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The following student projects were performed by different students as part of their advanced studies in electrical engineering, computational engineering, and/or information technology at the University of Erlangen-Nuremberg. These projects were mandatory requirements for the studies of the respective students and were all supervised by Stefan Petrausch. The students worked three to six months full-time and finished their projects with a student thesis, which represents the detailed description of the work done. More information together with some downloadable pdf-files is available on the sites of the chair of multimedia comminications and signal processing (abbr.:LMS).
As all these student projects are mandatory requirements for a german diploma, their description unfortunately is only available in german language.
| Title: | Digital Sound Synthesis: Simulation of curved two-dimensional oscillating Objects
Digitale Klangsynthese: Simulation von gekrümmten zweidimensionalen Klangkörpern |
| Student: | Tilman Koch |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: | Zur künstlichen Erzeugung musikalischer Klänge werden in den letzten Jahren vermehrt Algorithmen zur physikalischen Modellierung verwendet. Diese Algorithmen basieren auf kontinuierlichen Modellen, die das Schwingungsverhalten von Saiten, Membranen oder Luftsäulen annähern. Die kontinuierlichen Modelle werden meist in Form von partiellen Differentialgleichungen (PDG) dargestellt, die aber nicht direkt im Rechner gelöst werden können. Eine am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung entwickelte Darstellungsform der kontinuierlichen Modelle sind mehrdimensionale Übertragungsfunktionen, die nach der Diskretisierung effektiv im Rechner implementiert werden können.
Aufgabe dieser Diplomarbeit ist die Untersuchung von gekrümmten zweidimensionalen Klangkörpern. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Dicke des Materials vernachlässigbar klein ist gegenüber der Länge und Breite, wodurch man ein örtlich zweidimensionales Problem erhält, welches ohne Krümmung der Oberfläche bereits am Lehrstuhl gelöst wurde.
Es sollen dazu einige in der Literatur gegebenen Beispiele, wie Klangschalen, Gläser und Röhren, aber auch Trommel- und Paukenkörper herangezogen werden. Nach der Anwendung der am Lehrstuhl entwickelten Algorithmen, sollen diese dann zur Verifikation in einer geeigneten Programmiersprache implementiert werden. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird dabei besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Simple Modeling of Binaural Room Impuls Responses for Audio Playback via Headphones
Einfache Modellierung von binauralen Raumimpulsantworten für die Wiedergabe von Audiosignalen über Kopfhörer |
| Student: | Anxiong Yang |
| Supervisor: | Jan Plogsties, Bernhard Neugebauer, Rudolf Rabenstein, and Stefan Petrausch |
| Info: |
Binaurale Raumimpulsantworten repräsentieren die Übertragung von einer Schallquelle
im Raum bis zum Gehörgang eines Hörers. Durch ihre Anwendung kann man bei der
Kopfhörerwiedergabe von Audiosignalen eine realistische Wahrnehmung von Richtung
und Entfernung von Schallquellen erreichen. Da binaurale Raumimpulsantworten im
Allgemeinen sehr lang sind, ist die Rechenkomplexität für ein Implementierung als FIRFilter
relativ hoch. Realistische binaurale Raumimpulsantworten beruhen meist auf
Messungen, so dass die Signalverarbeitung für die Audiowiedergabe schlecht an
bestimmte Hörer- oder Raumeigenschaften angepasst werden kann.
In der Studienarbeit sollen einfache Modelle zur Realisierung von binauralen
Raumimpulsantworten untersucht werden, die recheneffizient und flexibel sind. Diese
Modelle enthalten einerseits ein einfaches Raummodell zur Nachbildung der
Raumakustik und andererseits kopfbezogene Raumimpulsantworten (head related
impulse reponses) zur Nachbildung der örtlichen Filterung am Kopf der Hörer. Das
Raummodell soll lediglich die Quellen-Lokalisierung unterstützen und besteht aus dem
Direktschallanteil und einigen frühen Raumreflektionen. Hier sollen zwei Ansätze
untersucht werden: Ein Spiegel-quellenmodell, das auch räumliche Informationen über
die Richtung der Reflektionen liefert und ein wahrnehmungsbasiertes Modell aus der
Literatur. Die kopfbezogenen Raumimpulsantworten sind einer öffentlich zugänglichen
Datenbank zu entnehmen.
