Wideband antennas with optimized impulse behavior. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das traditionelle Design der Antenne basiert auf der stationären Analyse, basierend auf der Anregung durch Sinuswellen. Dies führt zu Designkriterien wie Antennengewinn, Richtdiagramm und Rückflussdämpfung. Diese Verfahren erlauben jedoch selten eine Erklärung des internen Ausbreitungsverhaltens der Antenne. Die Simulationein der Zeitdomäne ermöglichen dagegen einen Einblick in die inneren Vorgänge der Antenne da kurze Anregungssignale verwendet werden. Dadurch wird es möglich, die Wirkungsweise der Antenne besser zu verstehen. Der Schwerpunkt dieser Masterarbeit betrifft Aspekte eines neuen Ultra-Wideband-Antennendesigns aus der Vivaldi-Antennenfamilie. Durch die Bestimmung der Abklingzeit, die zu den Zeitdomänenmerkmalen gehört, wurde die Schwingneigung einer Antenne untersucht. Im Ergebnis der Arbeit entstand eine neue Vivaldi Antenne - genannt Ring-Vivaldi, die über eine kurze Impulsantwort mit schnellem Abfall der Eigenschwingung verfügt. Die Antenne ist für ein 1 mm dickes FR4-Substrat ausgelegt und wird über einen 50 SMA-Stecker gespeist.
Psychoacoustic evaluation of binaural auralization of virtual room acoustics. - Ilmenau. - 200 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Auditory Virtual Environments (AVEs) sind ein beliebtes Forschungsgebiet geworden. Ermöglicht wird dies durch moderne Hardware mit der Fähigkeit auch komplexe Berechnungen wie zum Beispiel für VR Anwendungen effizient zu berechnen. Mittlerweile wurden zahlreiche Ray Based Modelling Algorithmen entwickelt und an Modelle der Raumakustik von virtuellen Umgebungen angepasst um die Qualität von fully-computed aurelization (voll berechneter Auralisierung) der virtullen Räume zu erweitern. Ob nun die Nutzung eines einzelnen solchen Algorithmus oder die gemeinsame Verwendung einer Anzahl solcher Algorithmen die Fähigkeit hat die meisten oder vielleicht sogar alle komplexen Phänomene, welche realistische Schallfelder in nachhallenden (reverberant) Räumen bestimmen, ist eine strittige Frage. Nitchtsdestotrotz, ist es für die Forschung immer noch von großem Interesse herauszufinden wie die Qualität der binauralen Auralisierung von den Verfahren mit welchen die voll computerisierte Auralisierung von Räumen realisiert wird beeinflusst. Um dies zu erforschen werden als Teil dieser Masterabschlußarbeit zwei Ansätze implementiert. Diese Ansätze unterscheiden sich in den Techniken und Konventionen, die sie benutzen um eine Menge an HRTFs, die um ein sphärisches Gitter gemessen wurden, zu integrieren, um die binauralen Raumimpulsantworten (Binaural Room Impulse Respones - BRIRs) eines Shoe-Box Models eines leeren, virtuellen Raumes zu evaluieren. Diese beiden Ansätze, in welchen der erste ein Benchmark-Ansatz ist und ein zweiter ein neuer Vorschlag ist, werden in dieser Arbeit verglichen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Szenen von kleinen, nachhallenden und trockenen Raummodellen (der Dimensionen 5 m X 4 m X 2,5 m) mithilfe des frei verfügbaren, auf MATLAB basierenden, MCRoomSim Raumakkustikmodellierungstool für eine volle Rotation um eine gegebene Position simuliert. Eine Menge Nahfeld-HRTFs gemessen mit aus einer Entfernung von 0.5 Metern von der Schallquelle und, äquivalenten Fernfeld HRFTs, sind in die Simulationen einbezogen worden um die BRIRs zu evaluieren. Beide diese Mengen von HRTF wurden um ein spärisches 2702 Punkt Lebedev Gitter auf einem Georg Neumann KU100 Kunstkopf gemessen. Die simulierten Szenen wurden dann unter der Benutzung einer Head Tracking basierten dynamischen Preäsentation realisiert. Ein Hörtest an 15 Teilnehmern wurde durchgeführt, um jegliche hörbare Unterschiede zwischen den Raumauralesierungen dieser zwei Ansätze zu ermitteln und sie in die erwähnten HRTFs einzubeziehen. Quantitative und qualitative Analysen an den im Hörtest ermittelten Daten wurden durchgeführt und werden hier präsentiert, um eine wissenschaftliche Schlussfogerung zu der Investigation zu erreichen.
