen ist der Player durch intelligente Voranalyse bzw. Manipulation der Impulsantworten sogar in der Lage, dem sonst so statischen Faltungshall weitere Parameter zur Verfügung zu stellen.

Für den gesamten mathematischen Faltungsprozess ist die Linearität der Systeme die wichtigste Voraussetzung. Dies bedeutet, dass ein Raum als ein lineares System bei einer Anregung durch ein zweites lineares System (des Erregerimpulses) gleichmäßig antworten muss. Wenn also in einem dieser Systeme Verzerrungen entstehen, greift das Prinzip der Faltung nicht mehr, was durch die Systemtheorie beschrieben werden kann.

1.4 Die Systemtheorie

Die Basis für das Gewinnen von Impulsantworten und dem Prozess der Faltung bildet die so genannte Systemtheorie. Der Begriff Systemtheorie stammt von Ludwig von Bertalanffy, der 1949 die "General – Systems – Theory" verfasste.

Beim systemtheoretischen Denkansatz geht es um Ganzheiten. Durch die Beziehungen verschiedener Elemente untereinander und die daraus entstehenden Wechselwirkungen ergibt sich etwas Neues, das nicht ausschließlich auf die Eigenschaften der Elemente zurückführbar ist sondern von einem System 'S' geprägt ist.

Dabei ist das System vorerst mit einer Blackbox vergleichbar. Ein Signal tritt in diese Box hinein und tritt verändert wieder heraus, ohne dass man den eigentlichen Prozess der Box und dessen Auswirkungen auf das Eingangssignal beschreiben könnte. Sobald man jedoch die Ein- und Ausgangsgrößen miteinander in Beziehung setzt, lässt sich das System vollständig beschreiben. Dies bedeutet, dass ein System 'S' durch die Anregung mit einem Eingangssignal 'x' nach dem Ursache – Wirkungsprinzip reagiert und mit einem eindeutigen Ausgangssignal 'y' antwortet. Dies wird auch als Systemreaktion auf das Eingangssignal beschrieben. Sie ist eine Kenngröße, durch die ein System vollständig beschrieben wird. Wenden wir diese Theorie auf die Aufnahme von Impulsantworten und den Faltungshall an, müssen bestimmte Gesetzmäßigkeiten erfüllt sein, da wir zeitliche, energetische und frequentielle Kriterien messen möchten:

Unser System muss zeitinvariant sein, was bedeutet, dass eine Verschiebung des Eingangssignals 'x' um eine Zeit 't', auch eine Verschiebung des Ausgangssignal 'y' um die Zeit 't' bewirken muss. Dies ist wichtig für den Fall einer verspäteten Anregung und für dessen zeitlichen Verlauf.

Ebenso ist die Linearität und Stabilität ein wichtiges Kriterium. Ein stabiles System reagiert auf ein Eingangssignal mit endlicher Amplitude, mit einem Ausgangssignal, dessen Amplitude ebenfalls begrenzt ist. Da ein durch ein Schallereignis angeregter Raum nicht mit einem Hall eines unendlich hohen Pegels reagiert, ist dies ebenfalls gegeben.

Linearität bedeutet, dass sich im Falle der Veränderung des Eingangssignals um einen Faktor ‘k’, auch die Systemantwort um den Faktor 'k' verändern muss.

Dies basiert auf der Tatsache, dass sich bei einem mit Hall versehenden Signal – im Falle der Veränderung des Eingangssignals – auch der Hall verändern muss. Dies stellt ebenso das wichtigste Kriterium für den Prozess der Faltung dar, denn diese funktioniert ausschließlich mit linearen Systemen. Wäre das System non – linear und würde für gleiche Eingangssignale unterschiedliche Ausgangssignale fördern, so ließen sich diese nicht Eindeutig in Beziehung miteinander bringen.

Das letzte Kriterium ist die Kausalität des Systems, welche voraussetzt, dass logischerweise eine Wirkung erst nach einer Ursache auftreten darf.

Nun müssen wir die Signale unter Berücksichtigung der Zeit noch in Abhängigkeit voneinander setzen: 'y(t)' = S{x(t)}

Die Systemantwort 'y(t)' ist also in irgendeiner Weise vom Eingangssignal 'x(t)' und von den Systemeigenschaften abhängig. Um dies noch einmal zu verdeutlichen:

Die Systemantwort 'y(t)' beinhaltet die Impulsantwort 'h(t)' und den Erregerimpuls oder Eingangssignal 'x(t)'. Systemantwort und Impulsantwort sind also nicht ein und dieselbe Größe! Erst durch das Deconvolving (siehe 3.3 „Extraktion akustischer Parameter und Deconvolving“) lässt sich aus der Systemantwort die eigentliche Impulsantwort gewinnen. Ich gebe zu, dass dies etwas verwirrend klingt denn in der Praxis wird fälschlicher Weise, die Systemantwort mit der Impulsantwort gleichgesetzt.

