基于声线跟踪法的室外声场仿真.doc

谭同德，史晓菲，赵新灿，常村红TAN Tong-de，SHI Xiao-fei，ZHAO Xin-can，CHANG Cun-hong郑州大学 信息工程学院，郑州 450052College of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，ChinaE-mail：TAN Tong -de，SHI Xiao -fei ，ZHAO Xin -can，et al.Outdoor sound field simulation based on ray -tracing algorithm.Computer Engineering and Applications，2010，46（14）：241-244.Abstract：Most of the sound field simulation focuses on researching the impulse response in closured sound field，and then calculates other sound parameters，due to various environment in outdoor sound field，there is less research.A model of the outdoor sound field in virtual environment is constructed on the basis of the algorithm of ray-tracing in this paper，then an algorithm of step-length by defining the receiver dynamically is proposed，considering the outdoor sound field in environment，the impulse re sponse in different positions are calculated.Then the algorithm proves the effectiveness.Key words：ray-tracing；outdoor sound field；impulse response摘 要：大部分声场仿真侧重于在室内封闭声场的前提下研究声场能量脉冲响应，进而获得其他声学参数，而室外声场环境由于差别较大，考虑因素较多因此研究较少。该文在经典声线跟踪法的基础上，通过构建虚拟环境中室外声场模型，提出了步长法动态 定义接收点的声线跟踪法；在考虑室外环境因素的前提下，模拟计算出不同位置处的能量脉冲响应，经实验验证具有较好的效果。 关键词：声线跟踪；室外声场；脉冲响应DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2010.14.072文章编号：10028331（2010）14-0241-04文献标识码：A中图分类号：TP391利用计算机模拟和预测声场技术是通过建立声场模型来模拟声场脉冲响应，在此基础上得到描述声场的其他参数并进 一步实现声场音质的模拟。目前较为深入研究的是基于几何声 学的声线跟踪法和虚声源法。声线跟踪法是把声源抽象为空间 中均匀分布的若干声线，声线在空中沿直线传播，碰到壁面后 发生反射，通过跟踪每一条声线，记录下声线到达接收域的时 间和能量变化。具有模拟简单、计算效率高等优点，可以用于构 建任意类型的声场模型。在经典声线法的基础上，研究了虚拟环境中室外声场模 型，并改进经典声线跟踪法中接收点静止不动的缺点，提出了 步长法动态定义接收点的声线跟踪法，进一步模拟计算出不同 位置处能量脉冲响应。得到双耳声场脉 冲 响 应（Binaural Sound Field Impulse Re sponse，BSIR），再将 BSIR 与原始的声信号卷积可得所需的声 信号，最后经过耳机或音箱播放即可得到真实感声音。图 1真实感声音生成过程设声源信号为 x（t），系统 1 的输出信号为 s（t），系统 2 的输出信号为 h（t），那么输出声信号 y（t）为：y（t）=s（t）茚h（t）茚x（t）（1）声场脉冲响应反应了整个声场环境中声能量随时间的变化情况，利用声线跟踪法进行声场仿真模拟声源从发出声音到 接收点的整个过程，可以得到声能量在传播过程中的衰减情况 以及到达接收点的能量变化，进而可以得到整个声场的能量脉 冲响应函数，完成了真实感声音生成过程中环境滤波这一系统。