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University of Parma. Sound Quality Assessment IPA and IQSB methods. Quality assessment - previous methods. Subjective Index (IPA / Index of Performance - Audition): Questionnaire compiled “on paper” during a listening test inside the car 6 questions, opposite-attributes scale with 5 marks - PowerPoint PPT Presentation
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Sound Quality AssessmentSound Quality AssessmentIPA and IQSB methodsIPA and IQSB methods
Universityof Parma
|| Page Page 2218.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Quality assessment - previous methods
Subjective Index (IPA / Index of Performance - Audition):
⇨ Questionnaire compiled “on paper” during a listening test inside the car
⇨ 6 questions, opposite-attributes scale with 5 marks⇨ Rated separately for front and rear seats⇨ Pre-defined set of music samples (ASK Listening Disk)⇨ The total score is a weighted sum of the responses – the weight
factors are variable, depending on the estimated reliability of each subject
⇨ The analysis of the questionnaires is performed automatically by a software
Objective Index (IPM / Index of Performance – Measured):
⇨ Based on traditional measurements:
⇨ Single omnidirectional microphone
⇨ Steady-state frequency response with pink noise signal
⇨ “confort” target curve
⇨ Evaluation based on spectral-related parameters (flatness, adherence to the target, smoothness, etc.)
⇨ The total score is a weighted sum of the above objective parameters
⇨ The weighting factorsand the “target curve” have been obtained in order to align as closely as possible the values of IPM and IPA, for a set of 30 different cars
|| Page Page 3318.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
In-car listening tests
Compilation of IPA questionnaire
|| Page Page 4418.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
In-car listening tests
The IPA software
|| Page Page 5518.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Calculation of the IPA scoreCalculation of the IPA score
IPA is a double-weighted average of the responses to each question of each questionnaire:
j
K
1j
6
1iij,i SwxIPA
xi,j is the response to the question i on the questionnaire j (in the range 1..9),
wi is the weight given to each question, Sj is the weight computed for each
questionnaire.Question weights
w1 = 0.2 w2 = 0.1 w3 = 0.1
w4 = 0.15 w5 = 0.25 w6 = 0.2
Computation of Sj is based on the deviation of the 6th response from the value expected from the first 5.
We first define the unnormalized weights Tj as
And thereafter we obtain the normalized coefficients Sj :
5
1ii
5
1iij,i
j,6j
w
wx
x9T
K
1ss
jj
T
TS
|| Page Page 6618.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Validation of the IPA testValidation of the IPA test
3 Fiat Punto cars, equipped with different sound , were rated by:A panel #1 constituted of 8 selected subjects chosen among ASK employeesA panel #2 constituted of 23 unselected students of the Engineering FacultyThe comparison of the responses gave these results of the IPA score:
Sound n. Panel #1 (experts) Panel #2 (students)
1 3.1 3.9
2 5.6 5.7
3 7.6 6.9
|| Page Page 7718.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Some IPA resultsSome IPA resultsN Segment Model year Level Manufacturer IPA front IPA rear
1 B Punto HGT 1999 HI-FI ASK 6.80 5.40
2 B Lancia Y 1998 Standard ASK 5.30 4.90
3 B PG 206 3P 2000 HI-FI ASK 7.47 7.01
4 B Punto 6 lspkr 1999 Standard ASK 6.08 4.64
5 B Opel Corsa 6 Altop 2000 Standard FAITAL 5.47 4.53
1 C Ford Focus 1999 Standard Visteon 6.20 6.14
2 C Fiat 192 5P (prot P135) P135 HI-FI ASK 7.87 7.10
1 D AR 156 PW - HI-FI ASK 7.48 6.72
2 D AR 156 Berlina 1998 Standard ASK 6.47 5.6
3 D AR 156MY 2001 BN - Standard ASK 7.04 6.49
4 D AR 156MY Berlina - Sound ASK 7.86 7.01