Eine geeignete Simulationsumgebung ist mit MATLAB zu erstellen. Die subjektive
Qualität der modellierten binaurale Raumimpulsantworten soll durch einen Hörversuch
untersucht werden. Kriterien sind dabei sowohl die Lokalisation als auch die allgemeine
Klangqualität (Präferenztests). Optional können die entwickelten Verfahren optimiert
werden, um sie als C/C++ Code zu realisieren.
Die verwendeten Modelle, ihrer Umsetzung in Algorithmen und die erzielten Ergebnisse
sind ausführlich und verständlich zu beschreiben. Alle Programme sind gründlich zu
dokumentieren.
Die Studienarbeit wird teilweise am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen unter
der dortigen Betreuung von Herrn Jan Plogsties und Herrn Bernhard Neugebauer
durchgeführt.
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| Title: | Development of a Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugin for Digital Sound Synthesis of Brass Instruments
Entwicklung eines Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugins zur Klangsynthese von Blechblasinstrumenten |
| Student: | Ewald Hedrich |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung wurde die Funktionaltransformationsmethode erfolgreich zur digitalen Klangsynthese von Blechblasinstrumenten angewandt. Dabei wird im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden vollkommen auf aufgenommene Klänge verzichtet und statt dessen ein rein physikalisches Modell des schwingenden Systems aufgestellt und mit Hilfe von geeigneten Transformationen diskretisiert und gelöst. Vorteil der Methode ist dabei der direkte Eingriff in die physikalischen Eigenschaften des simulierten Systems. Dadurch kann der synthetisierbare Klangraum wesentlich erweitert werden. Die resultierende Algorithmen wurden bisher in MATLAB implementiert, was allerdings keinerlei Echtzeitfunktionalität gewährleistet. Um die entwickelten Algorithmen dem Anwender, also dem Musiker, näherzubringen ist nun geplant eine Realisierung als Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugin zu erstellen.
Die Aufgabe dieser Studienarbeit ist daher die Implementierung eines nativen Echtzeitdemonstrators zur Klangsynthese von Blechblasinstrumenten in Form eines VST Plugins. Als Hardware-Plattform dient ein handelsüblicher Personal Computer ohne spezielle Audio-Hardware. Dabei soll ausgehend von den vorhandenen Algorithmen und MATLAB-Skripten eine voll MIDI-fähige Realisierung mit einem passenden grafischem Interface entstehen, die die Vorteile der Methode technisch weniger versierten Nutzern nahe bringt.
Entwicklungsumgebungen und Dokumentationen stehen am Lehrstuhl ausreichend zur Verfügung. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Block-Based Implementation of a Model for Digital Sound Synthesis of Brass Instruments
Block-basierte Implementierung eines Modells zur Klangsynthese von Blechblasinstrumenten |
| Student: | Matthias Ehm |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung wird
seit einger Zeit erfolgreich die Funktionaltransformationsmethode zur
digitalen Klangsynthese durch physikalische Modellierung angewandt.
Dabei konnten bereits die verschiedensten Musikinstrumente modelliert
und simuliert werden, darunter Saiteninstrumente jeglicher Art, Trommeln
und Pauken, und seit einiger Zeit auch Trompeten.
