On the preprocessing and postprocessing of HRTF individualization based on sparse representation of anthropometric features

Individualization of head-related transfer functions (HRTFs) can be realized using the person's anthropometry with a pretrained model. This model usually establishes a direct linear or non-linear mapping from anthropometry to HRTFs in the training database. Due to the complex relation between anthropometry and HRTFs, the accuracy of this model depends heavily on the correct selection of the anthropometric features. To alleviate this problem and improve the accuracy of HRTF individualization, an indirect HRTF individualization framework was proposed recently, where HRTFs are synthesized using a sparse representation trained from the anthropometric features. In this paper, we extend their study on this framework by investigating the effects of different preprocessing and postprocessing methods on HRTF individualization. Our experimental results showed that preprocessing and postprocessing methods are crucial for achieving accurate HRTF individualization

Correspondence between 3D ear depth information derived from 2D images and MRI: Use of a neural-network model

There is much interest in anthropometric-derived head-related transfer functions (HRTFs) for simulating audio for virtual-reality systems. Three-dimensional (3D) anthropometric measures can be measured directly from individuals, or indirectly simulated from two-dimensional (2D) pinna images. The latter often requires additional pinna, head and/or torso measures. This study investigated accuracy with which 3D depth information can be obtained solely from 2D pinna images using an unsupervised monocular-depth estimation neural-network model. Output was compared to depth information obtained from corresponding magnetic resonance imaging (MRI) head scans (ground truth). Results show that 3D depth estimates obtained from 2D pinna images corresponded closely with MRI head-scan depth values

Surround by Sound: A Review of Spatial Audio Recording and Reproduction

In this article, a systematic overview of various recording and reproduction techniques for spatial audio is presented. While binaural recording and rendering is designed to resemble the human two-ear auditory system and reproduce sounds specifically for a listener’s two ears, soundfield recording and reproduction using a large number of microphones and loudspeakers replicate an acoustic scene within a region. These two fundamentally different types of techniques are discussed in the paper. A recent popular area, multi-zone reproduction, is also briefly reviewed in the paper. The paper is concluded with a discussion of the current state of the field and open problemsThe authors acknowledge National Natural Science Foundation of China (NSFC) No. 61671380 and Australian Research Council Discovery Scheme DE 150100363

INTERAURAL TIME DELAY PERSONALISATION USING INCOMPLETE HEAD SCANS

ABSTRACT When using a set of generic head-related transfer functions (HRTFs) for spatial sound rendering, personalisation can be considered to minimise localisation errors. This typically involves tuning the characteristics of the HRTFs or a parametric model according to the listener's anthropometry. However, measuring anthropometric features directly remains a challenge in practical applications, and the mapping between anthropometric and acoustic features is an open research problem. Here we propose matching a face template to a listener's head scan or depth image to extract anthropometric information. The deformation of the template is used to personalise the interaural time differences (ITDs) of a generic HRTF set. The proposed method is shown to outperform reference methods when used with high-resolution 3-D scans. Experiments with single-frame depth images indicate that the method is applicable to lower resolution or partial scans which are quicker and easier to obtain than full 3-D scans. These results suggest that the proposed method may be a viable option for ITD personalisation in practical applications

HRTF upsampling with a generative adversarial network using a gnomonic equiangular projection

An individualised head-related transfer function (HRTF) is essential for creating realistic virtual reality (VR) and augmented reality (AR) environments. However, acoustically measuring high-quality HRTFs requires expensive equipment and an acoustic lab setting. To overcome these limitations and to make this measurement more efficient HRTF upsampling has been exploited in the past where a high-resolution HRTF is created from a low-resolution one. This paper demonstrates how generative adversarial networks (GANs) can be applied to HRTF upsampling. We propose a novel approach that transforms the HRTF data for convenient use with a convolutional super-resolution generative adversarial network (SRGAN). This new approach is benchmarked against two baselines: barycentric upsampling and a HRTF selection approach. Experimental results show that the proposed method outperforms both baselines in terms of log-spectral distortion (LSD) and localisation performance using perceptual models when the input HRTF is sparse.Comment: 13 pages, 9 figures, Preprint (Submitted to Transactions on Audio, Speech and Language Processing on the 24 Feb 2023

