Bachelorstudiengang Medientechnologie

Föderiertes Lernen ist ein neuer Ansatz im Bereich des maschinellen Lernens, der den Datenschutz gewährleistet, indem mehrere Geräte gemeinsam ein Modell erlernen, ohne lokale Daten auszutauschen. In dieser Arbeit werden verschiedene Fusionsalgorithmen zur Kombination von Modellen, die auf unterschiedlichen Geräten trainiert wurden, in einem einzigen globalen Modell untersucht. Dabei werden fünf Fusionsalgorithmen im Rahmen einer Datenklassifizierungsaufgabe bewertet: Federated Averaging (FedAvg), Federated Proximal (FedProx), Inverse Distance Aggregation (IDA), q-Fair Federated Averaging (qFedAvg), und Temporally Weighted Federated Averaging (TWFedAvg). Die Experimente berücksichtigen unterschiedliche Verteilungen von Kundendaten und verschiedene Grade von vergifteten Datendistributionen. Die Ergebnisse zeigen, dass FedAvg bei verschiedenen Datenverteilungen gute Leistungen erzielt, jedoch Schwierigkeiten hat, Probleme im Zusammenhang mit vergifteten Daten zu lösen. FedProx behandelt effektiv Probleme der Datenheterogenität und Systemheterogenität. IDA zeigt eine stabile Modellkonvergenz und hohe globale Modellgenauigkeit. qFedAvg verbessert die Leistung der schlechten performenden Geräte, sorgt für ein faireres Modell und kann unterschiedliche vergiftete Datendistributionen bewältigen. TWFedAvg ist sehr empfindlich gegenüber dem Rechenaufwand beim lokalen Lernen und weist eine schlechte Leistung in den Experimenten auf.

Drohnensysteme übernehmen bereits heute eine Vielzahl an Aufgaben auf unterschiedlichen Gebieten. Das Problem der zur Zeit eingesetzten Drohnensysteme ist deren nahezu ausschließlicher Einsatz zur Bildgebung, so verhindern z.B. nicht transparente Objekte eine Sichtung. Akustische Sensoren sind bisher noch nicht etabliert, da die Eigen- und Windgeräusche des Drohnensystems die Aufnahmen stören.Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung verschiedener Mikrofonsysteme an Drohnenplattformen. Der Fokus liegt hierbei auf der Erzeugung einer geeigneten Richtcharakteristik des Mikrofonarrays, um die Drohnen- und Windgeräusche möglichst stark zu unterdrücken. Zunächst werden die Anforderungen des Betriebs von einem Mikrofonarray und einem Beamforming-Algorithmus an einer Drohnenplattform erläutert. Ein mögliches Anwendungsszenario der Waldbrandfrüherkennung mit Drohne und Mikrofonsystem bildet hierbei einen Schwerpunkt. Das Mikrofonsystem soll eine möglichst gerichtetete Empfindlichkeit für Geräusche senkrecht unter dem Drohnenkorpus erzeugen, ohne den sicheren Betrieb der Drohne zu gefährden. Darauf aufbauend erfolgt die Auswahl eines uniformen Rechteck-, Ring-, archimedischen Spiral- und eines nicht-uniformen Rechteckarrays in Kombination mit einem Delay-and-Sum Beamformer für eine nähere Untersuchung. Die ausgewählten Mikrofonsysteme werden simuliert, realisiert und untersucht auf deren Fähigkeit, seitliche Störgeräusche unterdrücken zu können. Das archimedische Spiralarray erreicht hierbei einen größeren Signal-Rausch-Abstand als das nicht-uniforme Rechteckarray. Aus diesem Grund wird nur eine Anpassung des archimedischen Spiralarrays vorgenommen. Im Anschluss daran erfolgt die Messung der azimutalen Richtcharakteristiken der prototypischen Mikrofonsysteme. Das uniforme Rechteck- und Ringarray zeigen im Gegensatz zu den Ergebnissen der Simulation eine stärkere Richtwirkung nach vorn als nach hinten und eine niedrigere Empfindlichkeit zu den Seiten. Abschließend werden die Prototypen unterhalb einer betriebenen Drohne evaluiert. Diese Arbeit zeigt, dass ein uniformes Rechteck-, Ring- und archimedisches Spiralarray in Kombination mit einem Delay-and-Sum Beamformer die Geräusche einer Drohne im Leerlaufbetrieb tendenziell ausreichend zur Aufnahme von Bodenbrandgeräuschen unterdrücken können.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat das Interesse an virtueller bzw. erweiterter Realität (VR / AR) stark zugenommen. Für ein immersives Erlebnis ist es notwendig, virtuelle Schallquellen an beliebige Positionen im Raum platzieren zu können. Eine Möglichkeit zur Auralisierung von virtuellen Quellen ist es, Signale mit binauralen Raumimpulsantworten (BRIRs) zu falten und diese über Kopfhörer wiederzugeben. Die Aufnahme von BRIRs mit einem Kunstkopf zur Wiedergabe mit sechs Freiheitsgraden (6-DoF) über Kopfhörer führt zu einem hohen Aufwand, da für unterschiedlichste Kopfdrehungen und Positionen im Raum BRIRs gemessen werden müssen. Außerdem lassen sich vertikale Drehungen des Kopfes nur schwer damit umsetzen. Eine Möglichkeit, den Messaufwand zu reduzieren und Änderungen der Elevation zuzulassen, ist die Spatial Decomposition Method (SDM). Damit muss an jeder Position lediglich eine Messung durchgeführt werden. In der Vergangenheit wurde von Füg ein Algorithmus entwickelt, der Impulsantworten (IRs) so manipuliert, dass die Distanzwahrnehmung verändert wird. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Algorithmus auf die SDM zu übertragen und zu erweitern, sodass Entfernungsänderungen auch für elevierte Quellen möglich sind. Dadurch muss nur noch eine Messung mit der SDM durchgeführt werden, um BRIRs für den gesamten Raum zu synthetisieren. Der entwickelte Algorithmus manipuliert systematisch die Anfangszeitlücke, die Direction-Of-Arrival Matrix und die Energie der IR. Die Evaluation erfolgt mithilfe von distanzabhängigen Raumakustikparametern sowie durch einen informellen subjektiven Wahrnehmungstest. Die Auswertung der Raumakustikparameter zeigt, dass gute Ergebnisse für Quellen erzielt werden, welche oberhalb oder in der Ebene des Empfängers liegen. Für Quellen unterhalb des Empfängers entstehen starke Abweichungen bei der Direct-to-Reverberant-Ratio (DRR). Hinsichtlich der subjektiven Wahrnehmung bleiben die Ergebnisse hinter den Erwartungen zurück. Die Richtungs- und Entfernungswahrnehmung der Synthese weicht nicht stark von den Messungen ab, aber die Klangfarbe der Synthese ist sehr deutlich verändert. Die Übertragung von Fügs Manipulationsalgorithmus auf die SDM ist nur teilweise gelungen bzw. untauglich für einen praktischen Einsatz. Anhand von weiteren zukünftigen Untersuchungen für andere Räume soll die Leistungsfähigkeit des Algorithmus verbessert werden.