Um die Anzahl der simulierten Instrumente noch entscheidend zu
vergrößern und um die Algortihmen noch flexibler zu gestalten, wurde vor
Kurzem eine Methode zur Block-basierten Modellierung entwickelt. Dabei
ist es möglich das gesamte Musikinstrument in elementare Blöcke
aufzuteilen, die erst wieder während der Simulation zu einem Ganzem
zusammengefgt werden. Damit diese Methode im Rechner realisiert werden
kann, müssen alle Blöcke mit sogenannten Wellen-Variablen kommunizieren,
wozu am Lehrstuhl eine allgemeine Methode entwickelt wurde. Für die
korrekte Interaktion zwischen den Blöcken steht ebenfalls am Lehrstuhl
eine fertig implementierte Lösung zur Verfügung, der sogenannte "Binary
Connection Tree", der im Rahmen einer Zusammenarbeit an der Politecnico di
Milano in Mailand entwickelt wurde.
Aufgabe dieser Bachelorarbeit ist es nun, die vorhandenen Algorithmen
zur Simulation von Blechblasinstrumenten den Bedürfnissen einer
Block-basierten Realisierung anzupassen. Das Modell ist in sinnvolle
Blöcke aufzuteilen, von denen jeder einzeln als Plugin für den "Binary
Connection Tree" zu implementieren ist. Entwicklungsumgebungen und
Dokumentationen stehen am Lehrstuhl ausreichend zur Verfügung. Auf
übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche
Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Development of a Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugin as a Native Real-time Demonstrator for Digital Sound Synthesis
Entwicklung eines Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugins als nativen Echtzeitdemonstrator zur Klangsynthese |
| Student: | Daniel Maaß |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung wird seit einger Zeit erfolgreich die Funktionaltransformationsmethode zur digitalen Klangsynthese durch physikalische Modellierung angewandt. Dabei wird im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden vollkommen auf aufgenommene Klänge verzichtet und statt dessen ein rein physikalisches Modell des schwingenden Systems aufgestellt und mit Hilfe von geeigneten Transformationen diskretisiert und gelöst. Vorteil der Methode ist dabei der direkte Eingriff in die physikalischen Eigenschaften des simulierten Systems. Dadurch kann der synthetisierbare Klangraum wesentlich erweitert werden. Die resultierende Algorithmen wurden bisher für spezielle Hardware und in einigen Linux-Anwendungen implementiert. Zur besseren Kompatibilität mit vorhandener Synthesizer-Software ist jedoch auch eine Realisierung als Steinberg Virtual Studio Technology (VST) Plugin notwendig. Die Aufgabe dieser Bachelor-Arbeit ist daher die Implementierung eines nativen Echtzeitdemonstrators zur Klangsynthese in Form eines VST Plugins. Als Hardware-Plattform dient ein handelsüblicher Personal Computer ohne spezielle Audio-Hardware. Dabei soll ausgehend von den vorhandenen Algorithmen eine voll MIDI-fähige Realisierung mit einem passenden grafischem Interface entstehen, die die Vorteile der Methode technisch weniger versierten Nutzern nahe bringt. Entwicklungsumgebungen und Dokumentationen stehen am Lehrstuhl ausreichend zur Verfügung. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Digital sound synthesis of clarinets by physical modeling
Digitale Klangsynthese von Klarinetten durch physikalische Modellierung |
| Student: | Thomas Peinelt |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Zur künstlichen Erzeugung musikalischer Klänge werden in den letzten Jahren vermehrt Algorithmen zur physikalischen Modellierung verwendet. Diese Algorithmen basieren auf kontinuierlichen Modellen, die das Schwingungsverhalten von Saiten, Membranen oder Luftsäulen annähern. Die kontinuierlichen Modelle werden meist in Form von partiellen Differentialgleichungen (PDG) dargestellt, die aber nicht direkt im Rechner gelöst werden können. Eine am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung entwickelte Darstellungsform der kontinuierlichen Modelle sind mehrdimensionale Übertragungsfunktionen, die nach der Diskretisierung effektiv im Rechner implementiert werden können.
