The role that sound spatialization plays in improving performance in an interactive installation : study of the correlation between gesture and localization of sound sources in space

The main objective of this research work is to study the correlation between gesture and localization of sound sources in space within the framework of interactive installations, based on theories of hearing and gesture. We have therefore chosen the experimental method by developing an interactive installation with which we carry out three different experiments, in which a subject’s hand is tracked by a Microsoft Kinect depth camera (motion capture) and a deictic gesture is used to trigger recorded music sounds and identify their localization in the horizontal plane. Thus, we manipulate the direction of sound and we measure the percentage of correct perceptual sound source localizations resulting from the participant’s responses in an Inquiry Mode Questionnaire in comparison with the actual directions of the gesture and perceptual sound sources provided by software. Descriptive and inferential statistics is applied to the collected data. The main results show that it is easier to define the origin of sound and that auditory perception is more accurate when its incidence is frontal in the horizontal plane, just as sound source localization theory predicts. Whereas 86.1% of all volunteers consider that their gesture coincides with the origin of sound in experiment 1, in which the use of their gesture in a certain direction produces a sound from that direction, only 58.1% admit the same in experiment 3, in which the same gesture is used to identify the system-predetermined localization of a perceptual sound source in an angle of 260o around a subject. At least 55.9% of all participants do not perceive that their gesture cannot coincide with the origin of sound in experiment 2, since sound is produced from the opposite surround direction, which seems to demonstrate that, when sounds are produced frontally or from the back and a person has the task of controlling their motion with a deictic gesture at the same time, his or her ability to identify the origin of sound generally diminishes, in addition to the already well-known reduced ability to identify it when it is in the median plane, if the head is not rotated. We therefore conclude that there is a relatively high correlation between gesture and localization of sound sources in space, but this is not as perfect as it could be owing to the limitations of the human auditory system and to the natural dependence of head movement on gesture.O objectivo principal deste trabalho de pesquisa é o de estudar a correlação entre gesto e localização de fontes sonoras no espaço, no âmbito das instalações interactivas, com base nas teorias da audição e do gesto. Na ocasisão em que começamos a nossa investigação verificámos que havia vários estudos que abordavam os assuntos “gesto” e “localização de fontes sonoras” de diversas maneiras: 1) de forma independente um do outro e/ou noutros contextos distintos dos das instalações interactivas, como por exemplo em Blauert (1997), Pulkki (1999) Pulkki & Karjalainen (2001), Pulkki (2001a), Bates et al. (2007), Hammershøi (2009), McNeill (1992), Coutaz & Crowley (1995), Choi (2000), Cadoz & Wanderley (2000), Nehaniv (2005), Campbell (2005), ou Godøy & Leman (2010); 2) de um ponto de vista mais técnico, como por exemplo em Harada et al. (1992), Jensenius et al. (2006), Marshall et al. (2006), Schacher (2007), Neukom & Schacher (2008), Zelli (2009), Marshall et al. (2009), Bhuiyan & Picking (2009), ou Schumacher & Bresson (2010); ou 3) de um ponto de vista mais artístico, como em Bencina et al. (2008) ou Grigoriou & Floros (2010). Havia, no entanto, muito poucos estudos a envolver ou a abordar ambos os assuntos e a analisar de maneira conjugada as suas relações de um ponto de vista mais perceptual, como por exemplo em Gröhn (2002), de Götzen (2004) ou Marentakis et al. (2008). Foi esta última perspectiva que decidimos seguir e que aqui exploramos. Desta forma, optámos pelo método experimental, aplicando um desenho de medidas repetidas e desenvolvendo uma instalação interactiva com a qual realizamos três experiências diferentes, em que a mão de um sujeito é rastreada por uma câmara de profundidade Microsoft Kinect (captação de movimento) e um gesto díctico é usado para activar sons de música gravada e para identificar as suas localizações no plano de escuta horizontal. Assim, manipulamos a direcção do som e medimos a percentagem de localizações de fontes sonoras perceptuais correctas, resultante das respostas dos participantes num Inquérito Por Questionário em comparação com as direcções reais do gesto díctico e das fontes sonoras perceptuais fornecidas pelo software que utilizamos no nosso trabalho. Para população-alvo pensámos em pessoas com conhecimentos musicais e pessoas com poucos ou nenhuns conhecimentos musicais, o que nos levou a solicitar a um grande número de pessoas a sua participação voluntária, anónima e sem constrangimentos no nosso estudo. Isso foi levado a cabo sobretudo através do envio de correio electrónico para amigos, para estudantes de diferentes áreas a frequentar e para colegas a trabalhar na Escola de Artes da Universidade Católica Portuguesa (EA- -UCP), na Escola Superior de Música e Artes do Espetáculo do Instituto Politécnico do Porto e na Academia de Música de Espinho. Para além disso, foi também crucial falar-se com amigos e familiares e informar tantas pessoas quanto possíıvel sobre a nossa