5 D AR 156MY Berlina - Sound ASK 7.98 7.63
6 D BMW serie 3 2000 Standard NOKIA 6.28 4.82
7 D Lancia Libra BN 2000 Sound Bose 7.62 7.63
1 E Audi A6 Avant 1998 HI-FI ASK 7.49 nv
2 E Audi A6 Avant 1999 HI-FI Blaukpunt\Nokia 6.00 5.80
3 E Audi A8 1999 Sound Bose 8.03 7.16
4 E Peugeot 406 Coupè 1999 Sound JBL 5.80 6.60
5 E Peugeot 406 Coupè 1999 Sound ASK 7.02 6.43
6 E Alfa Romeo 166 - Sound Nokia 6.00 4.89
1 H Maserati 338 - Sound ASK 7.28 6.66
2 H Maserati 338 - Standard ASK 6.63 5.97
3 H Audi TT 1998 Sound Bose 8.09 nv
4 H Ferrari F360 spyder - Sound ASK 7.51 nv
5 H Ferrari F360 coupè - Sound ASK 8.01 nv
|| Page Page 8818.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Virtual listening
Listening room
|| Page Page 9918.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Virtual listening room
Goals:⇨ Fast comparison between different car audio s⇨ Capability of detecting very subtle differences
Reasons:⇨ The tests cannot be done inside cars because of the large
time required for switching and the impossibility to have many cars simultaneously in the lab.
⇨ In-car tests are feasible only in silent conditions (no rolling or engine noise)
Features:⇨ Fast switch between different recordings⇨ Large data base of cars, including unique samples no more
available⇨ The listening room reproduce faithfully the tracks binaurally
recorded in the car and can superpose realistic background noise.
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Virtual listening room
Plan of the listening room:
Stereo Dipole Front
Stereo Dipole Rear
Surround loudspeake
rCentral Channel
|| Page Page 111118.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Audiosource
CLL
CRR
CLR
CRL
Direct path
Cross-talk paths
SR
SL
R
L
+
+
HRR
HRL
HLR
HLL
R
L
Digital Signal Processor
Inverse filters are designed using Kirkeby’s theory and proper software: Adobe Audition and Aurora plug-ins.
Cross-talk cancellation
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Automatic collection of questionnaires by software
Virtual listening
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Objective Quality Assessment
Goals:
⇨Get “objective” results from listening tests
⇨Rank different sound s in terms of “acoustic quality”
⇨Evaluate the subjective factors affecting the perceived quality
⇨Analyze the relationship between subjective factors and objective parameters
⇨Estimate the subjective performance from objective measurements
⇨Provide a feedback to the design of components/s in order to maximize the perceived quality
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Quality assessment - new method
IQSB single-number score of sound quality
⇨ Measurement of impulse response with a dummy head
⇨ Three spectral parameters (based on AQT)
⇨ One spatial parameter (IACC)
⇨ One localization parameter (ITD)
⇨ One distortion parameter (THD)
⇨ One voice presence parameter (energy ratio)
⇨ The total score is a weighted sum of the above objective parameters
⇨ The weighting factors have been obtained in order to align as closely as possible the values IQSB with the results of subjective tests, performed on two sets of 10 different cars
|| Page Page 151518.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Definition of IQSB
Subjective evaluation parameters:• Intensity of Sound and SPL MAX.• Distortion.• Spectral attributes.• Spatial attributes .• Speech clarity and intelligibility.• Low frequency quality.• Articulation and clarity of sound (Fidelity)
Objective Parameters• Dynamic response of car inside (AQT Method) – target
curve, uniformity• Articulation and energy recovery at low frequency (AQT)• Distortion parameters • Spatial parameters (IACC and localization index)• Speech clarity (STI)
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Objective measurements
Measurement :
⇨ Needs a Binaural Dummy Head and a professional soundcard