Detektion von Blenden in Videos. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Durch die Zunahme der Videoproduktion ist in Videoarchiven eine große Menge an Daten vorhanden; dies erschwert die Suche nach Elementen in einem Archiv erheblich. Ein Ansatz zur Verbesserung der Suchgeschwindigkeit ist der Vergleich von Videos durch eine begrenzte Anzahl von Keyframes. Für die Keyframe-Extraktion benötigt es zunächst eine zeitliche Segmentierung des Videos in Shots. Während die Detektion von harten Schnitten oft hervorragende Ergebnisse liefern, ist bei der Detektion von weichen Schnitten (Blenden) noch Forschungsbedarf vorhanden. Die unterschiedlichen Darstellungsformen und langsame Veränderung des Bildinhaltes bei Blenden führen häufig zu Fehlinterpretation. Ziel dieser vorliegenden Masterarbeit ist die Untersuchung von vier Verfahren zur Detektion von weichen Schnitten. Hierzu sind zunächst die Grundlagen für die Bildverarbeitung, der aktuelle Stand der Technik bzgl. der Shot Boundary Detektion und die Verfahrensweise der Evaluierung erarbeitet worden. Darüber hinaus wurde der vorhanden Datensatz der TRECVID auf seine Eignung untersucht und um einen synthetischen Datensatz erweitert. Besonders vielversprechende Verfahren wurden durch die Abwägung verschiedener Kriterien ausgesucht und im Anschluss umgesetzt und miteinander verglichen. Die Ergebnisse sollen verdeutlichen, wie geeignet die Verfahren zur zeitlichen Segmentierung sind. Des Weiteren geben die Optimierungsvorschläge der Verfahren und der Ausblick Anstoß für weitere Forschungsarbeiten in dieser Thematik.
Modellentwicklung für die Temperaturprädiktion eines elektrodynamischen Lautsprechers. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Diese Arbeit stellt ein neuartiges Verfahren vor, um die Erwärmung von Lautsprechern zu prädizieren. Die Erwärmung von Lautsprechern kann neben Leistungseinbußen auch zur Beschädigung des Lautsprechers, oder, im Fall von sehr kompakten Geräten wie Mobiltelefonen, auch zur Beschädigung umliegender Komponenten führen. Wissen über die Entwicklung der Schwingspulentemperatur kann hier dabei helfen, effektiv entgegenzusteuern und so den Wirkungsgrad, den Klang und die Betriebssicherheit eines Lautsprechers zu verbessern. Die Mechanismen des Wärmeaustausches im Lautsprecher werden in dieser Arbeit betrachtet und die Methoden der thermischen Modellierung eines Lautsprechers werden an einem Beispiel aus der Literatur gezeigt. Für jede Modellbildung bedarf es präziser Daten als Grundlage. Verschiedene Methoden, die Lautsprechertemperatur zu messen, werden vorgestellt und kategorisiert. Anforderungen an ein Temperatur-Messsystem werden formuliert. Um diese Anforderungen zu erfüllen wird eine neuartige Messanordnung vorgestellt, die es erlaubt, die Schwingspulentemperatur während der Wiedergabe von Signalen jeglicher Art zu messen. Die Messung basiert auf dem Gleichstromwiderstand der Schwingspule und baut auf der Wheatstoneschen Messbrücke auf, wird jedoch um aktive analoge Komponenten erweitert. Die Qualität der Messung wird durch Vergleichsmessungen mit einem Infrarotthermometer und durch theoretische Betrachtung der Fehlerquellen evaluiert. Mit den gemessenen Daten wird ein künstliches neuronales Netzwerk trainiert. Dieses ist, um die Zeitkonstanten von Lautsprechern zu erfassen, mit einem "Temperaturgedächtnis" ausgestattet. Die prädizierten Ergebnisse werden mit einem gängigen linearen Modell dritter Ordnung aus der Literatur verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Temperaturprädiktion am Lautsprecher mit maschinellem Lernen möglich ist, aber noch weiterer Forschung bedarf.
