Der Mittendrin-Sound

Am Fraunhofer IIS werden seit vielen Jahren erfolgreich Audiocodierverfahren entwickelt. Ziel ist dabei, die Audiosignale in bestmöglicher Qualität zu speichern und zu übertragen. Doch was nutzt die beste Audioqualität, wenn die Endgeräte diese nur unzureichend wiedergeben können? Deshalb haben Wissenschaftler des Fraunhofer IIS die Technologien Cingo® und Symphoria® entwickelt, die die Klangqualität bei der Wiedergabe verbessern.

3D-Sound im Kino? Alltag. 3D-Sound auf dem Handy mit Kopfhörern? Bald Alltag. Zugegeben: 3D-Klang über Kopfhörer hört sich bestenfalls nach einer fernen Zukunftsvision an, aber tatsächlich ist es für Benutzer einer Virtual-Reality-Brille mit Fraunhofer-Technologie bereits Realität. Und auch im Auto sorgt der Fraunhofer-3D-Klang inzwischen für ein noch realistischeres Musikerlebnis.

Um den großen Klang auf kleine Endgeräte wie Smartphones, Tablets, VR-Brillen und in das Auto zu bekommen, arbeiten Entwicklerinnen und Entwickler am Fraunhofer IIS seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Audiocodierung und der Audiosignalverarbeitung. Bei der Audiocodierung liegt der Schwerpunkt darauf, die Menge der zu übertragenden Daten zu reduzieren. Die bekanntesten Vertreter sind die am Fraunhofer IIS maßgeblich entwickelten Technologien mp3 und AAC. Bei der Verarbeitung der Audiosignale steht dagegen im Mittelpunkt der Arbeiten, den Klang auf dem jeweiligen Endgerät zu verbessern.

Ob mit dem Smartphone oder im Heimkino: Die Nutzer erwarten besten Sound

Heute werden Filme, Musik und Spiele längst nicht mehr nur auf TV-Geräten oder am PC konsumiert, sondern auf einer ganzen Reihe von Geräten, wie z. B. Smartphones, Tablets oder im Auto. Dabei ist der nahtlose Übergang gefordert: Die Nutzer kaufen beispielsweise einen Film am PC, um ihn zunächst am TV-Bildschirm anzusehen und dann unterwegs auf dem Weg zur Arbeit weiterzuschauen. Trotz der unterschiedlichen Systeme zur Video- und Audiowiedergabe erwarten die Käufer auf jedem Gerät eine möglichst gute Bild- und Tonqualität – obwohl die technischen Gegebenheiten dafür nicht immer gegeben sind. So haben Smartphones einen kleinen Bildschirm, oftmals schlechte Lautsprecher und preisgünstige Kopfhörer. Obwohl in Autos High-End-Soundsysteme verbaut sind, liegen auch dort durch die gegebenen Lautsprecherpositionen, die Fahrgeräusche und den eng begrenzten Fahrgastraum schwierige akustische Bedingungen vor. Trotz dieser großen Bandbreite an Abspiel-Hardware sollte das Klangerlebnis bei allen Geräten möglichst ähnlich sein – vom Smartphone bis zum Auto.

Intelligente Algorithmen verbessern die Klangwiedergabe

Dazu werden am Fraunhofer IIS intelligente Algorithmen zur Verarbeitung der Audiosignale entwickelt, die Musik analysieren, sie in ihre Bestandteile zerlegen, um sie schließlich für das jeweilige Wiedergabesystem optimiert wiederzugeben. So kommt z. B. die Musik in einem Konzertsaal zum einen direkt von der Bühne, zum anderen wird der Schall auch von der Decke und den Wänden reflektiert. Durch die Kombination von Direktschall von der Bühne und den Reflexionen entsteht beim Konzertbesucher ein dreidimensionaler Klangeindruck. Will man diesen möglichst genau im Fahrzeug oder über Kopfhörer wiedergeben, so müssen Direktschall und Reflexionen im Musiksignal zunächst identifiziert und getrennt werden, um die einzelnen Elemente dann für die Wiedergabe zu einem möglichst präzisen und originalgetreuen dreidimensionalen Klang zusammenzusetzen. So kann in jeder Situation das vom Produzenten ursprünglich gewünschte Klangbild natürlich wiedergegeben werden, unabhängig von den im konkreten Fall verwendeten Lautsprechern oder Kopfhörern bzw. der Raumsituation. Unterstützende Algorithmen gleichen die Schwächen der Hardware aus. Dadurch lassen sich auch mit günstigen Lautsprechern oder Kopfhörern Musik und andere Audiosignale in präzisem und natürlichem Klang genießen.

