Mess- und Experimentalsystem für Automobiltelekonferenzsysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unsere Schwerpunkte der schmalbandigen und breitbandigen Sprachsignalverbesserung sind die ein- und mehrkanalige Störgeräuschreduktion, akustische Echokompensation, Beamforming/Mikrofonarrays, künstliche Sprach-Bandbreitenerweiterung sowie im Rahmen der internationalen Standardisierung (ITU-T) auch Qualitätsmessverfahren. Für die Weiterentwicklung und Erstellung von Algorithmen sowie deren Evaluation mit den standardisierten und neu entwickelten Qualitätsmessverfahren steht der Arbeitsgruppe nun ein – in unser Forschungsfahrzeug integriertes – Mess- und Experimentalsystem für Automobiltelekonferenzsysteme zur Verfügung. Dieses Forschungsgroßgerät erlaubt zudem die prototypische Entwicklung dieser Algorithmen auf DSP-Basis und die Qualitätsmessung der bei diesen Verfahren beteiligten Signal- und Störkomponenten. So wurde ein frequenzbereichsbasierter Ansatz zur monofonen akustischen Echokompensation (Mono-AEC) und Störgeräuschreduktion mit Hilfe des Forschungsgroßgeräts erforscht, weiterentwickelt und getestet. Dieser Ansatz erlaubt das hochqualitative Freisprechen in Fahrzeugen und zwar in der als „HD Voice“ bezeichneten Qualität. Technisch ausgedrückt bedeutet das eine hohe Sprachbandbreite von 7000 Hz und daraus folgend sehr gute Sprachverständlichkeit und –qualität. Zudem zeichnet sich das entwickelte Freisprechsystem durch volle Duplex-Fähigkeit und ein Mindestmaß an verbleibenden Störgeräuschen aus, was nun live mittels Forschungsgroßgerät und mobilen Endgeräten gezeigt werden kann. Sollten die vorherrschenden Bedingungen des aktuell genutzten Mobiltelefonkanals eine „HD Voice“-Übertragung nicht zulassen (dazu muss die komplette Übertragungskette aus den beteiligten Endgeräten und Übertragungskanälen darauf ausgelegt sein), so hat die Arbeitsgruppe auch für diesen Fall ein Verfahren entwickelt, das es dem Nutzer des durch das Forschungsgroßgerät realisierten Freisprechsystems erlaubt, eine nahezu „HD Voice“-artige Sprachverständlichkeit und -qualität zu genießen. Dazu wird auf Seiten des Empfängerendgeräts eine statistische Lautanalyse des herkömmlich übertragenen, schmalbandigen Telefonsignals durchgeführt. Typischerweise hat man es hier mit einer maximalen Sprachbandbreite von unter 3500 Hz zu tun. Die im Bezug zu einer breitbandigen „HD Voice“-Übertragung fehlenden hohen Frequenzanteile (ca. 4000 bis 7000 Hz) werden mit Hilfe von Codebüchern und statistischen Modellen geschätzt und dem übertragenen Empfangssignal hinzugefügt. Diese künstliche Erweiterung der akustischen Sprach-Bandbreite wurde mit Hilfe des Forschungsgroßgeräts auf den automotiven Anwendungsfall hin weiterentwickelt und optimiert und kann – in Kombination mit dem breitbandigen Freisprechsystem – dem interessierten Publikum im Livebetrieb vorgeführt werden. Das Projekt "Car in a Box" zielt wiederum auf die Entwicklung und Verifikation eines Verfahrens und Geräts zur Simulation der Akustik von Fahrzeugkabinen für Freisprechsysteme. Für die Qualitätsbewertung von Automobilen spielt die Sprachqualität bei der Kommunikation über Mobilfunkgeräte mit Hilfe von Freisprechanlagen eine immer wichtigere Rolle. Oft bereitet dabei das Zusammenspiel zwischen den fest installierten Freisprechsystemen mit der Vielzahl der verfügbaren Mobilfunkgeräte Schwierigkeiten, die zu Kundenbeschwerden führen. Die sehr kurzen Entwicklungszyklen von Mobilfunkgeräten in Kontrast zu den verhältnismäßig langen bei der Entwicklung von Fahrzeugen, führen immer wieder dazu, dass für die Optimierung der Freisprechsysteme zu wenig Zeit bleibt, da sie erst am Ende der Fahrzeugentwicklung, wenn das weitestgehend fertige Fahrzeug zur Verfügung