Erkennen von Bildähnlichkeiten mittels neuronaler Netze am Beispiel von Gebäuden. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In den letzten Jahren findet die Hashfunktion immer mehr Anwendungen beim Bildretrieval im großen Maßstab, welches eine große Herausforderung stellt. Die alten Methoden basieren meistens auf lokale Features. Die Extraktion der lokalen Features und hochdimensionale Datenverarbeitung brauchen zu viel Zeit, sodass die Verwendung der handgefertigten Features bei der Bildsuche die Erkennungsleistung begrenzt. Zugleich entwickelte sich Deep Learning blitzschnell, das über eine hervorragende Lernfähigkeit der Features von den Daten verfügt. Deep Learning bildet die Grundlage für einige Methoden, die auch die Hashtechnologie kombinieren können. Die Verwendung der Hashtechnologie beschleunigt stark die Geschwindigkeit der Bildsuche und die meisten Methoden haben gute Ergebnisse erzielt. Ziel dieser Masterarbeit ist, dasselbe Gebäude im Bild möglichst wie genau zu identifizieren. In dieser Masterarbeit wurden lokale Features und verschiedene tiefe Faltungsnetze zur Erkennung der Gebäudeähnlichkeit sowie deren Anwendungsmöglichkeiten zur Optimierung der Rechercheergebnisse untersucht. Danach wurden unterschiedliche Datensätze für die Evaluation aufgestellt und die Tests wurden zur Überprüfung der Wirksamkeit des Systems durchgeführt. Neben einer ausführlichen Analyse werden Möglichkeiten evaluiert, die Erkennungsleistung verbessern zu können.
Untersuchungen zur Anwendung von Beamforming in Flachlautsprechern unter Berücksichtigung von Raumreflexionen. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit Beamforming mit Flächen-Arrays umgesetzt werden kann und ob sich dadurch Vorteile gegenüber Linien-Arrays ergeben. Im Vordergrund stand die Frage ob durch die Bündelung des Schalls in einer zusätzlichen Dimension weniger störende Reflexionen entstehen. Hierfür wurde neben einfachen Delay-and-Sum-Beamformern auch ein optimierungsbasierter Ansatz von Linien- auf Flächen-Arrays erweitert. Bei der Erweiterung wurden zwei verschiedene Methoden betrachtet: Eine erweitert die Optimierungsparameter um eine weitere Dimension, die zweite zerlegt das Array in mehrere Linien und optimiert Linien-Weise. Diese verschiedenen Verfahren wurden anhand ihrer simulierten und gemessenen Richtcharakteristiken evaluiert. Abschließend wurde das Verhalten eines Linien- und eines Flächen-Arrays unter gezielten raumakustischen Bedingungen verglichen. Dazu wurden im reflexionsarmen Raum gezielt Reflektoren angebracht und die Raumimpulsantworten an verschiedenen Positionen verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Vorteile des Flächen-Arrays in einfachen Reflexionsumgebungen deutlich werden. In komplexen akustischen Umgebungen, stellt sich das Flächen-Array zwar noch als besser heraus, jedoch sind die Unterschiede zum Linien-Array hier geringer.