1.5 Chancen und Anwendungsbeispiele

Wie bereits erwähnt, nimmt die Bedeutung von Faltungshall mit steigender Prozessorleistung deutlich zu, womit sich mehrere neue Anwendungsgebiete eröffnen.

Allerdings hat der reine Faltungshall auch mit einigen Einschränkungen zu kämpfen um sich als „Allround – Tool“ behaupten zu können. Durch das Fehlen wichtiger Parameter zur Editierung des Halls, wie z. B. die Beeinflussung der Nachhallzeit, die Anpassung der Erstreflektionen etc. ist die Flexibilität dieser Technologie stark eingeschränkt. Es gibt jedoch bereits Firmen, die sich mit diesem Problem befassen und versuchen die Vorteile des algorithmischen Halls mit denen des Faltungshalls zu kombinieren.

Ganz klare Vorteile erntet der Faltungshall, wenn es um die realistische Abbildung von natürlichen Raumklängen geht. So benötigt man lediglich die Impulsantwort eines solchen Raumes und es lässt sich beispielsweise der Klang eines berühmten Konzerthauses exakt nachahmen. Anwendungsgebiete sind hier ganz klar die Nachvertonung von Spielfilmen oder Serien, der Einsatz in Videospielen oder anderen multimedialen Anwendungen.

Man stelle sich einmal vor, wie viel Zeit und damit verbundene Kosten ein Synchronstudio sparen wird, wenn es für den Nachbau einer schwierigen akustischen Situation einfach auf eine Impulsantwort zurückgreift, anstatt auf langwierigem Weg einen nicht annähernd so realistisch klingenden, algorithmischen Halleffekt zu programmieren.

Auch ermöglicht der Faltungshall mit wenigen finanziellen und technischen Mitteln den Nachbau einer nahezu perfekten Akustik eines Weltklasse – Tonstudios.

Ebenso könnten Impulsantworten von Veranstaltungsstätten verfügbar gemacht werden, wodurch eine vorhergehende akustische Planung wie z. B. das Einstellen eines Summenequalizers für ein Live – Konzert möglich wäre. Dadurch würde die Impulsantwort praktisch an die Stelle des „Real – Time Analyzer“ treten. Der Anwendung sind somit kaum Grenzen gesetzt und wir dürfen gespannt sein, wo der Faltungshall zukünftig zum Einsatz kommen wird.

2. Room- Sampling

2.1 Raumakustische Basis und Halldefinition

Schall im geschlossenen Raum wird in seiner Ausbreitung gestört. Die verschiedenen Wirkungen dieser Störung lassen uns einen Raumeindruck empfinden.

Zu diesen Wirkungen gehören die Schallreflexion, Schallbeugung und Schallabsorption (die Schallbrechung werde ich übergehen, da sie nur bei einem Übergang des Schalls in ein anderes Medium eine Rolle), welche alle von der Wellenlänge einer Frequenz abhängig sind. Die Schallreflexion lässt sich als Analogie zur Optik betrachten. Das heißt ein Schallstrahl kann ähnlich wie ein Lichtstrahl durch einen Spiegel, reflektiert werden.

Für eine Reflektion gilt: Ist eine ebene Fläche eines Schallhindernis größer / gleich der Wellenlänge einer Frequenz, wird diese reflektiert, wobei der Einfallswinkel dem Ausfallwinkel entspricht. Schallreflexionen können Flatterechoes oder stehende Wellen auslösen, sofern sich diese zwischen zwei parallelen Wänden vollstrecken. Tritt der Schall auf eine gekrümmte Fläche, können Schallbündelung oder Schallstreuung die Folge sein.

Bei einer Schallbeugung muss die Fläche eines Hindernisses kleiner / gleich als die Wellenlänge einer Frequenz sein. So wird ein Hindernis umgangen, als wenn es nicht da wäre. Dies ist meist bei tieferen Frequenzen der Fall, da diese eine längere Wellenlänge haben. Bei höheren Frequenzen entstehen hinter solchen Hindernissen hingegen oft Schallschatten, da diese eher reflektiert werden.

Bei der Schallabsorption wird dem Schall Energie entzogen. Das Maß der Absorption ist dabei abhängig vom Schallabsorptionsgrad. Er ist eine Zahl zwischen 0 und 1, wobei 1 eine totale Absorption angibt und 0 totale Reflexion. Durch die Luftabsorption ist natürlicher Hall ab einer Frequenz von 5Khz nie länger als 3 Sekunden und bei 10Khz kürzer als 1,2 Sekunden.

Strahlt also nun eine Schallquelle allseitig einen Schallimpuls ab, so wird dieser von den Raumbegrenzungsflächen und von den Gegenständen im Raum, in Abhängigkeit der Oberflächenmaterialien und der geometrischen Form dieser, reflektiert, absorbiert oder gebeugt.

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