Aufgabe dieser Studienarbeit ist den für Blechblasinstrumente bereits bestehenden Algorithmus zur Implementierung von schwingenden Luftsäulen, den Anforderungen von Holzblasinstrumenten, speziell Klarinetten, anzupassen und zu erweitern. Dazu soll weiterhin von einer örtlich eindimensional schwingenden Luftsäule ausgegangen werden, die in diesem Fall allerdings durch mehrere Bohrungen unterbrochen ist. Für den Anregungsmechanismus sollen entsprechende physikalische Modelle, die in der Literatur bereits bei anderen Klangsynthese-Methoden angewandt werden, herangezogen und den Bedürfnissen des Algorithmus angepasst werden.
Das Gesamtmodell soll nach der Anwendung der am Lehrstuhl entwickelten Methoden mit Hilfe einer geeigneten Programmiersprache implementiert werden. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Digital Sound Synthesis with nonlinear, two-dimensional oscillating Systems
Digitale Klangsynthese mit nichtlinearen zweidimensionalen Klangerzeugern |
| Student: | Bing Leng |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Zur künstlichen Erzeugung musikalischer Klänge werden in den letzten Jahren vermehrt Algorithmen zur physikalischen Modellierung verwendet. Diese Algorithmen basieren auf kontinuierlichen Modellen, die das Schwingungsverhalten von Saiten, Membranen oder Luftsäulen annähern. Die kontinuierlichen Modelle werden meist in Form von partiellen Differentialgleichungen (PDG) dargestellt, die aber nicht direkt im Rechner gelöst werden können. Eine am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung entwickelte Darstellungsform der kontinuierlichen Modelle sind mehrdimensionale Übertragungsfunktionen, die nach der Diskretisierung effektiv im Rechner implementiert werden können.
Aufgabe dieser Studienarbeit ist es, die bereits bestehenden Modelle für lineare, örtlich zweidimensionale Membranen und nichtlineare, örtlich eindimensionale Saiten zu kombinieren. Ziel ist ein recheneffizienter und realistischer Algorithmus für nichtlineare zweidimensionale Klangerzeuger, wie sie bei den meisten Percussion- und Schlaginstrumenten auftreten.
Der resultierende Algorithmus müsste in der Programmiersprache C implementiert werden und sollte so weit wie möglich in einen bereits bestehenden Demonstrator für schwingende Membranen eingebettet werden. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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| Title: | Digital Sound Synthesis of Brass Instruments by Physical Modeling
Digitale Klangsynthese von Blechblasinstrumenten durch physikalische Modellierung |
| Student: | Bernhard Krach |
| Supervisor: | Stefan Petrausch and Rudolf Rabenstein |
| Info: |
Zur künstlichen Erzeugung musikalischer Klänge werden in den letzten Jahren vermehrt Algorithmen zur physikalischen Modellierung verwendet. Diese Algorithmen basieren auf kontinuierlichen Modellen, die das Schwingungsverhalten von Saiten, Membranen oder Luftsäulen annähern. Die kontinuierlichen Modelle werden meist in Form von partiellen Differentialgleichungen (PDG) dargestellt, die aber nicht direkt im Rechner gelöst werden können. Eine am Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung entwickelte Darstellungsform der kontinuierlichen Modelle sind mehrdimensionale Übertragungsfunktionen, die nach der Diskretisierung effektiv im Rechner implementiert werden können.
Aufgabe dieser Studienarbeit ist es, den für örtlich eindimensionale Saiten sowie für zweidimensionale Membranen bereits bestehenden Algorithmus zur recheneffektiven Lösung von Schwingungsvorgängen auf schwingende Luftsäulen auszuweiten. Dabei wird angenommen, dass die Luftsäule nur in einer Richtung schwingt, das Problem also auf eine örtliche Dimension reduzierbar ist. Die nichtlineare Anregungsfunktion soll dabei möglichst detailgetreu realisiert werden, um einen realistischen Klang zu simulieren.
Dieses Modell soll nach der Anwendung der am Lehrstuhl entwickelten Methoden mit Hilfe einer geeigneten Programmiersprache implementiert werden. Auf übersichtliche und modulare Programmierung sowie ausführliche Dokumentation aller Programme wird besonderer Wert gelegt.
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