Spektrin sonifikaatio

Transkriptio

1 Spektrin sonifikaatio AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Paula Sirén

2 Sisällysluettelo 1. Johdanto Tehtävän kuvaus ja työn rakenne Teoria Ääni mekaanisena aaltona Ihmisen kuulojärjestelmän fysiologiaa Sonifikaatio käytännössä Sovelluksia Signaalinkäsittely Toteutus Matlabilla Projektin eteneminen Projektin yhteenveto Lähteet... 4

3 1. Johdanto Tyypillisin tapa esittää mittaustuloksia esimerkiksi kokeellisessa fysiikassa on optinen spektri, sillä optiset ominaisuudet kuten absorptio liittyvät läheisesti moneen tarkasteltavaan ilmiöön, joista esimerkkinä esimerkiksi pulssioksimetria, jossa hyödynnetään veren happipitoisuuden perusteella muuttuvia absorptio-ominaisuuksia. Kokeellisessa työssä joudutaan usein toistamaan mittauksia useasti, mikä vaikuttaa mittausten tekijän keskittymiskykyyn ja sitä kautta työn laatuun ja havaintojen tarkkuuteen. Kelvollisten tulosten saamiseksi ja usein hyvin haastavien ja tarkkuutta vaativien mittausolosuhteiden huomioimiseksi informaation esittäminen eri kanavia pitkin on suotavaa. Esimerkiksi selvästi poikkeavien mittaussignaalien havaitseminen mahdollisimman nopeasti auttaa paikantamaan virheitä mittaus- ja koejärjestelyissä ja jopa ehkäisemään mahdollisesti syntyviä vaaratilanteita. Ihminen kokee visuaalisen havainnon usein tarkimmaksi ja luontevimmaksi kanavaksi ympäristön tarkkailuun. Näköaistin aika- ja paikkaresoluutio on tarkka ja informaatiosisältö helposti tulkittavissa. Usein tarvitaan kuitenkin yhtäaikaista huomion kohdistamista useaan asiaan ja useasta kanavasta saapuvaan informaatioon. Kuuloaistin avulla ihminen kykenee paremmin tarkkailemaan laaja-alaista ympäristöä ja tekemään hyödyllisiä päätelmiä yksinkertaisistakin havainnoista. Tässä projektissa on tarkoitus soveltaa sonifikaatiota eli optisen signaalin muuttamista äänisignaaliksi. Lisäksi luodaan katsaus ääneen liittyvään fysiikkaan sekä ihmisen kuulojärjestelmään. Sonifikaatio ja signaalinkäsittely toteutetaan Matlabilla. (Tämä projektisuunnitelma on varsin vapaamuotoinen, koska ohjaajani on ollut tavoittamattomissa ja ohjeistus muutenkin vähän suppeaa ) 2. Tehtävän kuvaus ja työn rakenne Projektityön tavoitteena on tutustua sonifikaatioon informaationesitysmenetelmänä, ääneen fysikaalisena ilmiönä sekä ihmisen kuuloaistin toiminnan fysiologiseen perustaan. Työ jakautuu teoria- ja ohjelmointiosuuteen. Teoriaosuuden tarkoituksena on koota tarvittavaa taustatietoja sonifikaatioon läheisesti liittyvistä ilmiöistä, mikä tukee käytännön ohjelmointiosuuden suoritusta. Ohjelmointiosuudessa tehdään Matlab-ohjelma, jonka avulla voidaan muuttaa annetun optisen spektrin informaatiosisältö äänimuotoon. Tähän on tarkoitus käyttää Matlabin signaalinkäsittelyominaisuuksia. Työn kokonaislaajuus rakentuu teoria- ja ohjelmointiosuuden työmäärästä, josta pidetään kirjaa työn etenemisen ajan. Koska kyseessä ei ole ryhmätyö, ryhmätyöhön liittyviä seikkoja kuten työnjakoa ja riskejä ei tässä projektisuunnitelmassa käsitellä. 3. Teoria 3.1 Ääni mekaanisena aaltona Ihmisen kuuloaistin havaitsema ääni on mekaaninen, paineen vaihtelua kuvaava pitkittäisesti etenevä aalto, jonka syntytapaa fysikaalisia ominaisuuksia ja matemaattista esitystapaa käsitellään tässä luvussa.

4 3.2 Ihmisen kuulojärjestelmän fysiologiaa Tämä luku käsittelee ihmisen kuulojärjestelmää, auditiivisen informaation prosessointia ja tulkintaa fysiologisesta näkökulmasta. 4. Sonifikaatio käytännössä 4.1 Sovelluksia Tässä osassa käsitellään sonifikaation sovelluksia ja tarkastellaan jo olemassa olevia ja mahdollisesti kiinnostavia potentiaalisia sovelluskohteita. 4.2 Signaalinkäsittely Optisen ja audiosignaalin tärkeimmät ominaisuudet, samankaltaisuudet ja eroavaisuudet signaalinkäsittelyn signaalinkäsittelyn näkökulmasta kuvataan tässä luvussa. Tarkoituksena on tarkastella esimerkiksi Fourier-analyysia ja kohinan suodatusta. Tässä osassa kuvataan ne tärkeimmät menetelmät, joihin Matlab-ohjelman toiminta nojaa. 4.3 Toteutus Matlabilla Tämä osa kuvaa työn toteutusta, käytettyjä menetelmiä ja teorian sovellusta. Tässä osassa käydään läpi työstetty Matlab-ohjelma sekä signaalinkäsittelyn että sonifikaation osalta. 5. Projektin eteneminen Tässä osassa kuvataan projektin suunnitelma, eteneminen ja päätyminen lopputulokseen. Tähän osuuteen liitetään myös tarkempi selvitys ajankäytöstä. Taulukko 1: Ajankäytön seuranta mennessä. pvm käytetty aika kuvaus 23.tammi 3,5 aiheeseen tutustuminen, kalvojen suunnittelu projektisuunnitelmaa varten, ohjaustapaaminen 25.tammi 2 projektisuunnitelman teko, esityksen valmistelu 26.tammi 1,5 projektisuunnitelman teko jatkuu 27.tammi 1,5 projektisuunnitelman ja kalvojen teko 30.tammi 3 projektisuunnitelman viimeistely, aikataulutus, kalvojen viimeistely 6. Projektin yhteenveto Yhteenveto-osuuden tarkoituksena on kartoittaa syntynyt lopputulos ja onnistuminen. Miten tavoitteissa onnistuttiin, mikä epäonnistui, millaisia haasteita kohdattiin.

5 7. Lähteet Esimerkiksi: Sonifikaatio ja sen sovellukset Hearing Images: Interactive Sonification Interface for Images. International Conference on Automated solutions for Cross Media Content and Multi-channel Distribution DOI /AXMEDIS M. Watson, P. Sanderson, Sonification Supports Eyes-Free Respiratory Monitoring and Task Time- Sharing. The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society : 497. DOI: /hfes Mekaaninen aalto A.L. Fetter, J. D. Walecka, Theoretical Mechanics of Particles and Continua. Rossing, Moore, Wheeler, The Science of Sound. Kuulojärjestelmän fysiologia G. J. Tortora, B. H. Derrickson, Principles of Anatomy and Physiology. Signaalinkäsittelyn teoriaa S.K.Mitra, Digital Signal Processing - A Computer Based Approach. P. Diniz, E. da Silva, S. Netto, Digital Signal Processing - System Analysis and Design.