1 真实感声音生成过程声音从声源传播至人的耳鼓处的过程可以看作是声信号经过多个线性系统滤波的过程（如图 1），主要包括环境滤波（系统 1）和人的耳廓滤波（系统 2）等。环境滤波用声场脉冲响 应（Sound Field Impulse Response）来表征，简称为（IR）。人的 耳廓滤波效应用头相关传递函数（Head-Related Transfer Func tion，HRTF）来表征。将系统 1 和系统 2 的脉冲响应函数卷积可2室外声场中几种典型的声学现象声波在传播过程中与各种不同界面发生碰撞，产生的基本 声学现象包括镜面反射、扩散反射、声吸收、透射、衍射等。室外基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）（the National Grand Fundamental Research 973 Program of China under Grant No.2002CB312103）；河南省自然科学基金（）。原始声信号声信号耳机音箱播放系统 2（HRTF）BSIR系统 1（IR）地理位置、气候温度等因素还有很大的关系，主要包括以下几个方面：（1）在室外听到的声音基本上都是直达声或打到地面和建 筑物后产生的一次反射声，二次以上的很少。（2）草地的掠设吸收。当声源发出的声音与地面夹角小于30时，如果地面为松软地面，如草地、土地等，这个声音将大部 分被地面吸收。（3）地面不同高度的温差现象引起声速的变化。不同高度 空气温度不一样，空气温度每增加一度，声速将增加 6 m/s。（4）风速的影响。顺风时声音传播速度快，而逆风时传播速 度慢。（5）气象条件引起的声折射现象。声音在大气温度高的地 方会向大气温度低的地方产生折射和全反射。声源 S 向四周均匀的发出声线，计算机跟踪每一根声线，到达接收域的记录下其传播路径、时间以及能量，未到达的则 不予记录。按照上述几种情况跟踪每一根声线，直至所有声线 均被跟踪完毕。把所有声线按照其下一步在室外的不同传播情况，大致可以分为 6 种类型：第 1 种情况为直达声。例如声线 a，从声源发出后直接传 播至接收者。方向为初始声线方向，能量只被空气吸收而减少。第 2 种情况为镜面反射声。例如声线 b，按其方向首先与 壁面 M 发生碰撞，声线碰撞后发生镜面反射，反射角等于入射角，反射声线为 c，直至传播至接收者。第 3 种情况为草地掠设吸收的声线。当声线与草地入射角 小于 30时，这个声线将被草地吸收不再跟踪，如声线 g。第 4 种情况为水平面的扩散反射声线。水平面是一个不断 变化的凹凸平面，相当于由若干个法向量不同的小平面组成。当声线发射至水平面时，无法具体判断其碰撞平面的法向量， 可以认为声线至水平面时发生了扩散反射，其反射方向是随机的，如声线 h。第 5 种情况为透射声。因树叶具有透射度，声线经过树冠 部分可以透射过去，方向不变而能量减少。如声线 t 经过树冠时按原方向透射过去，能量被树叶吸收了一部分。第 6 种情况为无效声。例如声线 e，与壁面 M 发生碰撞产 生镜面反射后，按其反射方向发射出去的声线 f，未到达接收者 且不会再与任意壁面发生碰撞，声线 f 就会按其方向发射到无穷远处，这种声线称为无效声线。若声线在传播中经历了以上几种或全部过程，则按照声线 下一步的不同情况分别处理。例如声线 h-i-j-k 其路径为：声源（S）水 面（N）墙 面（M）地 面（T）接 收 域（R），其 过 程 和能量变化如下：室外声场建模在以往的研究中，声场仿真侧重于在室内封闭声场的前提 下研究声场能量脉冲响应，进而获得其他声学参数。而对于室外声场环境则侧重于研究室外音效设计，并没有单独的室外虚拟声场模拟，因此可以根据声音在室外环境传播中所要考虑的 因素，结合声场模拟算法建立一个虚拟室外声场。3.1虚拟室外环境分析室外环境千差万别，所考虑的因素也有所不同，环境模拟 要具有一般性。大多室外环境包括路面、墙壁、花草树木、水面、土地以及其他复杂障碍物，该系统适用于一般情况下所有的室 外声场。实验选取的特定环境是基于郑州大学虚拟现实与地理信息系统实验室所承担的“郑州大学数字化校园”项目中部分校园环境（如图 2）。