Virtuelle akustische Umgebung für Hörgeräte. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das menschliche Gehör ist in der Lage, dreidimensionale Schallquellen in komplexen akustischen Szenen zu lokalisieren. Im Falle eines Hörverlustes ist diese Fähigkeit stark eingeschränkt. Moderne Hörgeräte können die Auswirkungen der Schädigung des auditiven Systems verringern, jedoch nicht vollständig kompensieren. Positionierung und technische Ausstattung beeinflussen die Wahrnehmung. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung einer virtuellen akustischen Umgebung für Hörgeräte unter Verwendung der Binauralsynthese. Innerhalb des Systems soll der Einfluss auf die Lokalisationsfähigkeit untersucht werden. Im ersten Schritt wurden binaurale Hörgerätübertragungsfunktionen (HATF's) gemessen und weiterverarbeitet. Dazu diente jeweils ein omnidirektional empfindliches Mikrofon zweier bilateral ausgestatteter Hinter-dem-Ohr Systeme der Spezialgattung RITE (Right-In-The-Ear). Außerdem erfolgte die Messung von binauralen Raumimpulsantworten mit Kunstkopf. Die Resultate der zwei Aufnahmemethoden werden dargestellt und miteinander verglichen. Die Konzeption und Durchführung eines Hörtests bildete den nächsten Schritt. Darin wurde die Wahrnehmung auf die Paramter Externalisation, Vorn-Hinten-Vertauschung, Distanz- und Elevationsfehler untersucht. Die Wiedergabe der Signale erfolgte sowohl mit Kunstkopf als auch mit Hörgeräten. Die Ergebnisse der beiden Aufnahmemethoden zeigten nur geringe Unterschiede bezüglich der Externalisation und der Distanzfehler. Vorn-Hinten-Vertauschungen und Elevationsfehler traten bei der Nutzung der HATF's häufiger auf. Die Überbrückung der Ohrmuschel führte zu einer Verschlechterung der Lokalisationsfähigkeit. In Bezug auf die beiden Wiedergabemethoden ergaben sich nur geringe Differenzen. Die begrenzte Bandbreite der Hörgeräte hatte kaum Einfluss auf die Wahrnehmung. Die in dieser Arbeit entwickelte virtuelle Umgebung ermöglichte eine effiziente Untersuchung der Hörgeräte.
Psychoakustische Bewertung von privaten Hörzonen. - Ilmenau. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In vielen Szenarien ist es wünschenswert Audioinhalte räumlich zu begrenzen, sodass im Idealfall mehrere Programme simultan in einem Raum ohne akustische Trennelemente erzeugt werden können, ohne dass sich diese gegenseitig beeinflussen. Mit dieser Thematik befasst sich die Entwicklung von Systemen zur Erzeugung "privater Hörzonen". Idealerweise ist das Programm in der jeweiligen Hörzone komplett, außerhalb hingegen überhaupt nicht hörbar. In der Realität sind diesen Systemen jedoch physikalische Grenzen gesetzt, sodass gerade bei der simultanen Erzeugung mehrerer Hörzonen auf kleinem Raum mit teils erheblichem Übersprechen benachbarter Hörzonen gerechnet werden muss. Neben physikalischen Metriken zur Bestimmung des Ausmaßes dieser Interferenzen, wie der Messung einfacher Schalldruckpegel, können allein anhand dessen keine Aussagen über die vom Nutzer tatsächlich wahrgenommene Beeinträchtigung gemacht werden. Im Laufe der Arbeit wird gezeigt, dass es einen programmabhängigen, pegelmäßigen Schwellwert der Interferenzen gibt, der das Hörerlebnis subjektiv in akzeptabel bzw. nicht-akzeptabel teilt (Akzeptanzschwelle). Untersuchungen diesbezüglich geben Aufschluss über verschiedene Einflussfaktoren, welche die Lagen der Akzeptanzschwellen in einem privaten Hörzonen-Szenario beeinflussen. Zudem wird ein prädiktives Modell ermittelt, welches Vorhersagen über die Akzeptanzschwellwerte zulässt. In einem weiteren Hörversuch wird der These nachgegangen, ob starke Ähnlichkeiten der Programme zweier benachbarter Hörzonen zu verhältnismäßig mehr störenden Interferenzen und somit zu weniger akzeptablen Hörszenarien führen. Dazu wird der Fokus auf die Instrumentierungen von Musikinhalten gelegt, die mittels privater Hörzonen reproduziert werden. Zwar zeigen sich für gewisse Instrumente diesbezüglich erste Tendenzen. Dennoch implizieren die Ergebnisse, dass das abgefragte Attribut für den Beleg der These ungeeignet ist.
