基于耦合方法的水下声音传播模拟方法
阅读：324发布：2020-05-11
专利汇可以提供基于耦合方法的水下声音传播模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于 计算机图形学 、声学领域，为提出能够交互式的模拟包含移动侦听源的 水 下声音传播效果的新方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，包括场景预处理阶段、计算预处理阶段和运行阶段；在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定 频率 边界，进行空间划分：将场景分为边界散射、物体散射和介质散射；在计算预处理阶段，考虑散射效应与空间场和频率场的分解相结合，分别采用射线追踪方法和简正波方法计算不同散射域的声音传播损耗。本发明主要应用于声音处理场合。，下面是基于耦合方法的水下声音传播模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，包括场景预处理阶段、计算预处理阶段和运行阶段；在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进行空间划分：将场景分为边界散射、物体散射和介质散射；在计算预处理阶段，考虑散射效应与空间场和频率场的分解相结合，分别采用射线追踪方法和简正波方法计算不同散射域的声音传播损耗，并利用傅里叶定理以及射线与三角面片法线的相关运算进行基于网格声压场的频域信号和基于单点脉冲的时域信号的耦合，在运行阶段，采用局部插值验证的方法在预处理结果中选择合适的采样点，最后使用快速傅里叶变化将采样点的脉冲信息与原始音频进行卷积操作实现声音可听化。
2.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，具体步骤如下：
在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进而根据频率确定声波长度进而确定场景网格的尺寸大小；之后进行空间划分：对于场景中的每个物体而言，所有物体的包围盒之外作为介质散射区域，包围盒之内作为物体散射区域，其余作为介质散射区，将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引。经过场景预处理，得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格；
在计算预处理阶段，首先基于场景预处理得到频率边界，将输入的声音信号分为低频域和高频域分别展开计算，在低频域，首先使用简正波方法计算出单频信号下的声压场，简正波方法的计算结果只包含介质散射区域和边界散射区域；
物体散射区域使用射线追踪计算，依次追踪每条由声源发射出的射线并记录射线与场景三角网格的相交信息直到满足最大反射次数；
将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果；
在每个采样点位置使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传输损失；将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传输损失，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值；对所有采样点和采样频率进行计算，得到低频域下的声压场；
在高频域直接使用射线追踪方法进行计算，得到在采样点位置处的脉冲响应；
由于高频得到的时域信息，低频域得到的频域信息，因此，需要使用傅里叶定理进行时域和频域的变换，将低频和高频声信息组合后即得到完整的声音传播信息。
3.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，在运行阶段，采用局部插值验证的方法在预处理结果中选择合适的采样点进行插值，最后使用快速傅里叶变化将采样点中包含的声音脉冲与需要传输的音频信号进行卷积操作实现声音可听化。
4.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，频域划分：
通过听众采样点位置的分布来确定主导轴,计算场景中物体在主轴方向的尺寸分布的数学期望,并以尺寸分布的数学期望L作为临界波长λb的评估参考值,根据波长公式满足λb＜＜L，低频和中高频的分界点fb被确定：
空间划分：通常情况下，每个λb需要包含10个采样点，网格的大小Sc可以被确定，在每个物体的包围盒周围各个方向取一个网格作为轮廓，轮廓内作为物体的散射区域，海底海面是边界散射区域，其余均为介质散射区域，将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引，即将场景按照网格尺寸大小进行等分离散化，并为每个离散网格进行编号，经过场景预处理，得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格：
5.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，其中：
(1)简正波方法计算介质散射和边界散射
基于场景预处理的空间划分结果，简正波方法使用传统有限元方法设置边界条件和介质条件进行求解，得到场景空间每个点的声压值；
用海洋学现有的经验公式计算因海面的波动、声速、风速，以及不规则的海底地形和材质引起的声学效应，将经验公式集成进简正波方法中来计算边界散射区域；
(2)射线追踪方法计算物体散射
射线追踪是把声音的传播看作是无数条垂直于等相位平面的射线的传播，射线所携带的能量的总和就是声波传播的声能，在给定具体的环境下,射线追踪方法从声源处向各个方向发射若干条携带能量的射线,并递归追踪它们的传播路径，射线在传播过程中因与物体发生反射折射而不断地损失能量如公式(1)：
