Complexity reduction of performance control in a loudspeaker array based personal audio system

Abstract

Sound field control using a loudspeaker array can produce various types of sound fields in space, and a personal audio system is one of the results of sound field control. Personal audio provides an independent sound space that can reduce auditory disturbances by creating an acoustically bright zone with the desired sound pressure level (SPL) and the desired sound field, and producing a dark zone with a relatively low SPL. The performance of a personal audio system is evaluated by the difference in SPL between the bright and dark zones, the accuracy of the sound reproduction in the bright zone, and the energy input to the loudspeaker array. All three performances are in trade-off relationships, and the performances required from the user's point of view are the difference in SPL between two zones and the accuracy of reproduction. The performance of the personal audio required by the user may vary depending on the use environment, the user's preference, and the input signal to be reproduced. Therefore, the performance of the personal audio needs to be adjusted based on the user's evaluation or by analyzing the input signal. The performance adjustment of the personal audio must be performed in real-time, and efficient calculation is required. This dissertation simplifies complex computations with piecewise linear (PWL) approximation so that the performance of the personal audio can be adjusted in real-time. Since the environment in which the personal audio is to be used and the preference of the user are not constant, the user needs to find the optimal performance after listening. Therefore, a controller that can adjust performance in real-time is needed. Efficient computation and fine adjustment were possible by PWL approximation of the source weights traces of the loudspeaker array for performance changes. In addition, in order to evenly adjust the performance of the personal audio system from minimum to maximum, the user input and performance output relationship are defined to be linear. However, as a result of the listening test, the change in the performance perceived by the person was nonlinear, and the design of a performance controller based on the human perception was required as future work. Using the PWL approximation function of the source weights, it is easy to calculate the source weights with the required performance. The existing method of finding the source weights with the required performance requires a lot of computation due to constrained optimizations. On the other hand, the source weights approximated by the PWL function is a linear function for one variable per interval, and becomes a quadratic equation by substituting the required performance condition. This is a problem that can be solved by the quadratic formula, so the operation is greatly simplified. If it is possible to efficiently find source weights having the required performance, real-time control is possible to satisfy the required performance for the input signal. The filters are updated in the block processing to maintain a constant performance for the input signal. The result of the filters being updated for the input