Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung

Ausstattung

Der Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung betreibt mehrere speziell ausgestattete Räume und besitzt eine große Anzahl an Spezialgeräten, um visuelle und auditive Signale reproduzierbar mit hoher Qualität aufnehmen, bearbeiten und wiedergeben zu können. Um die Herausforderungen die bei der Bearbeitung von Multimediasignalen auftreten meistern zu können, betreibt der Lehrstuhl eine leistungsfähige Computer-Infrastruktur, welche auch die Bearbeitung sehr aufwendiger Signalverarbeitungsaufgaben ermöglicht.


Der Videobetrachtungsraum des Lehrstuhls wird zur Evaluierung und Präsentation der Arbeiten, die am Lehrstuhl durchgeführt werden, verwendet und dient weiterhin zur reproduzierbaren Aufnahme und Wiedergabe von Video- und Audiosignalen. Um in dem Raum Tests zur subjektiven Qualitätsbeurteilung von Bild- und Videosignalen durchführen zu können, besitzt der Raum eine normgerechte Einrichtung und Farbgebung und es wurde besonderer Wert auf die Minimierung von Störgeräuschen und räumlichen Nachhall gelegt.


Der LMS verfügt über einen hallarmen Raum mit einer Innengrundfläche von 2,6 x 2,7 m und einer Innenhöhe von 2,37 m. Dieser Raum weist eine Nachhallzeit (T60) von nur ca. 50 ms auf und ermöglicht damit das Ausmessen von Richtcharakteristiken von Schallwandlern und Schallwandler-Arrays, sowie das Messen von kopfbezogenen Impulsantworten (Head-Related Transfer Functions, HRTFs). So werden in diesem Raum beispielsweise die HRTFs eines Kunstkopf als auch die eines humanoiden Roboters gemessen, um mit deren Hilfe die Eigenschaften des Kopfes bei der Entwicklung von entsprechenden Algorithmen, beispielsweise für digitale Hörgeräte oder Robot Audition, besser berücksichtigen zu können.


Bei der Entwicklung von Algorithmen für die Sprach- und Audiosignalverarbeitung spielt deren Evaluation unter unterschiedlichen, realen akustischen Bedingungen oft eine wichtige Rolle. Daher besitzt der LMS neben dem hallarmen Raum ein 2012 fertig gestelltes Akustiklabor, das für akustische Messungen, das Testen von Algorithmen sowie für Demonstrationen genutzt wird.

Ein besonderes Merkmal dieses 6,3 m x 4,9 m x 2,6 m großen Raumes ist, dass dessen akustischen Eigenschaften gezielt verändert werden können und dadurch reproduzierbar Nachhallzeiten im Bereich von 0,1 bis 0,7 Sekunden erreicht werden können. Dieses wird einerseits durch 80 vor den Wänden aufgestellten Absorberkästen erreicht. Darüber hinaus können auch unterschiedliche Deckenpaneele (Gipskarton-Paneele oder sog. Skyline-Elemente) angebracht werden um die Nachhallzeit zu beeinflussen.

An den Wänden des Akustiklabors sind 128 Lautsprecher installiert. Mit diesem Lautsprecher-Array ist es beispielsweise möglich eine Wellenfeldsynthese-System zu realisieren.


Im Rahmen der Lehre ist bei der Ausbildung unserer Studierenden die praktische Anwendung von theoretisch erworbenem Wissen von elementarer Bedeutung. Hierzu werden eine Vielzahl von Vorlesungen des Lehrstuhls durch Rechnerübungen und Praktika ergänzt, beziehungsweise erweitert. Um diese Lehrveranstaltungen direkt am Lehrstuhl abhalten zu können, betreibt der LMS einen großen Praktikumsraum mit Rechnerausstattung für bis zu 45 Personen. Der Raum ist ergonomisch eingerichtet und neben den üblichen Einrichtungen für die Lehre, wie zum Beispiel Whiteboard und Beamer ist der Raum auch mit einem interaktiven Whiteboard ausgestattet, welches neue didaktische Möglichkeiten eröffnet.


Die Entwicklung und Erforschung neuer Algorithmen aus dem Bereich der Multimediasignalverarbeitung geht sehr häufig mit komplexen Simulationen einher, welche sehr viel Rechenleistung benötigen. Oftmals ist es nicht mehr möglich, solche Simulationen auf Arbeitsplatzrechnern durchzuführen. Aus diesem Grund steht den Mitarbeitern und Studenten des Lehrstuhls ein Rechencluster zur Verfügung, der im Rahmen des Laboratoriums für Nachrichtentechnik betrieben wird. Das Rechencluster erreicht momentan eine Rechenkapazität von rund 15 TeraFLOPS, verteilt auf 552 CPU-Kerne


Neben den bereits erwähnten Einrichtungen betreibt der Lehrstuhl eine Vielzahl von Spezialgeräten um die verschiedenen Aufgaben, die sich im Bereich der Video- und Audiosignalverarbeitung ergeben, bearbeiten zu können. Nachfolgend soll hiervon eine kleine Auswahl vorgestellt werden.