同时记录相交物体的法线等信息并根据反射原理重新确定新的传播方向；
(3)散射域的耦合
将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果，在每个采样点位置使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传播损失，将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传播损失，如公式(2)，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值；
其中，jr和jz分别是每个面在R和Z上的坐标，cell表示网格尺寸大小，Vi表示第i条射线，Nj表示第j个面的法向量，rnum是发射射线总数量。
6.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，当下一个物体在当前物体的正向传播方向时，由简正波计算出的声压场作为入射声场，使用射线追踪算法模拟入射声场受物体散射的影响，通过物体每个面的法线与入射射线的方向的关系，用矩阵来表示每个三角面的散射效应和，介质散射与物体散射相减得到海洋场景包含散射效应的声场；
通过空间索引网格上的物体信息，计算得到每个物体的散射矩阵，在边界散射和介质散射区域使用简正波方法模拟水下声场，每个网格点的声压作为基础声压，通过射线追踪和散射矩阵表示物体散射对声压的影响，将射线追踪计算的声压叠加在简正波方法计算出的声压上。
7.如权利要求1所述的基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，其特征是，对射线追踪方法的改进步骤：结合球面坐标与直角坐标系将海洋声学公式的坐标映射到三维坐标，通过对声速变化的比较，区分了三种声音射线模型，在给定声速剖面的情况下，利用斯涅尔折射定律计算入射角的偏移量，偏移量决定合适的阈值来控制场景中三种射线模型的切换，对于沿深海上下移动的侦听器使用阈值来切换射线模型，阈值通过场景的深度决定，不断跟踪射线发生折射时角度变化判断是否达到切换射线模型的阈值开关。
基于耦合方法的水下声音传播模拟方法
技术领域
背景技术
[0002] 目前，声音传播模拟技术通过预测声音与环境交互，从而增强虚拟世界的真实性，现已经成为计算机图形学的重要研究内容之一。
[0003] 在数值方法中，有限时域差分法[1][2][3]起初被用于研究电磁场问题在声场模拟中得到了广泛的应用并且提出了基于自适应矩形分解[4]和基于图形加速器加速[5][6]有限时域差分求解器。有限时域差分法适用于各类介质和地形，但对场景的尺寸和频率范围限制过高。有限元法速度相对较快，计算结果精确，现有的一些求解方法，如伪谱时域法[7]和自适应矩形分解法[8]，都以较粗略的空间离散化方法获得了准确的实验结果，然后同样的，有限元法随着场景大小和频域带宽的增加，计算成本呈四次方增长。例如，如果我们模拟一个100米乘100米的场景，我们需要消耗数百万亿字节的内存。边界元法把声场求解的三维问题转换为二维问题求解，降低了计算复杂度，但也存在一定缺陷:需要两步计算过程；涉及的矩阵均为非稀疏矩阵，这给高效求解带来困难；并且它只适用于格林函数易知的方程。2009年一批学者展示了对快速多极-边界元法[9][10]的研究成果，但在最终的求解结果中有大量的单极子和偶极子声源，需要在运行中对其存储及求和，因此快速多极-边界元法还是一个离线算法。数值方法中等效源法[11]是一类可以应用于交互式程序中的计算方法，但该方法对场景中物体数量限制过多。
[0004] 在几何声学技术中，射线跟踪算法[12]类似于图形绘制的路径跟踪技术，计算效率高，内存消耗低。声束跟踪算法[13][14]将这些光线扩展到一个体积内的光束中，可以在更大的范围内检测到声音路径。这是一种确定性路径跟踪方法。目前对声束跟踪算法的研究较多，如圆锥光束跟踪法、三角光束跟踪法和自适应光束跟踪法等。声束跟踪方法在遇到几何不连续性时将声束进行分割，导致复杂海洋场景的性能较差。镜像声源法方法[15][16]是一种精确的用于几何声场模拟的方法，但是，它需要大量的计算内存，计算效率低。因此，一般只适用于模拟结构简单的场景的声音传播。双向声传输(BST)算法[17]能够更快地收敛和更好地平衡早期和后期反射。但是上述方法都假设声线轨迹是直线形式。近期研究人员假设光或声射线沿曲线运动[18]，但他们只考虑了一个分析三维场景中只与深度有关的射线追踪的一般框架，没有强调水下场景的声学特性。此外，由于波的衍射效应，几何声学技术应保证波长小于目标尺度，这将几何声学技术限制在高频域。
[0005] 混合技术试图在性能和效率之间取得平衡，通过耦合不同的技术，以实现最准确和实时的声音传播仿真。现有的一些混合方法主要是基于声场的空间或频率分解。例如，提出了几何声学与数值声学相结合的几种方法。比如与有限元耦合方法，镜像声源法和射线跟踪法[19]，耦合射线跟踪法[20]和时域有限差分法[21]，以及耦合边界元法和射线跟踪法[22]。一种更完整的混合方法同时分解了频率域和空间域[23]，使得交互式声音渲染可以用于复杂的大规模场景。然而，这些方法适用于均匀空气介质中的声音传播，这是由这些方法的子方法决定的。
[0006] 海洋声学中有许多方法，包括射线追踪法、抛物线方程法、简正波法等特殊方法。海洋声学中的射线跟踪技术主要应用于海洋环境的探测，也是对波动方程的高频近似。但海洋声学与图形学的不同之处在于，海洋声学中的射线追踪方法不考虑与复杂场景的相互作用。抛物线方程法[24]在处理声场的水平和三维变化方面具有优势，但是抛物方程法在处理深海问题时计算效率低，当频率比较高时，求解的差分步长必须取得很小，以至于计算时间过长，使得抛物方程法的应用受到一定的限制.简正波方法在海洋声学中很受欢迎，它是海洋声学中的一种重要计算方法，在海洋声学中得到了广泛的发展和应用[25][26]。
