1	Array di microfoni per registrazioni musicali in formato 5.1 Surround ed Ambisonics Angelo Farina, Paolo Martignon, Enrico Armelloni, Andrea Capra Dip. Ing. Industriale, Università di Parma
2	Metodo tradizionale (registrazioni mono “panned”) Ciascuna traccia mono registrata rappresenta una sorgente in una diversa posizione, che viene posizionata mediante una appropriata legge di “panning” multicanale
3	Leggi di “panning” Si è visto sin dagli albori che non conviene posizionare le tracce mono sui singoli canali del surround in modo discreto, ma che conviene utilizzare appropriate leggi di “panning” in modo da alimentare sempre piu’ di un altoparlante per volta
4	Leggi di “panning” Un modo alternativo per visualizzare le leggi di panning consiste nell’ipotizzare l’esistenza di 5 microfoni virtuali con opportuni “pattern” di direttività
5	Array “discreti” di microfoni Sono stati proposti svariati standard di posizionamento di 5 microfoni discreti con opportuna caratteristica direttiva
6	Array discreti di microfoni In un sistema discreto, il segnale di ogni singolo microfono va ad alimentare un singolo altoparlante
7	Array “discreti” di microfoni Williams MMA
8	Array discreti di microfoni Perchè hanno avuto ben poco successo? Perchè consentono poco controllo in fase di registrazione Forniscono un angolo di ripresa fissato, a meno che siano realizzati con una struttura snodata, peraltro difficile da regolare sul campo Non consentono facilmente di mixare i segnali provenienti da tracce mono registrate a breve distanza dalla sorgente (ad esempio voci dei cantanti, strumenti singoli, etc.) I pattern direttivi degli usuali microfoni per riprese stereo (cardioidi, ipercardioidi) non corrispondono all’esigenza di avere una legge di “panning” omogenea rispetto alla geometria non regolare del layout degli altoparlanti di un sistema surround 5.1
9	Array microfonici avanzati I segnali di N microfoni x_i, vengono mixati e processati, producendo M segnali y_j Qualunque sia la tecnica di processamento impiegata, i segnali in uscita sono esprimibili come:
10	Possibili tipi di segnali in uscita
11	Tecniche di processamento tradizionali I filtri numerici h_ij sono calcolati per via teorica, risolvendo le complesse equazioni del campo acustico, ed assumendo che i microfoni abbiano un comportamento ideale e siano tutti identici Volendo rimuovere l’ultima restrizione, si puo’ aggiungere un filtro compensatore della sensibilità e della risposta in frequenza di ciascun trasduttore
12	Nuova tecnica di processamento Nessuna teoria: i filtri h_ij sono ricavati direttamente da una serie di misurazioni di risposta all’impulso, mediante una tecnica ai minimi quadrati In pratica, si crea un sistema di equazioni lineari, impiegando come coefficienti i valori misurati delle risposte dei singoli microfoni. I risultati ottenuti sono pertanto “massimamente simili” a quelli voluti Questo metodo porta automaticamente a compensare anche per le differenze fra i trasduttori e per gli artefatti di origine acustica (schermature, diffrazioni, riflessioni, etc.)