Parallelrechner

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die hauptsächliche Steigerung der Leistungsfähigkeit von Computern durch die Verwendung vieler Rechenkerne erreicht wird. Die Verwendung von mehreren Rechenkernen für die parallele Verarbeitung der Daten stellt oftmals ganz neue Herausforderungen an die zu Grunde liegenden Signalverarbeitungsalgorithmen. Um Algorithmen entwickeln und testen zu können, die eine parallele Verarbeitung auf sehr vielen Kernen erlauben, stehen am Lehrstuhl mehrere spezielle Parallelrechner zur Verfügung.

GPU-Rechner

In vielen Anwendungsfeldern der Bildverarbeitung (z.B. Gesichtserkennung) und akustischen Signalverarbeitung (z.B. Spracherkennung) werden seit einigen Jahren komplexe Algorithmen parallelisiert auf Grafikkarten (Graphics Processing Units, GPUs) umgesetzt. Aus diesem Grund wurden im Lehrstuhlnetzwerk insgesamt drei Rechenstationen zur expliziten Verwendung von GPUs verbaut.

Autostereoskopisches 3D-Display mit 8-Kamera-Array

Seit dem Jahr 2009 besitzt der LMS ein autostereoskopisches 42”HD-Display der Firma Alioscopy. Das Display besitzt eine Auflösung von 1920 x 1080 Bildpunkten und unterstützt insgesamt acht verschiedene Ansichten einer Szene. Die verschiedenen Perspektiven werden algorithmisch zu einem Bild kombiniert und anschließend auf dem Display dargestellt. Die gleichzeitige Wiedergabe dieser acht unterschiedlichen Ansichten ermöglicht es dem Betrachter dreidimensionale Eindrücke wahrzunehmen. Das besondere der autostereoskopischen Displaytechnologie ist es, dass der Nutzer dabei nicht auf zusätzliche Hilfsmittel, wie beispielsweise entsprechende 3D-Brillen, angewiesen ist.

Kunstkopf-Messsystem

Die Oberflächen und Konturen des menschlichen Kopfes und der Schultern haben einen erheblichen Einfluss auf das Hörempfinden. Um diese Einflüsse in realitätsnahen Anwendungen analysieren und nachbilden zu können, besitzt der Lehrstuhl seit Februar 2009 ein Kunstkopf-Messsystem der Firma HEAD acoustics GmbH. Es ist zugleich ein Aufnahme- und Sprachsimulationssystem und deshalb geeignet für Messungen sowohl in Sende- und Empfangsrichtung, wie z.B. Messungen mit Handapparaten (Mobiltelefonen), Hörgeräten oder Freisprecheinrichtungen, die zugleich über den Kunstkopf sprachgesteuert werden können. Darüber hinaus werden die kopfbezogenen Impulsantworten (HRTFs) dieses Kopfes im hallarmen Raum des LMS gemesssen, um diese bei der Entwicklung von Algorithmen, wie beispielsweise für digitale Hörgeräte, zu berücksichtigen.

Eigenmike

Seit dem Frühjahr 2009 besitzt der Lehrstuhl ein sog. Eigenmike der Firma MH-Acoustics. Dieses Mikrofonarray-System besteht aus 32 Mikrofonen, die auf einer schallharten Kugel angeordnet sind, einer Schnittstellen-Einheit und einem dedizierten Notebook-PC (Mac-Book). Mit diesem System können verschiedene räumliche Messungen und Aufnahmen durchgeführt werden. Durch die mitgelieferte Software ist es möglich, mit dem Mikrofonarray verschiedene räumliche Richtcharakteristiken elektronisch nachzubilden.

NAO Roboter

Seit dem Februar 2014 besitzt der LMS einen NAO Roboter des Herstellers Aldebaran Robotics, der im Rahmen des von der EU geförderten Projektes Embodied Audition for Robots (EARS) angeschafft wurde. Dieser humanoide Roboter hat eine Höhe von 57 cm und eine Schulterbreite von 28 cm, und besitzt serienmäßig einen Kopf mit 4 eingebauten Mikrofonen und 2 Kameras. Dieser Standard-Kopf kann gegen einen im Rahmen des EARS-Projektes neu entwickelten Prototyp-Kopf ausgewechselt werden, der über 12 Mikrofone und ein Stereokamera-Paar verfügt.