[0007] 值得一提的是，在海洋声学中复杂场景被定义为复杂的边界条件和天气条件，而图形学中复杂场景意味着更多的物体排列。因此海洋声学中的方法可以对海洋声场进行精确的参数模拟计算，但并不能为交互的虚拟现实程序提供直接应用
[0008] 而在图形学领域，目前的模拟技术虽然已经涵盖了室内户外两种经典场景，但户外场景大都考虑的是声音在空气介质中传播。但大气和水下作为两种不同的声音传播环境，其需要考虑的传播特性也完全不同。综上所述，图形学和海洋声学现有的技术并不适合直接模拟水下场景的声音传播。
[0009] 参考文献：
[0010] [1]Yee K S.Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell's equations in isotropic media[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,1966,14(3): 302-307.
[0011] [2]Taflove A,Hagness S C.Computational electrodynamics:The Finite-Difference Time-Domain Method[M].3nd ed.Boston,London:Artech House,2005.[0012] [3]Sakamoto S,Ushiyama A,Nagatomo H.Numerical analysis of sound propagation in rooms using the finite difference time domain method[J].Journal of the Acoustical Society of America,2006,120(5):3008
[0013] [4]Raghuvanshi N.Interactive physically-based sound simulation[C]//University of North Carolina at Chapel Hill,2010.
[0014] [5]Savioja L.Real-time 3D finite-difference time-domain simulation of low-and mid-frequency room acoustics[C]//Proceedings of 13th International Conference on Digital Audio Effects.2010:1-10
[0015] [6]Mehra R,Raghuvanshi N,Savioja L,et al.An efficient GPU-based time domain solver for the acoustic wave equation[J].Applied Acoustics,2012,73(2):83-94.
[0016] [7]Fornberg B.The pseudospectral method:Accurate representation of interfaces in elastic wave calculations[J].Geophysics,1988,53(5):625-637[0017] [8]Raghuvanshi N,Narain R,Lin M.Efficient and accurate sound propagation using adaptive rectangular decomposition[J].IEEE Transactions on Visualization&Computer Graphics,2009,15(5):789–801
[0018] [9]Liu Y.Fast multipole boundary element method:theory and applications in engineering[M].Cambridge:University Press Cambridge.2009[0019] [10]Gumerov N A,Duraiswami R.A broadband fast multipole accelerated boundary element method for the three dimensional Helmholtz equation[J].Journal of the Acoustical Society of America,2009,125(1):191-205[0020] [11]Mehra R,Raghuvanshi N,Antani L,et al.Wave-based sound propagation in large open scenes using an equivalent source formulation[J].ACM Transactions on Graphics,2013, 32(2):1-13
[0021] [12]Schissler C,Manocha D.Interactive sound propagation and rendering for large multi-source scenes[J].ACM Transactions on Graphics,2016,36(4):1.[0022] [13]Laine S,Siltanen S,Lokki T,et al.Accelerated beam tracing algorithm[J]. Applied Acoustics,2009,70(1):172-181.