这部分校园环境比较空旷，只存在少量壁 面，符合室外声场的条件，其次它包括了墙壁、草地、水面、树木等具有代表性的室外因素，因此选取这部分为本实验研究的室外声场环境。3EiEjEh声源（E0）水面（扩散反射，EN）墙面（镜面反射，EM）Ek地面（镜面反射，ET）接收域（停止跟踪，En）En=E0-（Eh+Ei+Ej+Ek）-（EN+EM+ET）（2）式（2）中，E0 和 En 分别表示声线初始和终止时的能量；Eh、Ei、Ej和 Ek 分别表示 h-i-j-k 路程中被空气吸收的能量；EN、EM 和 ET分别表示被水面、墙面和地面吸收的能量。声场中判断每根声线是否终止跟踪分为 3 种情况：（1）到 达接收域的声线，若为直达声或声线在传播过程中经过数次镜面反射、扩散反射、透射等最终达到接收域，则记录下声线到达的时间、能量和传播路径，停止跟踪此声线；（2）若声线在传播 过程中发生草地掠设吸收，则把声能量赋值为零再停止跟踪；（3）若声线既没有到达接收域又不再与声场中任意壁面发生碰 撞，跟踪此声线直到其能量小于设置的能量最小阈值，则停止跟踪不做记录。图 2 校园模型把校园模型对应简化如图 3 所示，设定高度低于 50 m 时温度为 26，声速为 340 m/s，声波频率为 1 kHz，初始声功率为1 W，各材质的吸声系数如表1。f声源 S接收者e墙面 Mb系统设计与流程图3.2c25dk3.2.1 系统设计该系统利用 Visual Studio2005 和 Matlab 工具完成程序设 计和结果处理，系统设计主要包括 5 部分：数据输入、模型显tji水面 N室外声场仿真草地 O图 3水泥地 TRagh材质吸声系数材质吸声系数水泥地0.05墙壁（瓷砖）0.03 路灯柱（金属）0.15 树叶0.69空气0.002 5草地0.690 0 水0.010 0 树干0.150 03.3改进的声线跟踪法步长法动态定义接收点在虚拟环境中，随着视点的随机移动接收点也在实时的变 化，没有预见性和固定的轨迹。然而不可能每次更新接收点就执行一次声线跟踪，那样将导致计算机的计算量非常大。因此需要找到一种方法，使得在听音效果与计算效率之间能够比较折衷。经典的声线跟踪法虽然具有较高的计算速度，但要求声源 和接收点都静止不动，不能直接用于移动接收者的环境中，在此基础上提出一种步长法来动态定义接收点位置的声线跟踪法。3.3.1 算法设计建筑声学定义：室外空间 1 m 范围内听音效果差别不大。因此可以这样假设：视点初次定位的点为接收点，以该点为球 心做一个 0.5 m 为半径的小球体视点域（如图 6），在这个球体视点域内部所有点的听音效果基本无差别，即具有相似的脉冲响应，只要视点没有超出这个范围就不再进行声线跟踪的更 新。一旦视点移动出这个初始视点域，就需要重新执行声线跟踪，把视点离开初始球体后的第一个位置定义为球心，以同样 的方法做球体视点域，依此类推。序流程图表示。草地？树冠？全部跟踪结束？结束Y图 4 流程图N3.2.2 算法分析初始声线的方向由极角 和方位角 准 唯一确定，如图 5（a）所示。由 和 准 可得初始声线方向 t0 的方向余弦：cos =sin cos 准cos =sin sin 准cos =cos （3）如图 5（b）所示，声源 S 发出声线后判断是否到达接收域即判断接收点 R 到声线的距离 d（式（4）是否小于接收域半径r。如果这根声线为初始声线，则按此判断是否为直达声。图 6 一个小球体步长3.3.2 有效性和实时性检验 对于一个小球体步长内的所有接收点，验证其脉冲响应是否差别不大只需选取球体内部两个极限点，如图 6 相隔 1 m 的A、B 两点，分别以 A 点和 B 点为接收点进行实验，实验环境仍 为本实验初始设定的各环境因素。取 A 点为初始接收点，B 点 为朝着声源 S 方向沿 X 轴移动 1 m，可得实验结果如表 2。（4）d=lsin a若 dr 则声线被接收不再跟踪，否则判断是否与壁面 M 发生碰撞。若发生镜面反射如图 5（c）镜面反射声线 t1，反射角等于 入射角，反射方向 t1 的方向余弦为：cos 1=cos 0-2cos 1=cos 1-2cos 1=cos 0-2（5）表 2实验结果式中，下标 0，1 分别表示碰撞前、后； 表示声线与碰撞面法线夹角的方向余弦；（，）表示该法线的方向余弦。