Ingenieure und Sound-Designer arbeiten Hand in Hand

Die Entwicklung dieser intelligenten Algorithmen wäre nicht möglich ohne die enge Zusammenarbeit von Ingenieuren und Wissenschaftlern mit Tonmeistern und Sound-Designern. Nur durch die Symbiose der beiden Erkenntniswelten von Technik und Klang lässt sich für die verschiedensten Abspielmöglichkeiten der bestmögliche Klang erzielen. Während also die Ingenieure die Algorithmen zur Musikanalyse und -aufbereitung entwickeln, beurteilen die dafür ausgebildeten Tonmeister die klanglichen Eigenschaften und verwenden die durch die Entwickler bereitgestellten Werkzeuge, um den Klang für die jeweiligen Endgeräte zu optimieren. Durch dieses Zusammenspiel von Technik und Sound-Design entstehen für die Nutzer der optimierten Geräte eine deutlich verbesserte Klangwelt und Klangqualität.

Fraunhofer Cingo® bringt Kinoklang auf mobile Geräte

Surround- oder 3D-Klang kennt man aus dem Kino oder vom Heimkinosystem. In beiden Fällen sorgt eine Großzahl von Lautsprechern für den perfekten Sound. Doch meist werden Filme heute unterwegs auf Smartphones und Tablets angeschaut – ganz ohne aufwendige Soundsysteme. Trotzdem erwartet der Nutzer ein Erlebnis, das demjenigen des Kinos nahekommt. An dieser Stelle setzt Fraunhofer Cingo an: Cingo ermöglicht die Wiedergabe von authentischem Stereo-, Surround- und 3D-Klang über Kopfhörer und Stereolautsprecher von Smartphones und Tablets.

So können Nutzer Filme z. B. bei einem Streamingportal kaufen und dann auf ihrem Smartphone und über Kopfhörer konsumieren, ohne auf guten Sound verzichten zu müssen. Die dafür notwendige Verarbeitung des Mehrkanaltons erledigt Cingo direkt auf dem Endgerät. Besondere Kopfhörer sind nicht notwendig: Die Technologie ist darauf ausgelegt, mit jedem beliebigen Kopfhörer ein möglichst gutes Ergebnis zu erzielen. So hören die Nutzer dann die Hubschrauber von hinten nach vorn fliegen oder den Regen von oben herabprasseln. Zusätzlich zu diesen Effekten sorgt Cingo für eine bessere Verständlichkeit. Gerade Inhalte, die sehr leise produziert sind oder einen sehr großen Unterschied zwischen lauten und leisen Audiosignalen haben, sind so besser zu verstehen. Auch Filmdialoge können verstärkt werden. So sind dann auch Gespräche zwischen zwei Personen in einem Film gut zu verstehen, wenn man gerade an einem lauten Bahnhof sitzt und den Film über das Smartphone ansieht.

© Fraunhofer IIS/David Hartfiel
Immer mehr Multimedia- Inhalte werden auf mobilen Endgeräten abgespielt oder gestreamt.
© Fraunhofer IIS/David Hartfiel
Authentischer 3D-Klang sorgt auch bei Filmen auf dem Tablet für das »Mittendrin-Gefühl«.
© Dirk Mahler/Fraunhofer
Harald Popp, Oliver Hellmuth und Jan Plogsties (v. l.) wurden 2015 für die Entwicklung und Vermarktung von Cingo® und Symphoria® mit dem Joseph-von- Fraunhofer-Preis ausgezeichnet.

Cingo® macht die virtuelle Welt hörbar

Besonders wichtig ist die Wiedergabe von realistischem 3D-Klang für Virtual-Reality-Brillen. Diese neue Klasse von Geräten der Unterhaltungselektronik lässt den Nutzer vollständig in eine virtuelle Welt eintauchen. Dazu muss eine große Brille aufgesetzt werden, die mittels eingebauter Bildschirme oder einem Smartphone-Display und einer entsprechenden Optik das Gefühl vermittelt, sich in einer anderen Umgebung zu befinden. Dieser erste Schritt hin zum Holodeck des Star-Trek-Universums ist aber nur überzeugend, wenn passend zum 360-Grad-Video auch der Ton tatsächlich von überall zu kommen scheint. Denn wenn man sich gerade im tropischen Regenwald umschaut, müssen die Vögel auch in den Baumwipfeln über dem Betrachter zu hören sein und nicht nur auf der Ebene des eigenen Kopfes. Genau für diese exakte Lokalisierbarkeit von Klangquellen im Raum über herkömmliche Stereokopfhörer sorgt Cingo und ist damit ideal geeignet für alle Virtual-Reality-Brillen. Um 3D-Ton in der virtuellen Welt möglichst überzeugend darzustellen, bezieht Cingo zusätzlich die Bewegungen des Kopfes mit ein. Dreht sich der Nutzer in der virtuellen Welt um, so bleibt dank Cingo das Schallbild wie in der Realität stabil an der gleichen Stelle und wandert nicht mit der Kopfbewegung, wie dies bei der herkömmlichen Wiedergabe von Audiosignalen über Kopfhörer der Fall ist.

