Bimodal Audiovisual Perception in Interactive Application Systems of Moderate Complexity

Reiter, Ulrich GND

The dissertation at hand deals with aspects of quality perception of interactive audiovisual application systems of moderate complexity as e.g. defined in the MPEG-4 standard. Because in these systems the available computing power is limited, it is decisive to know which factors influence the perceived quality. Only then can the available computing power be distributed in the most effective and efficient way for the simulation and display of audiovisual 3D scenes. Whereas quality factors for the unimodal auditory and visual stimuli are well known and respective models of perception have been successfully devised based on this knowledge, this is not true for bimodal audiovisual perception. For the latter, it is only known that some kind of interdependency between auditory and visual perception does exist. The exact mechanisms of human audiovisual perception have not been described. It is assumed that interaction with an application or scene has a major influence upon the perceived overall quality. The goal of this work was to devise a system capable of performing subjective audiovisual assessments in the given context in a largely automated way. By applying the system, first evidence regarding audiovisual interdependency and influence of interaction upon perception should be collected. Therefore this work was composed of three fields of activities: the creation of a test bench based on the available but (regarding the audio functionality) somewhat restricted MPEG-4 player, the preoccupation with methods and framework requirements that ensure comparability and reproducibility of audiovisual assessments and results, and the performance of a series of coordinated experiments including the analysis and interpretation of the collected data. An object-based modular audio rendering engine was co-designed and -implemented which allows to perform simple room-acoustic simulations based on the MPEG-4 scene description paradigm in real-time. Apart from the MPEG-4 player, the test bench consists of a haptic Input Device used by test subjects to enter their quality ratings and a logging tool that allows to journalize all relevant events during an assessment session. The collected data can be exported comfortably for further analysis using appropriate statistic tools. A thorough analysis of the well established test methods and recommendations for unimodal subjective assessments was performed to find out whether a transfer to the audiovisual bimodal case is easily possible. It became evident that - due to the limited knowledge about the underlying perceptual processes - a novel categorization of experiments according to their goals could be helpful to organize the research in the field. Furthermore, a number of influencing factors could be identified that exercise control over bimodal perception in the given context. By performing the perceptual experiments using the devised system, its functionality and ease of use was verified. Apart from that, some first indications for the role of interaction in perceived overall quality have been collected: interaction in the auditory modality reduces a human's ability of correctly rating the audio quality, whereas visually based (cross-modal) interaction does not necessarily generate this effect.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Aspekten der Qualitätswahrnehmung von interaktiven audiovisuellen Anwendungssystemen moderater Komplexität, wie sie z.B. durch den MPEG-4 Standard definiert sind. Die Frage, welche Faktoren Einfluss auf die wahrgenommene Qualität von audiovisuellen Anwendungssystemen haben ist entscheidend dafür, wie die nur begrenzt zur Verfügung stehende Rechenleistung für die Echtzeit-Simulation von 3D Szenen und deren Darbietung sinnvoll verteilt werden soll. Während Qualitätsfaktoren für unimodale auditive als auch visuelle Stimuli seit langem bekannt sind und entsprechende Modelle existieren, müssen diese für die bimodale audiovisuelle Wahrnehmung noch hergeleitet werden. Dabei ist bekannt, dass eine Wechselwirkung zwischen auditiver und visueller Qualität besteht, nicht jedoch, wie die Mechanismen menschlicher audiovisueller Wahrnehmung genau arbeiten. Es wird auch angenommen, dass der Faktor Interaktion einen wesentlichen Einfluss auf wahrgenommene Qualität hat. Das Ziel dieser Arbeit war, ein System für die zeitsparende und weitgehend automatisierte Durchführung von subjektiven audiovisuellen Wahrnehmungstests im gegebenen Kontext zu erstellen und es für einige exemplarische Experimente einzusetzen, welche erste Aussagen über audiovisuelleWechselwirkungen und den Einfluss von Interaktion auf die Wahrnehmung erlauben sollten. Demzufolge gliederte sich die Arbeit in drei Aufgabenbereiche: die Erstellung eines geeigneten Testsystems auf der Grundlage eines vorhandenen, jedoch in seiner Audiofunktionalität noch eingeschränkten MPEG-4 Players, das Sicherstellen von Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit von audiovisuellen Wahrnehmungstests durch definierte Testmethoden und -bedingungen, und die eigentliche Durchführung der aufeinander abgestimmten Experimente mit anschlieÿender Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten. Dazu wurde eine objektbasierte, modulare Audio-Engine mitentworfen und -implementiert, welche basierend auf den Möglichkeiten der MPEG-4 Szenenbeschreibung alle Fähigkeiten zur Echtzeitberechnung von Raumakustik bietet. Innerhalb des entwickelten Testsystems kommuniziert der MPEG-4 Player mit einem hardwaregestützten Benutzerinterface zur Eingabe der Qualitätsbewertungen durch die Testpersonen. Sämtliche relevanten Ereignisse, die während einer Testsession auftreten, können mit Hilfe eines Logging-Tools aufgezeichnet und für die weitere Datenanalyse mit Statistikprogrammen exportiert werden. Eine Analyse der existierenden Testmethoden und -empfehlungen für unimodale Wahrnehmungstests sollte zeigen, ob deren Übertragung auf den audiovisuellen Fall möglich ist. Dabei wurde deutlich, dass bedingt durch die fehlende Kenntnis der zugrundeliegenden Wahrnehmungsprozesse zunächst eine Unterteilung nach den Zielen der durchgeführten Experimente sinnvoll erscheint. Weiterhin konnten Einflussfaktoren identifiziert werden, die die bimodale Wahrnehmung im gegebenen Kontext steuern. Bei der Durchführung der Wahrnehmungsexperimente wurde die Funktionsfähigkeit des erstellten Testsystems verifiziert. Darüber hinaus ergaben sich erste Anhaltspunkte für den Einfluss von Interaktion auf die wahrgenommene Gesamtqualität: Interaktion in der auditiven Modalität verringert die Fähigkeit, Audioqualität korrekt beurteilen zu können, während visuell gestützte Interaktion (cross-modal) diesen Effekt nicht zwingend generiert.

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Reiter, Ulrich: Bimodal Audiovisual Perception in Interactive Application Systems of Moderate Complexity. 2009.

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