⇨ The audio is stimulated by a series of test signals stored on a CD
⇨ The measure takes 15 min
⇨ A series of parameters are extracted from this measure
⇨ The post processing takes 15 min
Global Results:
⇨ The correlation between subjective and objective indexes is high (R2 = 0.8)
⇨ This method can evaluate the performance of every type of (including 5.1 ) thanks to spatial parameters
Other interesting Results:
⇨ A distortion parameter able to characterize the performance of the whole mounted in the car was developed based on sweep signal test
⇨ A great correlation with subjective perceived distortion was achieved
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1. Scarto Medio STATICOScostamento, nella risposta in frequenza “steady-state”, dalla Curva di Comfort Statica presa come riferimento
Curva Target 1Rilevata su vetture di segmenti B e C
Curva Target 2Rilevata su vetture di segmenti D e E
Analisi delle FRF del DataBase vetture rispetto alle curve
target
Analisi delle FRF del DataBase vetture rispetto alle curve
target
Objective parameters for IQSB
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2. Scarto Medio DINAMICOScostamento, nell’overshoot di risposta ai burst, dalla Curva di Comfort Dinamica presa come riferimento
Curve Target Le stesse dello scarto medio STATICO
33 msOvershoot
Input
Output
f
OvershootOgni burst è costituito da una tono puro di durata pari a 200ms, secondo quanto indicato da Zwicker. I toni vengono generati secondo un andamento di tipo logaritmico (Formule di Tramuller e Terdhardt). La misura del picco di overshoot relativo ad ogni burst può essere plottata vs. il valore di frequenza corrispondente
Objective parameters for IQSB
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3. Uniformità Spettrale DINAMICAValutazione dell’uniformità spettrale dello scarto dinamicoVengono penalizzate vetture con scarti molto concentrati in specifiche zone in frequenza
200 2.000 20.000
OPERAZIONI EFFETTUATE:
1) Differenza fra:• Scarto medio STATICO alle basse frequenze vs. quello
alle medie frequenze (I)• Scarto medio STATICO alle basse frequenze vs. quello
alle alte frequenze (II)• Scarto medio STATICO alle medie frequenze vs. quello
alle alte frequenze (III)
2) Somma delle differenze di cui sopra
SE la somma delle differenze è BASSA – idealmente pari a zero – significa che gli scarti sono molto simili fra loro BUONA Uniformità Spettrale
SE la somma è ALTA significa che gli scarti sono molto diversi fra una zona in frequenza e l’altra SCARSA Uniformità Spettrale
OPERAZIONI EFFETTUATE:
1) Differenza fra:• Scarto medio STATICO alle basse frequenze vs. quello
alle medie frequenze (I)• Scarto medio STATICO alle basse frequenze vs. quello
alle alte frequenze (II)• Scarto medio STATICO alle medie frequenze vs. quello
alle alte frequenze (III)
2) Somma delle differenze di cui sopra
SE la somma delle differenze è BASSA – idealmente pari a zero – significa che gli scarti sono molto simili fra loro BUONA Uniformità Spettrale
SE la somma è ALTA significa che gli scarti sono molto diversi fra una zona in frequenza e l’altra SCARSA Uniformità Spettrale
(I)(II)
(III)
Objective parameters for IQSB
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4.Fattore di MERITO e Indici di BOOM (DINAMICO)Descrivono il comportamento del sistema in bassa frequenza
Fattore di (DE)MERITO:Rapporto fra il picco massimo degli overshoot di risposta ai burst e l’energia sottesa dalla curva nell’intervallo [0-200] Hz
Tanto più è alto tanto più il sistema in esame è “risonante” e disomogeneo. In corrispondenza di risonanze ad elevata energia si hanno tipicamente nella risposta in frequenza picchi evidenti
Indice di RIMBOMBO:Analogo al fattore di merito, ma il rapporto viene fatto sullo scarto DINAMICO dalla curva target anziché direttamente sugli overshoot di risposta