Optimization and improvements in spatial sound reproduction systems through perceptual considerations

[ES] La reproducción de las propiedades espaciales del sonido es una cuestión cada vez más importante en muchas aplicaciones inmersivas emergentes. Ya sea en la reproducción de contenido audiovisual en entornos domésticos o en cines, en sistemas de videoconferencia inmersiva o en sistemas de realidad virtual o aumentada, el sonido espacial es crucial para una sensación de inmersión realista. La audición, más allá de la física del sonido, es un fenómeno perceptual influenciado por procesos cognitivos. El objetivo de esta tesis es contribuir con nuevos métodos y conocimiento a la optimización y simplificación de los sistemas de sonido espacial, desde un enfoque perceptual de la experiencia auditiva. Este trabajo trata en una primera parte algunos aspectos particulares relacionados con la reproducción espacial binaural del sonido, como son la escucha con auriculares y la personalización de la Función de Transferencia Relacionada con la Cabeza (Head Related Transfer Function - HRTF). Se ha realizado un estudio sobre la influencia de los auriculares en la percepción de la impresión espacial y la calidad, con especial atención a los efectos de la ecualización y la consiguiente distorsión no lineal. Con respecto a la individualización de la HRTF se presenta una implementación completa de un sistema de medida de HRTF y se introduce un nuevo método para la medida de HRTF en salas no anecoicas. Además, se han realizado dos experimentos diferentes y complementarios que han dado como resultado dos herramientas que pueden ser utilizadas en procesos de individualización de la HRTF, un modelo paramétrico del módulo de la HRTF y un ajuste por escalado de la Diferencia de Tiempo Interaural (Interaural Time Difference - ITD). En una segunda parte sobre reproducción con altavoces, se han evaluado distintas técnicas como la Síntesis de Campo de Ondas (Wave-Field Synthesis - WFS) o la panoramización por amplitud. Con experimentos perceptuales se han estudiado la capacidad de estos sistemas para producir sensación de distancia y la agudeza espacial con la que podemos percibir las fuentes sonoras si se dividen espectralmente y se reproducen en diferentes posiciones. Las aportaciones de esta investigación pretenden hacer más accesibles estas tecnologías al público en general, dada la demanda de experiencias y dispositivos audiovisuales que proporcionen mayor inmersión.[CA] La reproducció de les propietats espacials del so és una qüestió cada vegada més important en moltes aplicacions immersives emergents. Ja siga en la reproducció de contingut audiovisual en entorns domèstics o en cines, en sistemes de videoconferència immersius o en sistemes de realitat virtual o augmentada, el so espacial és crucial per a una sensació d'immersió realista. L'audició, més enllà de la física del so, és un fenomen perceptual influenciat per processos cognitius. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir a l'optimització i simplificació dels sistemes de so espacial amb nous mètodes i coneixement, des d'un criteri perceptual de l'experiència auditiva. Aquest treball tracta, en una primera part, alguns aspectes particulars relacionats amb la reproducció espacial binaural del so, com són l'audició amb auriculars i la personalització de la Funció de Transferència Relacionada amb el Cap (Head Related Transfer Function - HRTF). S'ha realitzat un estudi relacionat amb la influència dels auriculars en la percepció de la impressió espacial i la qualitat, dedicant