Bereitstellung und Evaluierung der E-Assessment Anwendung »askMe!«. - Ilmenau. - 156 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der Inhalt dieser Masterarbeit beschreibt den unterstützenden Einsatz und die Evaluierung der am Fraunhofer IDMT entwickelten E-Assessment Anwendung "askMe!" in zwei Bildungszentren, in denen sich Testgruppen auf eine fachtheoretische Prüfung vorbereiten müssen. Zunächst werden die individuellen Rahmenbedingungen der Lernenden durch Expertenbefragungen analysiert und demnach entsprechende Anpassungen bis zur jeweiligen Bereitstellung des Systems vorgenommen. Nach der multimedial-interaktiven Aufbereitung eines vorhandenen Fragenkatalogs aus dem jeweiligen Bildungszentrum, unter anderem durch den Einsatz einer Software zur Prototypen-Entwicklung, wird das eingesetzte System abschließend anhand der Nutzungserlebnisse der Testgruppen mit Hilfe von quantitativen und qualitativen Datenerhebungen evaluiert. Aus den erhobenen und statistisch ausgewerteten Daten resultiert wertvolles Verbesserungspotential für das askMe! System, welches durch entsprechend ausgearbeitete Handlungsempfehlungen dokumentiert wird. In einem abschließenden und aktuellen Systemvergleich werden bereits umgesetzte Verbesserungsvorschläge sowie Handlungsempfehlungen für das eingesetzte E-Assessment aufgezeigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen vor allem auf eine notwendige Optimierung der aktuellen Performance des Systems hin. Ebenso stehen einige Funktionalitäten und Darstellungen im Fokus, die nutzerzentrierter verbessert werden sollten. Bei Berücksichtigung und Umsetzung der dokumentierten Empfehlungen wird für die Lernenden ein motivierendes und ungestörtes Lernszenario geschaffen, in dem sie einen maximalen Lernerfolg erzielen können.
Prädiktion des Verhaltens elektrodynamischer Lautsprecher im nichtlinearen Arbeitsbereich. - Ilmenau. - 155 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Elektrodynamische Lautsprecher verhalten sich bei großen Membranauslenkungen zunehmend nichtlinear. Die unerwünschten nichtlinearen Verzerrungsprodukte schränken den nutzbaren Leistungsbereich ein. Durch eine Vorverzerrung des Eingangssignals ist es möglich, das nichtlineare Verhalten eines Lautsprechers zu kompensieren und die auftretenden hörbaren Verzerrungen zu reduzieren. Dafür übliche Feedforward-Verfahren benötigen eine möglichst genaue Prädiktion beispielsweise der Membranauslenkung, um darauf aufbauend ein wirksames Kompensationssignal zu berechnen. Basierend auf einem elektromechanischen Ersatzschaltbild kann das aus einer angelegten Eingangsspannung resultierende mechanische Lautsprecherverhalten modelliert werden. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches Zustandsraummodell vor, welches um die Viskoelastizität der Membranaufhängung erweitert wurde und das mechanische Verhalten der Lautsprechermembran bei tiefen Frequenzen besser abbildet, als ein Standardmodell aus der Literatur. Außerdem entwickelt diese Arbeit ein Verfahren, bei dem anhand eines Neuronalen Netzes die Membranauslenkung x(t) und die Membranschnelle v(t) geschätzt wird. Für das Training des Neuronalen Netzwerkes wird ein Datensatz bestehend aus Spannungs-, Strom-, und Membranschnellemessungen benötigt. Die Erhebung des Datensatzes mittels Laservibrometrie und die folgende Bearbeitung der Daten wird ausführlich beschrieben. Die realen Schnelle- und Auslenkungssignale werden mit der Prädiktion der Lautsprechermodelle verglichen und anhand einer statistischen Auswertung eines Evaluationsdatensatzes werden die Modelle hinsichtlich ihrer Vorhersagegenauigkeit und ihres Fehlers gegenübergestellt. Aufbauend auf einer erfolgreichen Prädiktion der Membranschnelle wird ein Verfahren entwickelt, mit dem die bei einer Anregung mit einem Einzelsinuston entstehenden harmonischen Verzerrungen reduziert werden. Die Reduktion des Klirrfaktors wird im Schalldruck durch akustische Messungen nachgewiesen.