investigação, através da colocação de cartazes informativos nas paredes dos corredores da Universidade Católica, alguns dias antes de as experiências terem sido realizadas no Laboratório de Captação de Movimento da EA-UCP. Por fim, é efectuada uma análise estatística descritiva e inferencial dos dados recolhidos. Os principais resultados apontam no sentido de ser mais fácil definir a origem do som quando a sua incidência é frontal no plano de escuta horizontal, para além de a percepção auditiva ser mais precisa nessa direcção, tal como a teoria da localização de fontes sonoras prevê. Enquanto 86.1% de todos os participantes consideram que o seu gesto díctico coincide com a origem do som na experiência 1, em que o uso desse gesto numa determinada direcção faz despoletar um som proveniente dessa direcção, apenas 58.1% admitem o mesmo na experiência 3, em que o mesmo gesto é usado para identificar a localização de uma fonte sonora perceptual predeterminada pelo sistema num ângulo de 260º em torno de um sujeito. Esta última percentagem parece dever-se ao facto de a maior parte dos sons ser produzida a partir de direcções laterais na experiência 3, tendo a posição da cabeça voltada para a câmara como referência. Pelo menos 55.9% de todos os voluntários não percebem que o seu gesto não poderia ter coincidido com a origem do som na experiência 2, já que o som é produzido a partir da direcção envolvente oposta. Este facto parece demonstrar que, quando os sons são produzidos frontalmente ou de trás e uma pessoa tem a tarefa de controlar os seus movimentos com um gesto díctico ao mesmo tempo, a sua capacidade para identificar a origem do som é, em geral, ainda mais baixa, para além da já conhecida capacidade reduzida para identificá-la quando o som se encontra no plano mediano, se a cabeça não for rodada. A maior parte dos participantes sente um controlo imediato sobre o som nas experiências 1 e 2, mas os tempos estimados pelos próprios são bastante superiores aos aproximadamente 650 milissegundos necessários para o ser humano ouvir e reagir a um som na nossa instalação interactiva. Descobrimos também que o tempo médio necessário para localizar sons com o uso de um gesto díctico na nossa experiência 3 é de cerca de 10 segundos, o que corresponde a um tempo bastante mais longo do que os 3 segundos que supusemos. Para além disso, os voluntários fazem em média 2 tentativas para localizar sons com os seus gestos dícticos, tendo a necessidade de ouvir apenas uma vez em média cada som na íntegra para o localizar. Os desvios à esquerda e à direita efectuados pela maior parte dos participantes relativamente às direcções verdadeiras do som, quando estes tentam identificar as localizações predeterminadas pelo sistema das fontes sonoras perceptuais com os seus gestos dícticos na zona periférica do corpo, são em média de 7.97º e -7.19º, respectivamente. Desta forma, o desvio médio absoluto é de 7.76º. Comparando esses desvios com aqueles levados a cabo pelos participantes usando a mão esquerda (desvios de 6.86o para a esquerda e -6.35º para a direita das direcções verdadeiras do som) e com aqueles usando a mão direita (desvios de 8.46º para a esquerda e -7.38º para a direita das direcções verdadeiras do som), concluímos que os resultados são bastante parecidos entre si. Descobrimos que a maior parte dos voluntários estima um tempo muito mais longo do que os 2 segundos que supusemos experimentalmente para entender cada uma das três experiências. Para além disso, esse tempo estimado pelos participantes diminui da primeira para a última experiência, aparentemente devido à familiarização, conscientemente provocada por nós através da mesma sequência de realização das experiências imposta a cada participante, com o nosso sistema interactivo, embora considerem ter entendido cada uma das três experiências rapidamente. Acresce que a maioria dos voluntários interage facilmente com a nossa instalação e concorda que o gesto sugerido por nós foi adequadamente seleccionado para qualquer uma das três experiências. Também constatamos que os participantes consideram a resposta do sistema ao gesto como sendo imediata nas nossas três experiências, ou seja, estimam cerca de 1 segundo, o que é consistente com o resultado da medição da latência do sistema de cerca de 470 milissegundos. Além disso, verificamos que a maioria dos voluntários se sente envolvida pelo som na nossa instalação interactiva usando Ambisonics Equivalent Panning. Portanto, concluímos que, usando uma instalação interactiva como a nossa com um público-alvo semelhante aquele que tivemos, há uma correlação relativamente elevada entre o gesto e a localização de fontes sonoras no espaço, mas que esta não é tão perfeita como poderia ser devido às limitações do nosso sistema auditivo e aparentemente à dependência natural do movimento da cabeça do gesto. Assim, parece que a espacialização sonora pode melhorar o desempenho numa instalação interactiva, mas de forma moderada. Mesmo assim, defendemos que um sistema como o nosso pode vir a ser aplicado com vantagem em domínios diversos como os que apresentamos como exemplos

Implementation of the Radiation Characteristics of Musical Instruments in Wave Field Synthesis Applications