especial atenció als efectes de l'equalització i la consegüent distorsió no lineal. Respecte a la individualització de la HRTF, es presenta una implementació completa d'un sistema de mesura de HRTF i s'inclou un nou mètode per a la mesura de HRTF en sales no anecoiques. A mès, s'han realitzat dos experiments diferents i complementaris que han donat com a resultat dues eines que poden ser utilitzades en processos d'individualització de la HRTF, un model paramètric del mòdul de la HRTF i un ajustament per escala de la Diferencià del Temps Interaural (Interaural Time Difference - ITD). En una segona part relacionada amb la reproducció amb altaveus, s'han avaluat distintes tècniques com la Síntesi de Camp d'Ones (Wave-Field Synthesis - WFS) o la panoramització per amplitud. Amb experiments perceptuals, s'ha estudiat la capacitat d'aquests sistemes per a produir una sensació de distància i l'agudesa espacial amb que podem percebre les fonts sonores, si es divideixen espectralment i es reprodueixen en diferents posicions. Les aportacions d'aquesta investigació volen fer més accessibles aquestes tecnologies al públic en general, degut a la demanda d'experiències i dispositius audiovisuals que proporcionen major immersió.[EN] The reproduction of the spatial properties of sound is an increasingly important concern in many emerging immersive applications. Whether it is the reproduction of audiovisual content in home environments or in cinemas, immersive video conferencing systems or virtual or augmented reality systems, spatial sound is crucial for a realistic sense of immersion. Hearing, beyond the physics of sound, is a perceptual phenomenon influenced by cognitive processes. The objective of this thesis is to contribute with new methods and knowledge to the optimization and simplification of spatial sound systems, from a perceptual approach to the hearing experience. This dissertation deals in a first part with some particular aspects related to the binaural spatial reproduction of sound, such as listening with headphones and the customization of the Head Related Transfer Function (HRTF). A study has been carried out on the influence of headphones on the perception of spatial impression and quality, with particular attention to the effects of equalization and subsequent non-linear distortion. With regard to the individualization of the HRTF a complete implementation of a HRTF measurement system is presented, and a new method for the measurement of HRTF in non-anechoic conditions is introduced. In addition, two different and complementary experiments have been carried out resulting in two tools that can be used in HRTF individualization processes, a parametric model of the HRTF magnitude and an Interaural Time Difference (ITD) scaling adjustment. In a second part concerning loudspeaker reproduction, different techniques such as Wave-Field Synthesis (WFS) or amplitude panning have been evaluated. With perceptual experiments it has been studied the capacity of these systems to produce a sensation of distance, and the spatial acuity with which we can perceive the sound sources if they are spectrally split and reproduced in different positions. The contributions of this research are intended to make these technologies more accessible to the general public, given the demand for audiovisual experiences and devices with increasing immersion.Gutiérrez Parera, P. (2020). Optimization and improvements in spatial sound reproduction systems through perceptual considerations [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/142696TESI