[0023] [14]Dejan Antonacci F,Sarti A,et al.3D beam tracing based on visibility lookup for interactive acoustic modeling[J].IEEE Transactions on Visualization&Computer Graphics,2016,22(10):2262-2274.
[0024] [15]Taylor M,Chandak A,Mo Q,et al.Guided multiview ray tracing for fast auralization[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2012, 18(11):1797-1810.
[0025] [16]Mechel,F.P..(2002).Improved mirror source method in roomacoustics.Journal of Sound and Vibration,256(5),873-940.
[0026] [17]Cao C,Ren Z,Schissler C,et al.Interactive sound propagation with bidirectional path tracing[J].ACM Transactions on Graphics,2016,35(6):1-11.[0027] [18]Mo Q,Yeh H,Lin M,et al.Outdoor sound propagation with analytic ray curve tracer and Gaussian beam[J].Acoustical Society of America Journal,2017,141(3):2289-2299
[0028] [19]Murphy D,Beeson M,Shelley S,et al.Hybrid room impulse response synthesis in digital waveguide mesh based room acoustics simulation[C]//Proceeding of the 11th Int. Conference on Digital Audio Effects.2008:1-8[0029] [20]Aretz M.Combined wave and ray based room acoustic simulations of small rooms: challenges and limitations on the way to realistic simulation results[D].Aachen:RWTH Aachen University.Institute of Technical Acoustics,2012
[0030] [21]Wang Y,Safavi-Naeini S,Chaudhuri S K.A hybrid technique based on combining ray tracing and FDTD methods for site-specific modeling of indoor radio wave propagation[J]. IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2000,48(5):743-754
[0031] [22]Hampel S,Langer S,Cisilino A P.Coupling boundary elements to a ray tracing procedure[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2010,73(3): 427-445
[0032] [23]Yeh H,Mehra R,Ren Z,et al.Wave-ray coupling for interactive sound propagation in large complex scenes[J].ACM Transactions on Graphics,2013,32(6):1-11.
[0033] [24]卢晓亭,张林.水声传播建模研究现状综述[J].海洋技术学报,2010, 29(4):48-53.
[0034] [25]Knobles D P,Stotts S A,Koch R A.Low frequency coupled mode sound propagation over a continental shelf[J].Journal of the Acoustical Society of America,2003, 113(2):781-787.
[0035] [26]Evans R B.Stepwise coupled mode scattering of ambient noise by a cylindrically symmetric seamount[J].Journal of the Acoustical Society of America,2006,119(1):161-167。
发明内容