若发生扩散实验结果A 点B 点声线总数/根接收到声线数目/根 最小能量/dB 最大能量/dB 最早到达时间/ms 最晚到达时间/ms 程序执行时间/ms3 0251441.4091.85344.25790.43154.683 0251741.2692.06344.31792.41151.59反射如图 5（d）扩散反射声线 t ，则反射方向由计算机随机产生20，1内两个相互独立的随机数 r1 和 r2 来确定，扩散反射方向 t2的极角和方位角计算如式（6），其方向余弦按式（3）计算。2准=r2 2=r1/2（6）传播过程中能量变化分为与壁面碰撞后的能量和只产生空气吸收的能量，在图 5（c）中分别用 e0 和 e1 来表示。平均执行时间/ms153.142-ms0由实验结果可见，B 点较 A 点接近声源，其接收到的声线数目也较 A 点稍多，A、B 两个接收点在接收时间、接收到最大 最小能量以及能量脉冲响应（图 7）方面基本无差别，可知此方e0=en（1-w）e（7）-ms1e1=ene式中 en 为上一个碰撞点后的能量；w 为碰撞面的吸声系数；m为空气的吸声系数；s0 和 s1 分别为碰撞前、后声线的传播距离。若发生草地掠设吸收，则直接令 e0=0，不再跟踪；若发生树冠透能量脉冲响应能量脉冲响应100908070605040302010100908070605040302010RRdRZBB（e1）S tSS1adt1t00O准ts1M2s0XYA（e0）MAMA03000300400 500 600t/ms（a）A 点700800400 500 600 700 800t/ms（b）B 点（a）声线的极角和方位角（b）接收域（c）镜面反射（d）扩散反射图 5 声线传播的方向和能量图 7能量脉冲响应E/dBE/dBS0.5 mABO开始掠设吸收求镜面反射方向YNN输入参数方向不变能量减小求扩散反射方向夹角30？Y声源发出一根声线YN能量 YYN水面？到接收域？NYY与壁面相交？记录结果，数据处理N阈值？N方法具有较好的实时性，能够满足视点不断变化的虚拟场景。减，其能量脉冲响应用最小二乘法进行曲线拟合得到的是一个直线方程；（3）接收点距离声源越近接收半径就越小，接收到的声线 数目越多，接收到的能量也越大，从开始接收到接收结束的时 间也越早，如 B 点较 A 点距离声源近；（4）草地的掠设吸收（如图 10），声线与草地夹角小于 30时被草地吸收了，红色声线表示吸收部分；（5）水面的扩散反射，反射到水面上的声线随机产生一个 新方向，按此方向扩散。声能量变化过程声场脉冲响应是能量和时间的曲线，记录了一定时间间隔 内接收域的能量变化，从初始声线携带一部分能量开始，经过 不同路径发生不同的声学现象，声能量也随之被吸收和衰减，包括空气中的衰减和壁面碰撞吸收，能量的具体变化如图 8 所示。3.4Ra+b+cA+B+CbE0E1E2Er图 8 能量变化过程声源 S 发出一根声线携带初始能量 E0，经过路径 a 在空 气中衰减能量减少，与壁面发生碰撞，在碰撞点 A 被壁面吸收 掉一部分能量，其壁面能量的吸收取决于壁面的吸声系数。依 次经过路径 b-c-d，发生碰撞 BC，最后到达接收者的能量为 Er。图 10 草地掠设吸收5结论在声线跟踪法的基础上，结合封闭声场数值模拟和室外声 场对声音影响的特点，比较完整地研究了室外声场声音的传播方式及路径，实现了室外声场的数值模拟，进而得到室外声场能量脉冲响应。并提出了步长法动态定义接收点来改进经典声 线跟踪法中接收点固定不变的缺点，以适合虚拟场景中视点的不断移动，经实验该方法具有较好实时性和有效性。当然，在该文的研究中，还存在着很多不足，室外环境对声音的影响很复 杂，只考虑了具有代表性的几个特征，有待进一步改进。实验结果及分析该实验基于图 3 所简化的声场模型而定的声场环境，声源 的位置固定不变，改变接收者的位置和接收域大小可得实验结果如图 9 所示，（a）为 A 接收点跟踪轨迹，（b）为 B 接收点跟踪 轨迹，（c）为 A 点对应的能量脉冲响应，（d）为 B 点对应的能量脉冲响应。4BA参考文献：1 曾向阳.声场视听一体化原理及应用M西安：西北工业大学出版 社，2007.2 吴硕贤，赵越喆 .室内声学与环境声学M广州：广东科技出版社，20033 石教英.虚拟现实基础和实用算法M北京：科学出版社，20024 杨鹏，姚旺生基于动态机制的虚拟声环境构造系统的仿真J浙江 大学学报，2006，40（12）：2067-20725 万刚，王蒙，