Efficient representation of head-related transfer functions in continuous space-frequency domains

Utilizing spherical harmonic (SH) domain has been established as the default method of obtaining continuity over space in head-related transfer functions (HRTFs). This paper concerns different variants of extending this solution by replacing SHs with four-dimensional (4D) continuous functional models in which frequency is imagined as another physical dimension. Recently developed hyperspherical harmonic (HSH) representation is compared with models defined in spherindrical coordinate system by merging SHs with one-dimensional basis functions. The efficiency of both approaches is evaluated based on the reproduction errors for individual HRTFs from HUTUBS database, including detailed analysis of its dependency on chosen orders of approximation in frequency and space. Employing continuous functional models defined in 4D coordinate systems allows HRTF magnitude spectra to be expressed as a small set of coefficients which can be decoded back into values at any direction and frequency. The best performance was noted for HSHs and SHs merged with reverse Fourier-Bessel series, with the former featuring better compression abilities, achieving slightly higher accuracy for low number of coefficients. The presented models can serve multiple purposes, such as interpolation, compression or parametrization for machine learning applications, and can be applied not only to HRTFs but also to other types of directivity functions, e.g. sound source directivity.Comment: 33 pages, 9 figures, preprint of published paper submitted for green open access to fulfill funding institution mandat

End-to-End Magnitude Least Squares Binaural Rendering of Spherical Microphone Array Signals

Spherica1 microphone array (SMA) recordings are particularly suited for dynamic binaural rendering as the microphone signals can be decomposed into a spherical harmonic (SH) representation that can be freely rotated to match the head orientation of the listener. The rendering of such SMA recordings is a non-trivial task as the SH signals are impaired due to truncation of the SH decomposition order, spatial aliasing and the gain limitation of the employed radial filters. The perceptually most relevant consequence of this is an alteration of the magnitude transfer function at high frequencies. Previously, the magnitude least squares (MagLS) renderer for binaural rendering of SH signals was proposed to mitigate these effects under the assumption of ideal order-truncated plane waves, i.e., disregarding the influence of spatial aliasing as well as of non-ideal radial filters. Based on the MagLS renderer, we present a binaural rendering method for SMA recordings that integrates a comprehensive SMA model into the magnitude least squares objective. We evaluate the proposed end-to-end renderer by analyzing the reproduced binaural magnitude response. Our results suggest that the method significantly improves the high-frequency rendering mainly due to the inherent binaural diffuse-field equalization, while it achieves a slight improvement in the low and mid frequency range, where the error of the conventional method is already small. A reference implementation of the method accompanies this paper

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