Sviluppo di un sistema di audio immersivo per applicazioni di sicurezza alla guida

In driving scenarios, acoustic warnings play an important role in reporting dangerous conditions without diverting the driver's visual attention from the road. However, most warning systems used in vehicles today are limited to communicating the presence of a hazard or fault, without providing any indication of its spatial origin. This thesis work builds upon a communication system based on the MQTT protocol, which is capable of remotely controlling the playback of audio tracks via a plugin developed for a specific real-time processing environment real-time audio processing environment. This system only allows deciding which sound to play, returning a signal without any spatial information. The objective of this thesis was to extend the system so that it could reproduce spatialized audio signals using techniques based on head-related transfer functions (HRTFs) filtering, with the aim of developing a warning system for driving safety. The system was designed to indicate not only which sound should be played, but also where the sound should come from in the three-dimensional space around the driver. The work was developed in three main phases. First, a literature review was conducted regarding 3D audio and directional acoustic warnings in the automotive field. Based on these theoretical references, the extension of the existing communication system was designed and implemented as a new two-channel parallel binaural filtering stage based on FIR convolution.. The MQTT command was extended with an azimuth field to convey the requested direction, which is mapped via a circular angular distance rule onto a discrete set of reference directions; the corresponding HRTF pairs (taken from the MIT Media Lab KEMAR database) are preloaded into memory to comply with the real-time processing constraint imposed by the plugin's multithreaded architecture. In an initial phase, the tests validated, the accuracy of the FIR filtering and the loading of the HRTFs on the two channels, as well as the correct end-to-end operation of the extended MQTT communication. Subsequently, a perception test conducted with the laboratory's driving simulator showed that the system is able to correctly communicate the direction of origin of a hazard in all tested cases, with a systematic confusion between the front and rear directions consistent with the known limitations of non-individualized HRTFs. The work therefore demonstrates that it is possible to extend an existing audio communication system with a real-time HRTF spatialization stage, obtaining a system capable of conveying effectively perceivable directional information, which is particularly reliable in the lateral distinction of a hazard's origin.

Negli scenari di guida, gli avvisi acustici rivestono un ruolo importante nel segnalare condizioni di pericolo senza distogliere l'attenzione visiva del conducente dalla strada. La maggior parte dei sistemi di allerta oggi impiegati nei veicoli si limita tuttavia a comunicare la presenza di un pericolo o guasto, senza fornire alcuna indicazione sulla sua provenienza spaziale. Questo lavoro di tesi parte da un sistema di comunicazione, basato sul protocollo MQTT, in grado di comandare da remoto la riproduzione di tracce audio tramite un plugin sviluppato per uno specifico ambiente di elaborazione audio in tempo reale. Tale sistema permette di decidere unicamente quale suono riprodurre, restituendo un segnale privo di qualunque informazione spaziale. L'obiettivo della tesi è stato estendere il sistema affinché fosse in grado di riprodurre segnali audio spazializzati tramite ttecniche basate sul filtraggio con HRTF (Head Related Transfer Function), da impiegare come strumento di allerta per la sicurezza alla guida. Il sistema è stato progettato per indicare non solo quale suono debba essere riprodotto, ma anche da dove il suono debba provenire nello spazio tridimensionale attorno al guidatore. Il lavoro si è sviluppato in tre fasi principali. In primo luogo, è stata condotta una rassegna della letteratura relativa all'audio 3D e agli avvisi acustici direzionali in ambito automotive. Sulla base di questi riferimenti teorici, è stata progettata l'estensione del sistema di comunicazione esistente, realizzata come un nuovo stadio di filtraggio binaurale a due canali paralleli, basato su convoluzione FIR: il comando MQTT è stato esteso con un campo di azimuth per veicolare la direzione richiesta, mappata tramite una regola di distanza angolare circolare su un insieme discreto di direzioni di riferimento, le cui coppie di HRTF (tratte dal database KEMAR del MIT Media Lab) vengono precaricate in memoria per rispettare il vincolo di elaborazione in tempo reale imposto dall'architettura multithread del plugin. I test condotti hanno validato, in una prima fase, la correttezza del filtraggio FIR e del caricamento delle HRTF sui due canali, e il corretto funzionamento end-to-end della comunicazione MQTT estesa. Successivamente un test di percezione condotto con il simulatore di guida del laboratorio ha mostrato che il sistema è in grado di comunicare correttamente il lato di provenienza di un pericolo nella totalità dei casi testati, pur con una confusione sistematica tra le direzioni anteriore e posteriore coerente con i limiti noti delle HRTF non individualizzate. Il lavoro dimostra quindi che è possibile estendere un sistema di comunicazione audio esistente con uno stadio di spazializzazione HRTF in tempo reale, ottenendo un sistema in grado di veicolare un'informazione direzionale effettivamente percepibile, particolarmente affidabile nella distinzione laterale della provenienza di un pericolo.