Synthèse binaurale et HRTF

Introduction à l’écoute spatialisée

De par sa grande complexité et ses multiples domaines d’étude (physiologie, neurologie, psycho-acoustique, physique ondulatoire, etc.), seuls les principes généraux de la perception spatiale liée au système auditif humain sont présentés ici, en guise d’introduction ou de rappel. Le lecteur curieux est invité à se documenter sur les ouvrages de références [10], [15] et [68], ou encore les manuscrits de thèse [20] et [70]. Pour une courte introduction, [14] et [17] présentent un excellent résumé, avec une bibliographie détaillée.

Espace sonore

La perception sonore de l’espace, bien que souvent négligée au profit de la perception visuelle, n’en est pas moins fondamentale puisqu’elle est l’unique indicateur environnemental qui ne souffre d’aucune restriction spatiale. À titre comparatif, le système visuel (vision fovéale + périphérique) ne délivre d’informations que sur une faible portion de l’espace, alors que le système auditif est effectif pour toutes les directions, avec une précision angulaire (Just Noticeable Difference) de l’ordre de quelques degrés. De plus, le système auditif effectue une analyse permanente et souvent inconsciente de l’environnement, tandis que le système visuel est de plus en plus requis pour effectuer des tâches quotidiennes, nécessitant une attention particulière.

La spatialisation sonore est une branche de l’Acoustique dont on peut définir l’objectif général comme étant « la (re)création d’un espace sonore subjectif au niveau de l’auditeur » [20]. D’un point de vue physiologique, l’étude de la spatialisation sonore part d’une hypothèse fondatrice, à savoir que l’oreille interne et l’oreille moyenne n’interviennent pas dans la création des indices de localisation tridimensionnels. Lorsqu’une onde sonore (une variation de pression dans l’air) atteint le tympan, celle-ci est ensuite transmise mécaniquement par les osselets vers la cochlée. Cette dernière encode alors le signal sonore en impulsions électriques, acheminées au cerveau par le nerf auditif. une fois que l’onde sonore a fait vibrer le tympan, ce dernier transmet un signal qui se propage de l’oreille moyenne jusqu’au cerveau, sans aucun ajout possible d’informations spatiales. Aussi, la compression des informations de localisation encodées dans ce signal ne peut être faite qu’avant.

Théorie du Duplex

Des indices dits de localisation sont inhérents à l’analyse discriminatoire de l’espace sonore, effectuée par notre système cognitif. Dans ce sens, deux contributions principales ont été mises en évidence par Lord Rayleigh en 1907, formant ainsi la théorie du Duplex [74]. Cette dernière fut ainsi nommée car elle met en lumière l’analyse des indices acoustiques interauraux, c’est-à-dire issus des signaux perçus conjointement par les deux oreilles. l’onde sonore incidente est supposée provenir de l’infini. De ce fait, les isovaleurs de pression acoustique sont orthogonales au sens de propagation. Ainsi, de par l’orientation de l’onde dans le plan horizontal, l’oreille gauche percevra l’information plus tôt et plus fort que l’oreille droite. Ces écarts de temps et d’intensité sont caractérisés respectivement par l’ITD et l’ILD :

– Interaural Time Difference, ITD : La différence interaurale de temps est la différence de temps d’arrivée d’une onde sonore entre les deux oreilles. Cet indice de localisation joue un rôle fondamental pour la localisation dans le plan horizontal, notamment en basse fréquence ;

– Interaural Level/Intensity Difference, ILD ou IID : La différence interaurale de niveau est la différence d’intensité de l’onde sonore entre les deux oreilles. Cet indice de localisation joue de même un rôle fondamental pour la localisation azimutale, notamment en moyenne et haute fréquence.

En revanche, cette théorie est incomplète pour les sources sonores qui seraient, par exemple, dans le plan médian. En effet, l’ITD et l’ILD sont grossièrement identiques pour une source sonore devant, dessus ou encore derrière un auditeur. Pourtant, l’être humain est capable de discriminer ces directions, avec une précision exemplaire. Le fait est que la théorie du Duplex ne tient pas compte des dissymétries de la tête et du pavillon.

Head-Related Transfer Function

Avec l’approximation de tête sphérique [85], l’ILD et l’ITD de la théorie du Duplex n’apportent pas d’informations discriminatoires dans le plan median, ni dans des cônes communément appelés « cônes de confusion » . Il manque donc un indice de localisation pour compléter cette théorie. Ce dernier indice est principalement lié à la morphologie de l’auditeur, notamment la géométrie du pavillon et du conduit auditif de l’oreille externe qui modifient singulièrement l’onde sonore incidente. En effet, des ondes réfléchies peuvent être engendrées selon l’incidence, ainsi que des déformations spectrales liées à des modes de résonance . Le timbre du signal émis par la source sonore est alors modifié et ce, en fonction de sa position dans l’espace. Il en résulte des filtres spatio-fréquentiels relativement complexes, encore appelés Direction-Dependent Filters .

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Table des matières

Introduction
1 Synthèse binaurale et HRTF
1.1 Introduction à l’écoute spatialisée
1.1.1 Espace sonore
1.1.2 Théorie du Duplex
1.1.3 Head-Related Transfer Function
1.2 Exemples de systèmes de spatialisation sonore
1.2.1 Panning d’Amplitude, de la stéréo au VBAP
1.2.2 High Order Ambisonics, captation et restitution
1.2.3 Technologies binaurales, enregistrement et synthèse
1.3 Head-Related Transfer Function, what else ?
1.3.1 Modèle de HRTF, la sphère rigide
1.3.2 Mesures de HRTF, Acoustics Research Institute
1.3.3 Interpolation linéaire
1.3.4 Interpolation par harmoniques sphériques
1.4 Décomposition par Modèle Morphologique
1.4.1 Principe et résultats
1.4.2 Interpolation optimisée
1.4.3 Variations de position
1.4.4 Déraffinement spatial d’une base de données
1.4.5 Vers une méthode d’individualisation
2 Moteur binaural PifPaf3D
2.1 Introduction et configuration
2.2 Transport et contrôle
2.3 Traitement Binaural
2.4 Acoustique de salle et Ambisonics
2.5 Compensation du casque et égalisation
2.6 SpherAudio Headphones
3 Formulations intégrales rapides pour l’acoustique
3.1 Représentation et équations intégrales
3.1.1 Diffraction dans l’espace libre
3.1.2 Diffraction en présence d’un obstacle
3.1.3 Équations intégrales
3.1.4 Formulations discrètes
3.2 Introduction aux méthodes multipolaires rapides
3.3 Nouvelle méthode rapide – SCSD
3.3.1 Vers un problème mono-dimensionnel
3.3.2 Résolution du problème
3.3.3 Formalisme final pour l’équation de Helmholtz
3.3.4 Extension vers Laplace (et plus si affinités…)
3.4 Comparaisons et performances
3.4.1 Méthodologie
3.4.2 Résultats
4 Moteur intégral MyBEM
4.1 Présentation
4.2 Validations
4.3 Applications au calcul de HRTF
Conclusion