Objective parameters for IQSB
25 32 40 50 63 80 100 125 160 200
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
TOYOTA Yaris
ALFA 156sw
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5. Indice di FRASTAGLIATURA e Indice di CRESTAIndicatori di IRREGOLARITA’ della curva di risposta in frequenza
Indice di FRASTAGLIATURA:Rapporto – in termini di “zero crossing” – fra la curva in 1/24 di ottava e la corrispondente curva in 1/3 di ottava preventivamente “lisciata”
Tanto più è alto tanto più il sistema in esame è frastagliato ed irregolare nella sua risposta in frequenza – Teoria di David Clark
Indice di CRESTA:Come l’indice di frastagliatura ma vengono tenuti in conto soltanto scostamenti fra la curva in 1/24 e quella in 1/3 superiori a 3 dB
Esempio Alfa 156
Curva in 1/24 di ottavaCurva in 1/3 di ottava (dopo smoothing)
L’alto numero di “zero crossing” indica una risposta in frequenza molto irregolare ed instabile
Objective parameters for IQSB
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
21 30 43 61 84 113
152
202
267
351
460
602
786
1025
1332
1733
2253
2927
3802
4936
6407
8312
1078
4
1398
9
1814
6
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6. ARTICOLAZIONEIndicatore dei tempi di dissipazione dell’onda acustica in abitacolo
Valore di ARTICOLAZIONE:Misura sull’intero spettro del decadimento energetico della risposta nei 33 ms seguenti la fine del burst. Dopo la fine del burst relativo ad ogni sinusoide riprodotto in abitacolo si contano 33 msec e si misura il livello acustico interno, tale valore viene confrontato con il livello in SPL durante la presenza del burst.
Condizionale:Quando tale valore supera i 20 dB di decadimento, il risultato viene comunque posto a 20 dB (in base alla teoria secondo cui un decadimento superiore non viene percepito – Curve di Zwicker – Il sistema necessita di 33 ms per riacquistare completamente la sua sensibilità in seguito a un Burst di 200ms)
Peso:Viene dato maggior peso all’articolazione in bassa frequenza
33 ms
Articolazione
Input
Output
Un alto livello di Articolazione – ovvero un alto livello in dB di decadimento dell’onda nei 33 ms successivi – è indice di pulizia del suono riprodotto in quanto non dovrebbe esserci interferenza fra il riverbero di un suono ed il suono successivo – NON SI HA EFFETTO DI MASCHERAMENTO ACUSTICO
Un alto livello di Articolazione – ovvero un alto livello in dB di decadimento dell’onda nei 33 ms successivi – è indice di pulizia del suono riprodotto in quanto non dovrebbe esserci interferenza fra il riverbero di un suono ed il suono successivo – NON SI HA EFFETTO DI MASCHERAMENTO ACUSTICO
Objective parameters for IQSB
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7. Rapporti Armonici…Indicatori di presenza ed entità di fenomeni di distorsione
t
fComponente non distorta
Distorsione di 3a
armonica
Distorsione di 2a
armonica
Diagramma tempo-frequenza della risposta alla sweepata
Separazione della componente lineare dalle armoniche:
Deconvoluzione del Segnale misurato
rispetto al segnale di test di tipo
sweep logaritmico -> Ricavo la IR
armonica e le IR distorte
Spiegazione:
Nella misura vengono rilevate le
componenti di distorsione del segnale
(segnale a frequenza doppia, tripla,
etc. di quello originale).
La procedura di deconvoluzione della
sweeppata trasforma sia la
componente linearee, sia queste
componenti armoniche, in risposte
all’impulso
Componente non distorta
Distorsione di 2a
armonica
Distorsione di 3a
armonica
Objective parameters for IQSB
|| Page Page 242418.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
8. IMD: distorsione di intermodulazioneIndicatori di presenza di intermodulazioni nelle frequenze medio-alte causate da toni a bassa frequenza. Toni di intermodulazione ad elevata energia provocano MASCHERAMENTO ACUSTICO della portante.