[0036] 为克服现有技术的不足，本发明旨在提出能够交互式的模拟包含移动侦听源的水下声音传播效果的新方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于耦合方法的水下声音传播模拟方法，包括场景预处理阶段、计算预处理阶段和运行阶段；在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进行空间划分：将场景分为边界散射、物体散射和介质散射；在计算预处理阶段，考虑散射效应与空间场和频率场的分解相结合，分别采用射线追踪方法和简正波方法计算不同散射域的声音传播损耗，并利用傅里叶定理以及射线与三角面片法线的相关运算进行基于网格声压场的频域信号和基于单点脉冲的时域信号的耦合，在运行阶段，采用局部插值验证的方法在预处理结果中选择合适的采样点，最后使用快速傅里叶变化将采样点的脉冲信息与原始音频进行卷积操作实现声音可听化。
[0037] 具体步骤如下：
[0038] 在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进而根据频率确定声波长度进而确定场景网格的尺寸大小；之后进行空间划分：对于场景中的每个物体而言，所有物体的包围盒之外作为介质散射区域，包围盒之内作为物体散射区域，其余作为介质散射区，将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引。经过场景预处理，得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格；
[0039] 在计算预处理阶段，首先基于场景预处理得到频率边界，将输入的声音信号分为低频域和高频域分别展开计算，在低频域，首先使用简正波方法计算出单频信号下的声压场，简正波方法的计算结果只包含介质散射区域和边界散射区域；
[0040] 物体散射区域使用射线追踪计算，依次追踪每条由声源发射出的射线并记录射线与场景三角网格的相交信息直到满足最大反射次数；
[0041] 将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果；在每个采样点位置使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传输损失；将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传输损失，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值；对所有采样点和采样频率进行计算，得到低频域下的声压场；
[0042] 在高频域直接使用射线追踪方法进行计算，得到在采样点位置处的脉冲响应；
[0043] 由于高频得到的时域信息，低频域得到的频域信息，因此，需要使用傅里叶定理进行时域和频域的变换，将低频和高频声信息组合后即得到完整的声音传播信息。
[0045] 频域划分：通过听众采样点位置的分布来确定主导轴,计算场景中物体在主轴方向的尺寸分布的数学期望,并以尺寸分布的数学期望L作为临界波长λb的评估参考值,根据波长公式满足λb＜＜L，低频和中高频的分界点fb被确定:
[0046]
[0047] 空间划分：通常情况下，每个λb需要包含10个采样点，网格的大小Sc可以被确定，在每个物体的包围盒周围各个方向取一个网格作为轮廓，轮廓内作为物体的散射区域，海底海面是边界散射区域，其余均为介质散射区域，将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引，即将场景按照网格尺寸大小进行等分离散化，并为每个离散网格进行编号，经过场景预处理，得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格：
[0048]
[0049] 其中：
[0050] (1)简正波方法计算介质散射和边界散射
[0051] 基于场景预处理的空间划分结果，简正波方法使用传统有限元方法设置边界条件和介质条件进行求解，得到场景空间每个点的声压值；
[0053] (2)射线追踪方法计算物体散射
[0054] 射线追踪是把声音的传播看作是无数条垂直于等相位平面的射线的传播，射线所携带的能量的总和就是声波传播的声能，在给定具体的环境下,射线追踪方法从声源处向各个方向发射若干条携带能量的射线,并递归追踪它们的传播路径，射线在传播过程中因与物体发生反射折射而不断地损失能量如公式(1)：
[0055]
[0056] 同时记录相交物体的法线等信息并根据反射原理重新确定新的传播方向；
[0057] (3)散射域的耦合
[0058] 将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果，在每个采样点位置使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传播损失，将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传播损失，如公式(2)，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值；
[0059] Pout＝Pin-M (2)[0060] 其中，jr和jz分别是每个面在R和Z上的坐标，cell表示网格尺寸大小，Vi表示第i条射线，Nj表示第j个面的法向量，rnum是发射射线总数量。
[0061] 当下一个物体在当前物体的正向传播方向时，由简正波计算出的声压场作为入射声场，使用射线追踪算法模拟入射声场受物体散射的影响，通过物体每个面的法线与入射射线的方向的关系，用矩阵来表示每个三角面的散射效应和，介质散射与物体散射相减得到海洋场景包含散射效应的声场；