Die Richtwirkung ist eine wichtige akustische Eigenschaft von Schallquellen. Diese kann in objektbasierten 3D-Audiowiedergabesystemen durch verschiedene Methoden reproduziert werden. Diese Arbeit untersucht das Lautstärkeverhalten virtueller gerichteter Schallquellen bei deren Rotation im kopfhörerbasierten 3D-Audiowiedergabesystem VIPRA, welches auf der Wellenfeldsynthese basiert. Die Reproduktion der Richtwirkung erfolgt in der VIPRA-Portalmethode durch eine Lautstärkeinterpolation zwischen Punktschallquellen. Auf Basis der vorhandenen Implementierung wird eine angepasste Berechnungsmethode erarbeitet und implementiert. Diese hat das Ziel, den Lautstärkeverlauf bei Rotation zu homogenisieren. Zur Evaluation der Methoden werden reale Schallerzeuger mit einem Mikrofonarray aufgenommen und in das System eingebunden. Anschließend werden die Methoden anhand Klangfärbung, Reproduktion der Richtcharakteristik und dem Lautstärkeverlauf bei Rotation verglichen. In einem informellen Hörtest wird die minimale Wiedergabeauflösung der neuen Implementierung untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die neue Implementierung die bisher auftretenden Sprünge im Lautstärkeverlauf minimiert. Dadurch wird eine bessere Reproduktion der Richtcharakteristik ermöglicht. Der Hörtest gibt Hinweise darauf, dass virtuelle gerichtete Schallquellen, unabhängig von der Richtungsauflösung der Wiedergabe, als natürlich wahrgenommen werden können. Die minimale Richtungsauflösung hängt von der Art der Schallquelle sowie der Anwendung ab. Die VIPRA-Portalmethode sollte in weiterführenden Forschungsarbeiten mit anderen Verfahren zur Reproduktion der Richtwirkung verglichen werden. Diese Vergleiche sollten sowohl analytisch als auch in formellen Hörtests durchgeführt werden.

In dieser Arbeit wird der Einfluss des Kopfhörermodells auf reale und virtuelle Schallquellen in Augmented Acoustics Anwendungen untersucht. Dazu wurden binaurale Impulsantwortmessungen mit einem Kunstkopf durchgeführt. Acht Modelle wurden physikalisch und perzeptiv untersucht. Die physikalische Analyse zeigt die Eigenschaften des Kopfhörers und ihre Auswirkungen auf das reale Schallfeld. Auch der Effekt der Neupositionierung wurde berücksichtigt. Um den Einfluss auf das externe Schallfeld perzeptiv zu untersuchen, wurde ein Multi-Stimulus Test mit versteckter Referenz- und Anker mit 15 Testpersonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Arten von Kopfhörern unterschiedliche Auswirkungen auf reale und virtuelle Schallquellen haben und dass die Neupositionierung Variationen im Frequenzspektrum verursacht.