13	Esempio: focalizzazione su una sorgente puntiforme
14	Esempio: focalizzazione su una sorgente puntiforme
15	Esempio: focalizzazione su una sorgente puntiforme
16	Inversione ai minimi quadrati Il metodo dei minimi quadrati consente di determinare i valori dei filtri h_ik. Si definisce un “errore quadrato totale” e_tot come:
17	Limiti operativi Basse frequenze: lunghezza d’onda molto più grande dell’array - l’approccio locale fornisce una risoluzione molto modesta - l’approccio globale ha problemi di convergenza numerica dovuti al fatto che tutti - segnali sono molto simili. Medie frequenze: lunghezza d’onda confrontabile con le dimensioni dell’array - l’approccio locale dà luogo a deboli lobi parassiti - l’aproccio globale funziona perfettamente, eliminando i lobi parassti e fornendo un lobo principale stretto e coerente. Alte frequenze: la lunghezza d’onda diviene confrontabile con la spaziatura fra i microfoni - errore di aliasing spaziale – la disposizione causale dei microfoni consente all’approccio locale di fornire ancora una risoluzione accettabile, ma rende di nuovo numericamente instabiule la soluzione con l’approccio globale
18	Array lineare a spaziatura variabile
19	Calibrazione dell’array lineare
20	Curve di direttività dell’array lineare
21	Utilizzo dell’array lineare
22	Utilizzo dell’array lineare
23	Mappature di prova (pannello con altoparlantino)
24	Mappature effettive su tavola di legno armonico
25	Array planare (“acoustic camera”)
26	Confronto fra array randomizzato ed array circolare regolare
27	Confronto fra array randomizzato ed array circolare regolare
28	Approccio locale - Approccio globale
29	Localizzazione sorgenti di rumore
30	Applicazione all’aperto
31	Il futuro: funzionalità in realtime
32	“X-volver” VST plugin
33	Array 2D per surround La Trinnov produce un sistema ad array orizzontale per registrazioni “surround”
34	Array tridimensionali Il primo sistema di misura ad array tetraedrico tridimensionale è stato il microfono Soundfield
35	Array tridimensionali Ora sono disponibili anche array tetraedrici alternativi (Trinnov, DPA) con processamento digitale dei segnali
36	Misura delle risposte all’impulso del DPA-4
37	Calcolo dei filtri inversi Sonor ichiesti in totale 16 filtri inversi (4 inputs, 4 outputs) Per ciascuna delle 84 misure effettuate è possibile definire una risposta ideale dell’array, corrispondente alle direttività di ordine 0 ed 1 (W,X,Y,Z) Si possono dunque porre 84x4=336 condizioni:
38	Implementazione realtime
39	Confronto fra 3 diversi sistemi 2 crossed Neumann K-140 were compared with a pair of virtual cardioids derived from B-format signals, recorded either with a Soundfield ST-250 and with the new DPA-4
40	Sound samples The new DPA-4 outperforms the Soundfield in terms of stereo separation and frequency response, and is indistinguishable from the “reference” Neumann cardioids
41	Array tridimensionali di ordine elevato La Trinnov ha sviluppato un array 3D costituito da 24 capsule a spaziatura pseudocasuale
42	Risposte direttive del 3° ordine
43	Utilizzo dei segnali armonici sferici E’ possibile sintetizzare un numero arbitrario di microfoni, con direttività ed orientazione scelti a piacimento
44	Visual Virtual Microphone
45	Ambisonics Decoders Un decoder Ambisonics è semplicemente un array di microfoni virtuali, ciascuno dei quali alimenta un altoparlante
46	Programmi Host VST multicanale I programmi utilizzabili come host multicanale (sino a 32 canali) sono plogue Bidule, AudioMulch e Max/MSP
47	Audio Mulch
48	High Order Ambisonics (HOA) Jerome Daniel (France Telecom) ha sviluppato un decoder Ambisonics del 4° ordine!
49	High Order Ambisonics (HOA) France Telecom dispone anche di array sferici a 32 capsule (4° ordine)
50	Conclusioni Si possono facilmente realizzare array microfonici di ordine elevato per ottenere registrazioni surround ad alta definizione angolare La tencica di filtraggio numerico sviluppata non richiede la soluzione di complesse teorie, ed essendo basata su misure sperimentali compensa automaticamente le imperfezioni dei microfoni L’implementazione della tecnica di filtraggio richiede semplicemente di effettuare un adeguato numero di convoluzioni A tal fine è stato sviluppato il plugin VST multiconvolutore X-volver
51	Sviluppi futuri E’ in corso di assemblaggio un array tridimensionale randomizzato costituito da 24 microfoni di alta qualità (B&K 4188)