[0062] 通过空间索引网格上的物体信息，计算得到每个物体的散射矩阵，在边界散射和介质散射区域使用简正波方法模拟水下声场，每个网格点的声压作为基础声压，通过射线追踪和散射矩阵表示物体散射对声压的影响，将射线追踪计算的声压叠加在简正波方法计算出的声压上。
[0063] 对射线追踪方法的改进步骤：
[0064] 结合球面坐标与直角坐标系将海洋声学公式的坐标映射到三维坐标，通过对声速变化的比较，区分了三种声音射线模型，在给定声速剖面的情况下，利用斯涅尔折射定律计算入射角的偏移量，偏移量决定合适的阈值来控制场景中三种射线模型的切换，对于沿深海上下移动的侦听器使用阈值来切换射线模型，阈值通过场景的深度决定，不断跟踪射线发生折射时角度变化判断是否达到切换射线模型的阈值开关。
[0065] 本发明的特点及有益效果是：
[0066] 发明能够交互式的模拟包含移动侦听源的水下声音传播效果。该方法与现有的声音模拟算法相比，首先，通过耦合的简正波方法和射线追踪方法既能考虑海洋声传播的特点又能实现与场景的交互。其次，改进的射线追踪方法可以通过场景参数调整阈值，并控制三种射线模型的切换，使计算效率更高结果更精确。最后在运行阶段，根据侦听源的局部几何信息验证了采样点有效的插值点，使声音效果更加真实。附图说明：
[0067] 图1耦合简正波方法与改进的射线追踪的水下声音传播模拟。
[0068] 图2改进射线追踪方法的阈值设置。
[0069] 图3耦合声场的展示。
具体实施方式
[0070] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0071] (1)场景预处理；
[0072] (2)计算预处理；
[0073] (3)运行处理；
[0074] 本文的程序框架可以分为输入、场景预处理阶段、计算预处理阶段和运行阶段。根据水声学理论，声音在水下传播的散射效应可分为介质散射、物体散射和边界散射三大类。介质散射效应和边界散射效应主要受水体特性的影响，而物体散射效应主要由声波与复杂场景的相互作用产生，同时这也是影响用户在虚拟环境中感知声音效果的重要因素。在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进而可以根据频率确定声波长度进而确定场景网格的尺寸大小。之后进行空间划分：对于场景中的每个物体而言，所有物体的包围盒之外作为介质散射区域，包围盒之内作为物体散射区域。其余作为介质散射区域。将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引。经过场景预处理，可以得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格。
[0075] 在计算预处理阶段，首先基于场景预处理得到频率边界，将输入的声音信号分为低频域和高频域分别展开计算。在低频域，首先使用简正波方法计算出单频信号下的声压场(每个索引网格上都有对应的声压值)，由于简正波方法计算时没有考虑场景中的物体，因此简正波方法的计算结果只包含介质散射区域和边界散射区域。
[0076] 物体散射区域使用射线追踪计算，依次追踪每条由声源发射出的射线并记录射线与场景三角网格的相交信息直到满足最大反射次数。
[0077] 将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果。在每个采样点位置(同样基于索引网格的坐标)使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传输损失。将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传输损失，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值。对所有采样点和采样频率进行计算，即可得到低频域下的声压场。
[0078] 因为简正波方法不适用于高频计算，因此在高频域直接使用改进的射线追踪方法进行计算，得到在采样点位置处的脉冲响应。
[0079] 由于高频得到的时域信息，低频域得到的频域信息，因此，需要使用傅里叶定理进行时域和频域的变换。同时，将低频和高频声信息组合后即得到完整的声音传播信息。
[0080] 在运行阶段，为了降低存储采样点(包含声音传播信息)的内存开销和加载开销。采用局部插值验证的方法在预处理结果中选择合适的采样点进行插值，最后使用快速傅里叶变化将采样点中包含的声音脉冲(类似于滤波器)与需要传输的音频信号进行卷积操作实现声音可听化。
[0081] 下面结合附图和具体实施例对本发明面向虚拟现实的水下声音传播模拟技术研究进行详细说明。如附图1所示，
[0082] 包括步骤：
[0083] 1、实现场景的预处理
[0084] 声音传播模拟程序的输入三维模型为常用.obj格式，音频为wav格式。将.obj格式的三维模型以文本格式读取并计算每个物体对象的包围盒和每个三角面的法向量并存储。
[0085] 混合方法强调对不同区域使用不同的方法进行模拟，空间和频率的分解可以设置一个合理的划分方法得到最高效率的模拟效果。在场景预处理阶段，根据场景中物体的尺寸分布确定频率边界，进而可以根据频率确定声波长度进而确定场景网格的尺寸大小。
[0086] 频域划分：以一个场景为例，通过听众采样点位置的分布来确定主导轴。计算场景中物体在主轴方向的尺寸分布的数学期望。并以尺寸分布的数学期望L作为临界波长λb的评估参考值。根据波长公式满足λb＜＜L，低频和中高频的分界点fb被确定。
[0087]