signal showed a perceptually consistent performance rather than the result of using constant filters. Finally, the source weights with the changed performance for the user input and the calculation of source weights with the required performance are extended to a personal audio problem that reproduces multiple audio contents. Unlike a personal audio system that reproduces a single audio content, reproducing multiple audio contents has multiple control zones and needs to adjust the performance of each zone. A personal audio problem that reproduces multiple audio contents having one bright zone and two dark zones is presented as an example, and the source weights are approximated by PWL surfaces. The source weights with the required performance can be obtained through a quadratic equation with 2 variables. For real-time performance control of personal audio, this dissertation dealt with the efficient calculation of the source weights applied to the loudspeaker array. In order to efficiently calculate the source weights of the changed performance or to calculate the source weights with the required performance, PWL approximation was used. The operation is efficient enough to be applied to real-time control and processing. It was also shown that it can be extended to personal audio that reproduces multiple audio contents.|라우드스피커 어레이를 이용한 음장 제어는 다양한 형태의 음장을 공간에 형성할 수 있고, 개인 음향 시스템은 음장 제어의 한 결과이다. 개인 음향 시스템은 원하는 음장 또는 높은 SPL (sound pressure level)을 갖는 음향학적으로 밝은 공간과 낮은 SPL을 갖는 음향학적으로 어두운 공간을 형성하여 청각적 방해를 줄일 수 있는 독립된 음향 공간을 제공한다. 개인 음향 시스템의 성능은 밝은 공간과 어두운 공간의 SPL 차이, 밝은 공간에서 재생의 정확성, 라우드스피커 어레이에 입력되는 에너지로 평가된다. 여기서 세가지 성능은 모두 trade-off 관계에 있으며, 사용자 관점에서 요구되는 성능은 두 공간의 SPL 차이와 재생의 정확성이다. 사용자로부터 요구되는 개인 음향 시스템의 성능은 사용 환경, 사용자의 선호도, 재생되는 음원에 따라 다를 수 있다. 따라서 개인 음향 시스템의 성능은 사용자의 평가에 기반해 조절되거나, 재생되는 음원 신호를 분석해 조절할 필요가 있다. 이러한 개인 음향 시스템의 성능 조절은 실시간으로 이뤄져야 하며, 효율적인 연산이 요구된다. 이 논문에서는 개인 음향 시스템의 성능을 실시간으로 조절할 수 있도록 부분 선형 근사화로 복잡한 연산을 단순화 시킨다. 개인 음향 시스템이 사용될 환경과 사용자의 선호도는 일정하지 않기 때문에 청취 후 사용자가 직접 최적의 성능을 찾을 필요가 있다. 따라서 실시간으로 성능을 조절할 수 있는 조절기가 필요하다. 성능 변화에 대한 제어 이득의 궤적을 부분 선형 근사화 시킴으로써 효율적인 연산과 미세 조절이 가능하였다. 또한 개인 음향 시스템의 성능을 최소부터 최대까지 골고루 조절하기 위해 사용자 입력과 성능 출력 관계가 선형이 되도록 입출력 관계를 정의하였다. 하지만 청취 테스트 결과 실제 사람이 인지하는 성능의 변화는 비선형이었으며, 추후 사람의 인지에 기반한 조절기의 설계가 요구되었다. 라우드스피커 어레이의 제어 이득 궤적의 부분 선형 근사 함수를 이용하면, 반대로 요구되는 성능을 갖는 라우드스피커 어레이의 제어 이득을 쉽게 계산할 수 있다. 요구되는 성능을 갖는 제어 이득을 찾는 기존의 방법은 제한조건이 있는 최적화로 많은 연산이 요구된다. 반면에 부분 선형 함수로 근사화된 제어 이득은 구간마다 하나의 변수에 대한 선형 함수이고, 요구되는 성능 조건에 대입하면 2차 함수가 된다. 이는 근의 공식으로 풀 수 있는 문제가 되므로 연산이 매우 단순화 된다. 요구되는 성능을 갖는 제어 이득을 효율적으로 찾을 수 있으면, 재생되는 음원에 대해 요구되는 성능을 만족시키도록 실시간으로 제어가 가능해진다. 재생되는 음원에 대해 성능을 일정하게 유지하도록 블록 처리 과정에 필터가 업데이트 되도록 하였다. 일정한 필터를 사용한 결과보다 입력 신호에 대해 필터가 업데이트된 결과가 청감적으로 일정한 성능을 보였다. 마지막으로, 사용자의 입력에 대해 변화된 성능을 갖는 제어 이득 계산과, 요구되는 성능을 갖는 제어 이득 계산을 다수 음원을 재생하는 개인 음향 시스템으로 확장한다. 하나의 음원을 제어하는 개인 음향 시스템과 달리, 다수 음원을 재생하는 개인 음향 시스템은 다수의 제어영역들이 존재하며 각 영역의 성능을 조절해야 한다. 1개의 밝은 영역과 2개의 어두운 영역을 갖는 다수 음원을 재생하는 개인 음향 시스템이 예시로 제시됐으며, 부분 선형 평면으로 제어 이득이 근사화 되었다. 요구되는 성능을 갖는 제어 이득은 2변수 2차 방정식을 통해 얻을 수 있다. 개인 음향 시스템의 실시간 성능 제어를 위해, 라우드스피커 어레이에 적용되는 제어 이득의 효율적인 연산을 다루었다. 효율적으로 변화된 성능의 제어 이득을 계산하거나 요구되는 성능을 갖는 제어 이득을 계산하기 위해, 부분 선형 근사화가 사용되었다. 실시간 조절과 처리에 적용 가능할 정도로 연산이 효율화 되었다. 또한 다수 음원을 재생하는 개인 음향 시스템으로 확장이 가능함을 보였다.