PL223995B1 - Method for tracing tracks of acoustic rays particularly in digital signal processing - Google Patents

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania torów promieni, które stosuje się w akustyce i cyfrowym przetwarzaniu sygnałów w algorytmach śledzenia promieni do wyznaczania odpowiedzi impulsowej otoczenia. Za pomocą odpowiedzi impulsowej konstruuje się filtr cyfrowy na niej oparty i przetwarza sygnał wejściowy w celu wprowadzenia efektu pogłosowego związanego z tym otoczeniem. Generowanie toru promieni jest też używane w algorytmach śledzenia promieni w grafice komputerowej do tworzenia realistycznych obrazów.The present invention relates to a method for generating ray paths that are used in acoustics and digital signal processing in ray tracing algorithms to determine the impulse response of the environment. With the impulse response, a digital filter based on it is constructed and the input signal is processed to introduce a reverberation effect associated with this environment. Ray path generation is also used in ray tracing algorithms in computer graphics to create realistic images.

Przez „składnik” należy rozumieć substancję jednorodną pod względem gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku. Przez „ściany” należy rozumieć obiekty akustyczne zbudowane z jednego lub więcej składników umieszczone w badanym otoczeniu. Przez „pomieszczenie” lub „otoczenie” należy rozumieć także każdy układ akustyczny.By "component" is meant a substance that is homogeneous with regard to the density and speed of sound. By "walls" we mean acoustic objects composed of one or more components placed in the tested environment. By "room" or "surroundings" is also meant any acoustic system.

Znany ze stanu techniki jest sposób śledzenia promieni polegający na tym, że kierunek promienia jest losowany w punkcie początkowym, a następnie propagowany zgodnie z zasadami akustyki lub optyki geometrycznej aż do punktu końcowego. Na podstawie toru promienia oznacza się opóźnienie i tłumienie związane z przebyciem tego toru. W śledzeniu w przód punktem początkowym jest źródło światła lub dźwięku, a punktem końcowym odbiornik. W śledzeniu w tył punktem początkowym jest odbiornik, a punktem końcowym źródło. Śledzenie w przód daje bardziej realistyczne wyniki niż śledzenie w tył, ale jest bardziej kosztowne obliczeniowo.There is a ray tracing method known from the prior art in which the beam direction is randomly selected at the start point and then propagated according to the principles of acoustics or geometric optics to the end point. From the path of the beam, the deceleration and damping associated with traveling this path are determined. In forward tracking, the starting point is the light or sound source and the end point is the receiver. In backward tracking, the starting point is the receiver and the end point is the source. Forward tracking gives more realistic results than backward tracking, but is more computationally expensive.

Znany jest z patentu USA 7369663 sposób symulacji akustycznej odpowiedzi impulsowej otoczenia za pomocą śledzenia promieni w przód z uwzględnieniem współczynnika tłumienia związanego z absorpcją fali dźwiękowej w materiale, z którego jest wykonane otoczenie akustyczne, oraz z uwzględnieniem kierunkowości źródła i odbiornika. Celem sposobu jest wygenerowanie sygnałów opóźnienie-tłumienie w oparciu o losowy sygnał, który podaje kierunek rozchodzenia się dźwięku ze źródła. Sposób polega na wyznaczeniu punktu ściany pomieszczenia, do którego dociera dźwięk, rozchodząc się ze źródła w kierunku podanym przez sygnał, obliczeniu cząstkowych wartości opóźnienia-tłumienia w oparciu o wzory zawierające akustyczne współczynniki tłumienia dla poszczególnych pasm częstotliwości i wyznaczeniu następnego punktu ściany pomieszczenia z zastosowaniem zasad geometrycznego odbicia i powtarzaniu tych kroków aż punkt dotrze odpowiednio blisko położenia odbiornika i wtedy wyznaczeniu ostatecznego sygnału opóźnienia-tłumienia. Sygnał opóźnienie-tłumienie jest wykorzystywany do wyznaczenia odpowiedzi impulsowej otoczenia. W omawianym sposobie nie uwzględnia się efektu opóźnień związanych z odbiciem od materiału.There is known from the US patent 7369663 a method of simulating the acoustic impulse response of the environment by tracing the rays forward, taking into account the attenuation coefficient related to the absorption of the sound wave in the material of the acoustic environment and taking into account the source and receiver directionality. The object of the method is to generate delay-attenuation signals based on a random signal that gives the direction of sound propagation from the source. The method consists in determining the point of the room wall to which the sound reaches, radiating from the source in the direction given by the signal, calculating the partial delay-attenuation values based on formulas containing acoustic attenuation coefficients for individual frequency bands and determining the next point of the room wall using the rules geometric reflection and repeating these steps until the point reaches close enough to the receiver position and then determining the final delay-attenuation signal. The delay-suppression signal is used to determine the impulse response of the environment. In the discussed method, the effect of delays related to reflection from the material is not taken into account.