[0088] 空间划分：通常情况下，每个λb需要包含10个采样点，网格的大小Sc可以被确定。在每个物体的包围盒周围各个方向取一个网格作为轮廓，轮廓内作为物体的散射区域。海底海面是边界散射区域，其余均为介质散射区域。将场景分为边界散射区域、物体散射区域和介质散射区域之后，并对根据网格尺寸的大小对场景建立网格索引，即将场景按照网格尺寸大小进行等分离散化，并为每个离散网格进行编号。经过场景预处理，可以得到频率边界、不同的散射区域以及场景的索引网格。
[0089]
[0090] 2、实现计算预处理
[0091] 计算预处理阶段主要包括低频下基于简正波方法的声压场求解、射线追踪计算物体散射矩阵、散射域的耦合以及高频下基于阈值的改进的射线追踪算法和频域的耦合方法。
[0092] (1)简正波方法计算介质散射和边界散射
[0093] 基于场景预处理的空间划分结果，简正波方法使用传统有限元方法设置边界条件和介质条件进行求解，得到场景空间每个点的声压值。
[0094] 用海洋学现有的经验公式计算因海面的波动、声速、风速，以及不规则的海底地形和材质等引起的声学效应，将经验公式集成进简正波方法中来计算边界散射区域。
[0095] (3)射线追踪方法计算物体散射
[0096] 射线追踪是把声音的传播看作是无数条垂直于等相位平面的射线的传播。射线所携带的能量的总和就是声波传播的声能。在给定具体的环境下,射线追踪方法从声源处向各个方向发射若干条携带能量的射线,并递归追踪它们的传播路径。射线在传播过程中因与物体发生反射折射而不断地损失能量如公式(1)，同时记录相交物体的法线等信息并根据反射原理重新确定新的传播方向。
[0097] (3)散射域的耦合
[0098] 将两类方法的计算结果进行耦合，即介质散射、边界散射和物体散射区域的计算结果。在每个采样点位置(同样基于索引网格的坐标)使用射线追踪中的记录的射线向量与物体散射区域中物体的三角网格的法线关系，确定声波在到达采样点位置之前，共有多少传播损失，将简正波方法计算出的在该网格索引位置的声压减去射线追踪计算的传播损失，如公式(2)，即得到低频域下的单个频率的在该采样点的声压值。
[0099] 当下一个物体在当前物体的正向传播方向(声源指向侦听源)时，由简正波计算出的声压场作为入射声场，使用射线追踪算法模拟入射声场受物体散射的影响，通过物体每个面的法线与入射射线的方向的关系，用矩阵来表示每个三角面的散射效应和。介质散射与物体散射相减得到海洋场景包含散射效应的声场。
[0100] 通过空间索引网格上的物体信息，计算得到每个物体的散射矩阵。在边界散射和介质散射区域使用简正波方法模拟水下声场，每个网格点的声压作为基础声压。通过射线追踪和散射矩阵表示物体散射对声压的影响，将射线追踪计算的声压叠加在简正波方法计算出的声压上。声场叠加如附图3所示。
[0101]
[0102] Pout＝Pin-M (2)[0103] 其中，jr和jz分别是每个面在R和Z上的坐标，cell表示网格尺寸大小。Vi表示第i条射线，Nj表示第j个面的法向量，rnum是发射射线总数量。
[0104] (4)实现对射线追踪方法的改进
[0105] 结合球面坐标与直角坐标系将海洋声学公式的坐标映射到三维坐标，通过对声速变化的比较，区分了三种声音射线模型。在给定声速剖面的情况下，利用斯涅尔折射定律计算入射角的偏移量，偏移量决定合适的阈值来控制场景中三种射线模型的切换。对于沿深海上下移动的侦听器使用阈值来切换射线模型。如附图2所示，阈值通过场景的深度决定。不断跟踪射线发生折射时角度变化判断是否达到切换射线模型的阈值开关。
[0106] (5)实现频域耦合
[0107] 低频域的方法产生的时域上的声压场，而高频域的改进射线射线追踪法最终产生时域上的脉冲响应。使用傅里叶变换将频域结果转换为时域脉冲序列。
[0108] 3、运行阶段
[0109] 该发明在运行之前对每个场景中可能的侦听源位置进行等间隔采样，使用已经采样的脉冲响应在每个采样点间进行插值，在运行时，加载预计算的脉冲响应序列，利用侦听源位置的局部遮挡信息来估计侦听源应该使用哪个采样点的插值脉冲响应。确定脉冲响应后，将脉冲响应与.wav格式的音频信号做卷积处理，即得到带有环境的特征的声音效果，即实现了声音可听化操作。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于医学图像的组织分型方法及装置、电子设备 | 2020-05-08 | 396 |
| 基于强化学习的复杂薄壁结构物体3D打印路径规划方法 | 2020-05-08 | 265 |
| OCT引导的青光眼手术的方法和系统 | 2020-05-12 | 637 |
| 一种基于位置动力学的雪崩模拟方法 | 2020-05-12 | 729 |
| 验证方法、装置、设备及存储介质 | 2020-05-08 | 116 |
| 一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法 | 2020-05-11 | 941 |
| 神经操作系统 | 2020-05-12 | 222 |
| 一种基于AR的主设备检修大数据快速建模系统 | 2020-05-08 | 770 |
| 一种GPU像素矩形缩放翻转的实现方法 | 2020-05-11 | 653 |
| 使用两个渲染计算装置从计算机图形渲染图像 | 2020-05-08 | 862 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
计算机图形学热门专利
-
7 图形相似度分析
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