Effizientes binaurales Rendering von virtuellen akustischen Realitäten : technische und wahrnehmungsbezogene Konzepte

Binaural rendering aims to immerse the listener in a virtual acoustic scene, making it an essential method for spatial audio reproduction in virtual or augmented reality (VR/AR) applications. The growing interest and research in VR/AR solutions yielded many different methods for the binaural rendering of virtual acoustic realities, yet all of them share the fundamental idea that the auditory experience of any sound field can be reproduced by reconstructing its sound pressure at the listener's eardrums. This thesis addresses various state-of-the-art methods for 3 or 6 degrees of freedom (DoF) binaural rendering, technical approaches applied in the context of headphone-based virtual acoustic realities, and recent technical and psychoacoustic research questions in the field of binaural technology. The publications collected in this dissertation focus on technical or perceptual concepts and methods for efficient binaural rendering, which has become increasingly important in research and development due to the rising popularity of mobile consumer VR/AR devices and applications. The thesis is organized into five research topics: Head-Related Transfer Function Processing and Interpolation, Parametric Spatial Audio, Auditory Distance Perception of Nearby Sound Sources, Binaural Rendering of Spherical Microphone Array Data, and Voice Directivity. The results of the studies included in this dissertation extend the current state of research in the respective research topic, answer specific psychoacoustic research questions and thereby yield a better understanding of basic spatial hearing processes, and provide concepts, methods, and design parameters for the future implementation of technically and perceptually efficient binaural rendering.Binaurales Rendering zielt darauf ab, dass der Hörer in eine virtuelle akustische Szene eintaucht, und ist somit eine wesentliche Methode für die räumliche Audiowiedergabe in Anwendungen der virtuellen Realität (VR) oder der erweiterten Realität (AR – aus dem Englischen Augmented Reality). Das wachsende Interesse und die zunehmende Forschung an VR/AR-Lösungen führte zu vielen verschiedenen Methoden für das binaurale Rendering virtueller akustischer Realitäten, die jedoch alle die grundlegende Idee teilen, dass das Hörerlebnis eines beliebigen Schallfeldes durch die Rekonstruktion seines Schalldrucks am Trommelfell des Hörers reproduziert werden kann. Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen modernsten Methoden zur binauralen Wiedergabe mit 3 oder 6 Freiheitsgraden (DoF – aus dem Englischen Degree of Freedom), mit technischen Ansätzen, die im Kontext kopfhörerbasierter virtueller akustischer Realitäten angewandt werden, und mit aktuellen technischen und psychoakustischen Forschungsfragen auf dem Gebiet der Binauraltechnik. Die in dieser Dissertation gesammelten Publikationen befassen sich mit technischen oder wahrnehmungsbezogenen Konzepten und Methoden für effizientes binaurales Rendering, was in der Forschung und Entwicklung aufgrund der zunehmenden Beliebtheit von mobilen Verbraucher-VR/AR-Geräten und -Anwendungen zunehmend an Relevanz gewonnen hat. Die Arbeit ist in fünf Forschungsthemen gegliedert: Verarbeitung und Interpolation von Außenohrübertragungsfunktionen, parametrisches räumliches Audio, auditive Entfernungswahrnehmung ohrnaher Schallquellen, binaurales Rendering von sphärischen Mikrofonarraydaten und Richtcharakteristik der Stimme. Die Ergebnisse der in dieser Dissertation enthaltenen Studien erweitern den aktuellen Forschungsstand im jeweiligen Forschungsfeld, beantworten spezifische psychoakustische Forschungsfragen und führen damit zu einem besseren Verständnis grundlegender räumlicher Hörprozesse, und liefern Konzepte, Methoden und Gestaltungsparameter für die zukünftige Umsetzung eines technisch und wahrnehmungsbezogen effizienten binauralen Renderings.BMBF, 03FH014IX5, Natürliche raumbezogene Darbietung selbsterzeugter Schallereignisse in virtuellen auditiven Umgebungen (NarDasS

Evaluation of optimal solutions in multicriteria models for intelligent decision support

La memoria se enmarca dentro de la optimización y su uso para la toma de decisiones. La secuencia lógica ha sido la modelación, implementación, resolución y validación que conducen a una decisión. Para esto, hemos utilizado herramientas del análisis multicrerio, optimización multiobjetivo y técnicas de inteligencia artificial. El trabajo se ha estructurado en dos partes (divididas en tres capítulos cada una) que se corresponden con la parte teórica y con la parte experimental. En la primera parte se analiza el contexto del campo de estudio con un análisis del marco histórico y posteriormente se dedica un capítulo a la optimización multicriterio en el se recogen modelos conocidos, junto con aportaciones originales de este trabajo. En el tercer capítulo, dedicado a la inteligencia artificial, se presentan los fundamentos del aprendizaje estadístico , las técnicas de aprendizaje automático y de aprendizaje profundo necesarias para las aportaciones en la segunda parte. La segunda parte contiene siete casos reales a los que se han aplicado las técnicas descritas. En el primer capítulo se estudian dos casos: el rendimiento académico de los estudiantes de la Universidad Industrial de Santander (Colombia) y un sistema objetivo para la asignación del premio MVP en la NBA. En el siguiente capítulo se utilizan técnicas de inteligencia artificial a la similitud musical (detección de plagios en Youtube), la predicción del precio de cierre de una empresa en el mercado bursátil de Nueva York y la clasificación automática de señales espaciales acústicas en entornos envolventes. En el último capítulo a la potencia de la inteligencia artificial se le incorporan técnicas de análisis multicriterio para detectar el fracaso escolar universitario de manera precoz (en la Universidad Industrial de Santander) y, para establecer un ranking de modelos de inteligencia artificial de se recurre a métodos multicriterio. Para acabar la memoria, a pesar de que cada capítulo contiene una conclusión parcial, en el capítulo 8 se recogen las principales conclusiones de toda la memoria y una bibliografía bastante exhaustiva de los temas tratados. Además, el trabajo concluye con tres apéndices que contienen los programas y herramientas, que a pesar de ser útiles para la comprensión de la memoria, se ha preferido poner por separado para que los capítulos resulten más fluidos