»CINGO® IST DIE IDEALE ERGÄNZUNG FÜR VR-BRILLEN, WEIL ERST EIN NATÜRLICHER 360°-TON DIE VIRTUELLE WELT VERVOLLSTÄNDIGT.«

Cingo ist bereits in zahlreichen Geräten weltweit im Einsatz. So werden seit 2013 alle Geräte der Nexus-Serie von Google mit Cingo ausgestattet. Dies erlaubt es den Benutzern, die im Google Play Store gekauften Filme auch in Surround-Klang auf den Geräten wiederzugeben. Darüber hinaus nutzen zahlreiche Video-on-Demand-Anbieter Cingo in ihren jeweiligen Apps, um ihren Kunden ein überzeugendes Klangerlebnis auch auf mobilen Geräten bieten zu können. Und schließlich ist Cingo in der Virtual-Reality-Brille Samsung Gear VR integriert.

Fraunhofer Symphoria® erzeugt ein harmonisches Klangbild im Auto

Während bei der Wiedergabe von Surround- oder 3D-Sound auf Smartphones oder Virtual- Reality-Brillen oftmals der Audioeffekt im Vordergrund steht, geht es im Auto um eine möglichst natürliche Musikwiedergabe. Deshalb wurde mit Symphoria am Fraunhofer IIS eine 3D-Surround-Technologie entwickelt, die ein neuartiges Gefühl von Räumlichkeit im Auto vermittelt. Symphoria erweitert das Klangbild, indem es ihm mehr Weite, Tiefe und auch Höhe verleiht. Die physikalischen Grenzen der Fahrgastzelle scheinen sich aufzulösen. Für jeden Sitz im Fahrzeug kann eine breite, klar definierte Klangbühne und ein makellos ausbalanciertes Surround-Klangfeld erzeugt werden. So genießt jeder einzelne Fahrgast ausgezeichnete Audioqualität. Dabei ist es egal, ob die Klangquelle Radio, CD oder mp3-Player ist und ob das Audiomaterial in Stereo, 5.1 Surround oder 3D-Audio vorliegt. Symphoria erzeugt für jedes Eingangssignal ein harmonisches Klangbild.

Als erster Fahrzeughersteller nutzt Audi das Symphoria-System. Zunächst wurde im Sommer 2014 der neue Audi TT mit dem Bang & Olufsen-Soundsystem und Symphoria vorgestellt. 2015 folgten dann Q7, R8 und Audi A4. Auch hier können die Endkunden jeweils das Bang & Olufsen-Soundsystem optional bestellen. Dafür erhalten sie dann ein Paket von rund zwanzig Lautsprechern und Fraunhofer Symphoria-Sound für ein einzigartiges und bislang nicht gehörtes Klangerlebnis im Fahrzeug.

Ausgezeichneter Klang: Der Joseph-von-Fraunhofer-Preis für Cingo® und Symphoria®

Mit den Technologien zur Audiosignalverarbeitung setzt das Institut die erfolgreiche Arbeit im Audiobereich konsequent fort. Während bislang insbesondere die effiziente und hochqualitative Speicherung und Übertragung von Audiodaten im Vordergrund stand, optimieren Cingo und Symphoria den Klang für die Wiedergabe auf dem jeweiligen Endgerät. Damit deckt das Fraunhofer IIS die gesamte Kette von der Produktion bis zur Wiedergabe ab: Mit den durch das Fraunhofer IIS mitentwickelten Plug-ins von Sonnox können Musikproduzenten ihre Musik für die Onlinedistribution optimieren. Musikstreamingdienste und Rundfunkanstalten weltweit nutzen die maßgeblich am Fraunhofer IIS entwickelten MPEG-Audiocodierverfahren zur effizienten Übertragung der Daten. Cingo und Symphoria schließlich sorgen für den guten Klang jenseits der HiFi-Anlage im Wohnzimmer. Für diesen letzten Schritt haben Oliver Hellmuth, Jan Plogsties und Harald Popp den Joseph-von- Fraunhofer-Preis 2015 erhalten.

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