In this thesis a method to implement the radiation characteristics of musical instruments in wave field synthesis systems is developed. It is applied and tested in two loudspeaker systems.Because the loudspeaker systems have a comparably low number of loudspeakers the wave field is synthesized at discrete listening positions by solving a linear equation system. Thus, for every constellation of listening and source position all loudspeakers can be used for the synthesis. The calculations are done in spectral domain, denying sound propagation velocity at first. This approach causes artefacts in the loudspeaker signals and synthesis errors in the listening area which are compensated by means of psychoacoustic methods. With these methods the aliasing frequency is determined by the extent of the listening area whereas in other wave field synthesis systems it is determined by the distance of adjacent loudspeakers. Musical instruments are simplified as complex point sources to gain, store and propagate their radiation characteristics. This method is the basis of the newly developed “Radiation Method” which improves the matrix conditioning of the equation system and the precision of the wave field synthesis by implementing the radiation characteristics of the driven loudspeakers. In this work, the “Minimum Energy Method” — originally developed for acoustic holography — is applied for matters of wave field synthesis for the first time. It guarantees a robust solution and creates softer loudspeaker driving signals than the Radiation Method but yields a worse approximation of the wave field beyond the discrete listening positions. Psychoacoustic considerations allow for a successfull wave field synthesis: Integration times of the auditory system determine the spatial dimensions in which the wave field synthesis approach works despite different arrival times and directions of wave fronts. By separating the spectrum into frequency bands of the critical band width, masking effects are utilized to reduce the amount of calculations with hardly audible consequances. By applying the “Precedence Fade”, the precedence effect is used to manipulate the perceived source position and improve the reproduction of initial transients of notes. Based on Auditory Scene Analysis principles, “Fading Based Panning” creates precise phantom source positions between the actual loudspeaker positions. Physical measurements, simulations and listening tests prove evidence for the introduced methods and reveal their precision. Furthermore, results of the listening tests show that the perceived spaciousness of instrumental sound not necessarily goes along with distinctness of localization. The introduced methods are compatible to conventional multi channel audio systems as well as other wave field synthesis applications.In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, um die Abstrahlcharakteristik von Musikinstrumenten in Wellenfeldsynthesesystemen zu implementieren. Diese wird in zwei Lautsprechersystemen umgesetzt und getestet. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl an Lautsprechern wird das Schallfeld an diskreten Hörpositionen durch Lösung eines linearen Gleichungssystems resynthetisiert. Dadurch können für jede Konstellation aus Quellen- und Hörposition alle Lautsprecher für die Synthese verwendet werden. Hierzu wird zunächst in Frequenzebene, unter Vernachlässigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls gerechnet. Dieses Vorgehen sorgt für Artefakte im Schallsignal und Synthesefehler im Hörbereich, die durch psychoakustische Methoden kompensiert werden. Im Vergleich zu anderen Wellenfeldsyntheseverfahren wird bei diesem Vorgehen die Aliasingfrequenz durch die Größe des Hörbereichs und nicht durch den Lautsprecherabstand bestimmt. Musikinstrumente werden als komplexe Punktquellen vereinfacht, wodurch die Abstrahlung erfasst, gespeichert und in den Raum propagiert werden kann. Dieses Vorgehen ist auch die Basis der neu entwickelten “Radiation Method”, die durch Einbeziehung der Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lautsprecher die Genauigkeit der Wellenfeldsynthese erhöht und die Konditionierung der Propagierungsmatrix des zu lösenden Gleichungssystems verbessert. In dieser Arbeit wird erstmals die für die akustische Holografie entwickelte “Minimum Energy Method” auf Wellenfeldsynthese angewandt. Sie garantiert eine robuste Lösung und erzeugt leisere Lautsprechersignale und somit mehr konstruktive Interferenz, approximiert das Schallfeld jenseits der diskreten Hörpositionen jedoch schlechter als die Radiation Method. Zahlreiche psychoakustische Überlegungen machen die Umsetzung der Wellenfeldsynthese möglich: Integrationszeiten des Gehörs bestimmen die räumlichen Dimensionen in der die Wellenfeldsynthesemethode — trotz der aus verschiedenen Richtungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommenden Wellenfronten — funktioniert. Durch Teilung des Schallsignals in Frequenzbänder der kritischen Bandbreite wird unter Ausnutzung von Maskierungseffekten die Anzahl an nötigen Rechnungen mit kaum hörbaren Konsequenzen reduziert. Mit dem “Precedence Fade” wird der Präzedenzeffekt genutzt, um die wahrgenommene Schallquellenposition zu beeinflussen. Zudem wird dadurch die Reproduktion transienter Einschwingvorgänge verbessert. Auf Grundlage von Auditory Scene Analysis wird “Fading Based Panning” eingeführt, um darüber hinaus eine präzise Schallquellenlokalisation jenseits der Lautsprecherpositionen zu erzielen. Physikalische Messungen, Simulationen und Hörtests weisen nach, dass die neu eingeführten Methoden funktionieren und zeigen ihre Präzision auf. Auch zeigt sich, dass die wahrgenommene Räumlichkeit eines Instrumentenklangs nicht der Lokalisationssicherheit entspricht. Die eingeführten Methoden sind kompatibel mit konventionellen Mehrkanal-Audiosystemen sowie mit anderen Wellenfeldsynthesesystemen