Sia fp la frequenza della portante e f1 la frequenza del tono in bassa frequenza. In caso di intermodulazione si avranno nello spettro dei toni in corrisponsenza delle frequenze “fp-f1” e “fp+f1”
fp fp+f1fp-f1
Objective parameters for IQSB
|| Page Page 252518.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
9. THD+NTotal Harmonic Distorsion + NoiseRapporto, nel segnale di risposta, fra l’energia della portante e l’energia del pettine armonico completo (armoiche pari e dispari). Il segnale di input può essere costituito da:•Burst di Toni puri (6 frequenze caratteristiche per la portante)•Sweppata (portante mobile)
NORMALE: …PESATO: …PESATO NORMALIZZATO: …TOTAL POWER > 5%: si tengono in considerazione i valori di distorsione solo se questi superano il 5% del totale
SWEEPSu tutto lo spettro BURST Alle 6 frequenze caratteristiche
Objective parameters for IQSB
|| Page Page 262618.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
10. Spazialità e Localizzazione
NCC: cross-correlazione fra i microfoni L e R
IACC: massimo di correlazione fra i 2 segnali0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.001
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Correlazione con il segnale “original
measured”
In questo caso i parametri di spazialità e localizzazione vengono correlati con le
condizioni ideali di risposta del manichino in camera anecoica (curva più esterna del
grafico sopra)
CLASSICO: segnale inviato contemporaneamente sui due canali
LR: viene mandato il segnale mono separatamente sui due canali e valutata la coerenza di risposta fra le due orecchie
Tau IACC: istante in cui cade il massimo di IACC (tau = 0 indica un suono di provenienza frontale)
ITD (Interaural Time Difference): misura del ritardo dei tempi di arrivo del fronte dell’onda nei due canali uditivi
ILD (Interaural Level Delay): misura le differenze di livello sui due orecchi da un fronte d’onda costituito da un segnale rotante ricavato dalla HRTF di una dummy-head
WightSpot: dimensione dello spot di cross-correlazione disegnato sul grafico a radar
Objective parameters for IQSB
|| Page Page 272718.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
Final computation of IQSB
Indice IQSB = 2.25347
+ 0.30812 * Fedeltà
+ 0.29467 * Carattere
+ 0.23624 * Bilanciamento
- 0.03757 * Voce
con
Fedeltà = 3.57034
+ 7.35195 * Corr_ITDoriginal_measured (1)
- 0.90615 * Sca_med_CT2_Con_din_Bil_LR (2)
Bilanciamento = 10.79661
- 5.34142 * Ind_rimb_Bil_din_CT2_Nor_LR (3)
- 0.67898 * Sca_med_CT2_Con_din_Bil_LR (4)
- 0.15377 * Unif_med_CT2_con_din_Bil_Both (5)
Carattere = 8.01174
+ 4.221710 * Corr_ITDoriginal_measured (6)
- 15.96017 * IACCclassicostereo (7)
- 94.97403 * THD80_Total_Pesato_Sweep_Norm (8)
Voce = Ener_rel_voce_IR_sta_per_LR (9)
|| Page Page 282818.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
IQSB verification
Verification of the matching between Objective/Subjective indexes (R² = 0.80)
Subjective score (IPA)
Objective score (IQSB)
R2 = 0.87
|| Page Page 292918.05.200618.05.2006 Angelo FarinaAngelo Farina UNIPR / ASK IndustriesUNIPR / ASK Industries || A All Rights Reservedll Rights Reserved || ConfidentialConfidential
ConclusionsConclusions
It was necessary to derive new physical descriptors, better It was necessary to derive new physical descriptors, better correlating with the human listening experience inside a correlating with the human listening experience inside a car.car.
Three physical parametrs revealed to be more correlated Three physical parametrs revealed to be more correlated with subjective responses: IACC, STI and AQTwith subjective responses: IACC, STI and AQT
Modern methods have been employed for automated Modern methods have been employed for automated collection of questionnaires, boith inside cars and in a collection of questionnaires, boith inside cars and in a special listening roomspecial listening room
By statisticanal analysis of the responses, it was possible By statisticanal analysis of the responses, it was possible to find good correlation with objective quantities, and to to find good correlation with objective quantities, and to derive a simple mathematical model providing a score base derive a simple mathematical model providing a score base don the measurmeemnt results which stricly matches the don the measurmeemnt results which stricly matches the score obtained by listening tests.score obtained by listening tests.