steht, stattfinden kann. Diese Problematik wird durch das Car-in-a-Box-Gerät gelöst. Die Car in a Box erlaubt es, basierend auf schnell durchführbaren Messungen am Fahrzeug-Prototypen die Akustik in Fahrzeugkabinen nachzustellen, so dass rechtzeitig im Entwicklungszyklus das Freisprechsystem an das jeweilige Fahrzeug angepasst werden kann. Dieses Gerät wird von der Arbeitsgruppe im Rahmen eines BMWi-geförderten ZIM Kooperationsprojekts entwickelt. Dabei kommt das Forschungsgroßgerät nicht nur als Versuchsträger des Freisprechsystems, hier als device under test (DUT), zum Einsatz, sondern auch als Mess- und Verifikationsplattform für die Überprüfung der korrekten Funktion der Car in a Box. Eine weitere Forschungsarbeit der Arbeitsgruppe betrifft die „Acoustic Surveillance“ eines Fahrzeugs. Hier steht die Nutzung des vorhandenen Sensors „Freisprechmikrofon“ im Vordergrund, um verdächtige Geräusche wie Glasbruch etc. in einem parkend abgestellten Fahrzeug erkennen zu können. Mittels des Forschungsgroßgerätes wurde bereits eine neuartige umfängliche Datensammlung von akustischen Geräuschen aus dem Fahrzeuginnenraum aufgenommen – wobei die Geräusche von außen stammen (vorbeifahrende Fahrzeuge), aber innen im parkenden Fahrzeug akquiriert wurden. Schließlich hat die Arbeitsgruppe durch das Vorhandensein des Forschungsgroßgerätes frühere Forschungsarbeiten wieder aufgegriffen, die jetzt zu einem Sprachsteuerungssystem im Fahrzeug verdichtet werden sollen – wobei die Herausforderung darin besteht, dass kein Push-to-Talk genutzt werden darf, aber das Radio in Betrieb ist und während der Command-and-Control-Aufgabe auch bleibt. Die dazu nötige Stereo-Echokompensation ist bereits entwickelt und wird in Kürze auf die DSPs des Forschungsgroßgerätes portiert, für den Erkenner wird das Forschunggsgroßgerät derzeit mit Institutsmitteln um einen Car-PC erweitert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „A Measurement Methodology for Automotive Teleconferencing“, in Proc. of 10. ITG-Fachtagung „Sprachkommunikation”, Braunschweig, Germany, Sept. 2012, VDE–Verlag
David Scheler, Marc-André Jung, Tim Fingscheidt
- „A Dynamic Multi-Channel Speech Enhancement System for Distributed Microphones in a Car Environment“ EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol. 2013, no. 191, pp. 1–21, Dec. 2013
Timo Matheja, Markus Buck, Tim Fingscheidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1186/1687-6180-2013-191) - „Towards Reproducible Evaluation of Automotive Hands-Free Systems in Dynamic Conditions“, in Proc. of ICASSP, Vancouver, BC, Canada, May 2013, pp. 8144–8148
Marc-André Jung, Lucca Richter, Tim Fingscheidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ICASSP.2013.6639252) - “A Wideband Automotive Hands-Free System for Mobile HD Voice Services” in Smart Mobile In-Vehicle Systems – Next Generation Advancements, G. Schmidt et al., Ed., pp. 81– 96. Springer-Verlag, 2014
Marc-André Jung, Tim Fingscheidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-1-4614-9120-0_6) - „An Automotive Wideband Stereo Acoustic Echo Canceler Using Frequency-Domain Adaptive Filtering“ in Proc. of 22nd European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2014), pp.1452– 1456, Sept. 2014
Marc-André Jung, Samy Elshamy, Tim Fingscheidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.5281/zenodo.43789) - „Towards Acoustic Event Detection for Surveillance in Cars“ in Proc. of 11. ITG-Fachtagung „Sprachkommunikation”, Erlangen, Germany, Sept. 2014, VDE–Verlag
Peter Transfeld, Simon Receveur, Tim Fingscheidt
- „An Acoustic Event Detection Framework and Evaluation Metric for Surveillance in Cars“ in Proc. of Interspeech, Dresden, Germany, Sept. 2015, pp. 2927–2931
Peter Transfeld, Simon Receveur, Tim Fingscheidt
