Entwicklung und Optimierung eines binauralen Faltungs-Plugins zur Simulation einer mehrkanaligen Lautsprecheranordnung im Kopfhörer-Mix

Abstract

Die realistische räumlich Wiedergabe von Audiosignalen über Kopfhörer erfordert Verfahren, die die akustischen Eigenschaften realer Lautsprecherumgebungen präzise simulieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines binauralen Faltungs-Plugins, das monaurale Raumimpulsantworten in Kombination mit Head-Related Transfer Functions (HRTFs) zu einem immersiven Kopfhörer-Mix verarbeitet. Das unter dem Namen HAW Binaural Lab entwickelte Audio-Plugin integriert eine modulare Audio-Engine auf Basis des JUCE-Frameworks, welche die Faltung von Eingangssignalen mit gemessenen Raumimpulsantworten und deren anschließende Binauralisierung unter Verwendung externer C++-Bibliotheken ermöglicht. Für die Untersuchung wurden zwei Studioumgebungen mit unterschiedlicher Lautsprecheranordnung erfasst: ein Studio mit drei Lautsprecherpaaren sowie ein 33.2- Lautsprecher-Array für Ambisonics-Anwendungen. Die Lautsprecher-Layouts und zugehörigen Parameter wie Position, Gain und Delay werden über externe JSONDateien definiert, wodurch das Plugin flexibel erweiterbar bleibt. Zur Optimierung wurden Effizienz, Latenz und Klangkonsistenz in verschiedenen Konfigurationen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Signal-verarbeitung auch bei komplexen Mehrkanal-Layouts stabil arbeitet und eine konsistente binaurale Wieder-gabe gewährleistet. Insgesamt bestätigt die Arbeit, dass das entwickelte Plugin eine praxisnahe und leicht erweiterbare Lösung zur Simulation mehrkanaliger Lautsprecheranordnungen über Kopfhörer bietet. Es schafft die Grundlage für zukünftige Erweiterungen wie Head-Tracking, individuelle HRTF-Profile und zusätzliche Raumkonfigurationen.

The realistic spatial reproduction of audio signals over headphones requires techniques that accurately simulate the acoustic characteristics of real loudspeaker environments. The objective of this thesis is the development of a binaural convolution plugin that processes monaural room impulse responses in combination with head-related transfer functions (HRTFs) to create an immersive headphone mix. As part of this work, the HAW Binaural Lab audio plugin was developed, integrating a modular audio engine based on the JUCE framework. It enables the convolution of input signals with measured room impulse responses and their subsequent binaural rendering using external C++ libraries. Two studio environments with different loud-speaker configurations were captured for evaluation: one studio equipped with three stereo loudspeaker pairs and another with a 33.2 loudspeaker array designed for Ambisonics applications. The loudspeaker layouts and associated parameters such as position, gain, and delay are defined via external JSON files, allowing for flexible extension without code modification. Optimization focused on efficiency, latency, and acoustic consistency across configurations. The results demonstrate that the signal processing pipeline remains stable even for complex multichannel setups and ensures consistent binaural rendering quality. Overall, the study confirms that the developed plugin provides a practical and easily extendable solution for simulating multi-channel loudspeaker setups over headphones. It establishes a foundation for future extensions such as head tracking, personalized HRTF profiles, and additional room configurations.