Znane ze stanu techniki w grafice komputerowej są warianty śledzenia w przód i w tył polegające na łączeniu punktu, do którego dotarła cząstka z odbiornikiem za pomocą odcinka prostoliniowego, co znacząco zwiększa, ilość wygenerowanych trajektorii przy podobnym nakładzie obliczeniowym. Znany z publikacji E. Veach, L. J. Guibas, „Optimally Combining Sampling Techniques for Monte Carlo Rendering”, Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH '95, strony 419-421, 1995 jest też algorytm śledzenia hybrydowego, który polega na tym, że generuje się zarówno trajektorie, których punktem początkowym jest źródło jak i trajektorie, których punktem początkowym jest odbiornik, a następnie łączy ich punkty za pomocą takiego odcinka. Stan techniki uwidoczniony jest na rysunku, którego Figury przedstawiają pos. 1 - tor promienia otrzymany w śledzeniu w przód z łączeniem za pomocą odcinka punktu toru promienia z punktem końcowym, pos. 2 - tor promienia otrzymany w śledzeniu w tył, pos. 3 w śledzeniu hybrydowym. Łamana ABCDE uwidoczniona w pos. 1 jest torem promienia wygenerowanym w przód. Odcinek EZ łączy ją z punktem końcowym Z. Łamana ZFEDCB uwidoczniona w pos. 2 jest torem promienia wygenerowanym w tył. Odcinek BA łączy ją z punktem końcowym A. Łamana ZFE w pos. 3 jest trajektorią wygenerowaną w tył, a łamana ABCB trajektorią wygenerowaną w przód. Odcinek ED łączy oba tory.Forward and backward tracking variants known from the state of the art in computer graphics consist in combining the point reached by the particle with the receiver by means of a straight line segment, which significantly increases the number of generated trajectories with a similar computational effort. Known from the publication of E. Veach, LJ Guibas, "Optimally Combining Sampling Techniques for Monte Carlo Rendering", Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH '95, pages 419-421, 1995, there is also a hybrid tracking algorithm that relies on this that both source and originating trajectories are generated and the receiver is connected to their points using this segment. The state of the art is shown in the drawing, the Figures of which are shown in Fig. 1 - ray path obtained in forward tracking with joining by the point segment of the ray path with the end point, pos. 2 - beam path obtained in backward tracking, pos. 3 in hybrid tracking. The broken ABCDE shown in Fig. 1 is the radius path generated in front. The segment EZ connects it with the end point of Z. Broken ZFEDCB shown in Fig. 2 is the radius path generated backwards. The BA segment connects it with the end point of A. Łamana ZFE in pos. 3 is the backward generated trajectory, and the polygonal ABCB is the forward generated trajectory. The ED section connects both tracks.

Znane jest z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US20080180442A1 śledzenie w przód wykorzystywane do tworzenia obrazów i grafiki komputerowej, w którym kierunki promieni odbitych i rozproszonych są generowane deterministycznie po zderzeniu z materiałem, a potem niektóre z przenikających lub odbitych od powierzchni materiału są losowo eliminowanie lub losowo generowane są dodatkowe promienie.It is known from the US patent application No. US20080180442A1 forward tracking used to create images and computer graphics, in which the directions of reflected and scattered rays are determined deterministically after impact with the material, and then some of the penetrating or reflected from the surface of the material are randomly eliminated or randomly generated there are extra rays.

Omawiane sposoby nie były jednak stosowane do symulacji akustycznych.However, the discussed methods were not used for acoustic simulations.

Zadaniem wynalazku jest takie wygenerowanie sygnałów opóźnienie-tłumienie w oparciu o losowy sygnał, który podaje kierunek rozchodzenia się dźwięku ze źródła tak, żeby parametry opóźnienia i tłumienia były wprost oparte na geometrii pomieszczenia, budowie jego ścian ze składników,The task of the invention is to generate delay-attenuation signals based on a random signal that gives the direction of sound propagation from the source so that the delay and attenuation parameters are directly based on the room's geometry, the structure of its walls from components,

PL 223 995 B1 które są jednorodne pod względem gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku, których rozmieszczenie w materiale jest w przybliżeniu znane, czyli w oparciu o strukturę materiału, a także pozwolą na wyznaczenie odpowiedzi impulsowej, która wiernie odda efekt pogłosowy pomieszczenia z uwzględnieniem opóźnień związanych z rozproszeniem na materiale.Which are homogeneous in terms of the density and speed of sound propagation, the distribution of which in the material is approximately known, i.e. based on the structure of the material, and will also allow to determine the impulse response that faithfully reproduces the reverberation effect of the room, taking into account the delays associated with with scatter on the material.

Sposób śledzenia toru promieni akustycznych według wynalazku polega na wybraniu punktu początkowego, wyznaczeniu punktu pomieszczenia, do którego dociera dźwięk rozchodząc się w kierunku zadanym, przez sygnał losowy na odległość zadaną przez, sygnał losowy, obliczeniu, cząstkowego opóźnienia i tłumienia, powtarzaniu wyznaczania i obliczania aż punkt dotrze odpowiednio blisko punktu końcowego i wyznaczeniu ostatecznego sygnału opóźnienia-tłumienia dla tego toru, Ostateczne opóźnienie jest sumą opóźnień cząstkowych, a ostateczne tłumienie jest iloczynem tłumień cząstkowych.The method of tracing the path of acoustic rays according to the invention consists in selecting the starting point, determining the point of the room where the sound arrives while propagating in the given direction, by the random signal to the distance given by the random signal, calculation, partial delay and attenuation, repeating the determination and calculation until the point will arrive close enough to the end point and determine the final delay-attenuation signal for that path. The final delay is the sum of the partial delays and the final damping is the product of the partial attenuations.

Korzystnie, jako punkt początkowy co najmniej jednego toru promienia wybrać odbiornik, punkt wygenerowanego toru promienia rozpoczynającego się w odbiorniku lub inny punkt pomieszczenia.Preferably, a receiver, a point of the generated beam path starting at the receiver, or other point in the room is selected as the starting point of at least one beam path.

Korzystnie, jeżeli po powtórzeniu kroków punkt nie dotarł odpowiednio blisko położenia punktu końcowego, wyznaczyć dodatkowy sygnał opóźnienie-tłumienie w oparciu o cząstkowe opóźnienie-tłumienie pomiędzy ostatnim punktem toru a punktem końcowym.Preferably, if, after repeating the steps, the point has not arrived close to the endpoint position, determine an additional delay-attenuation signal based on the partial delay-attenuation between the last point on the track and the end point.

Korzystnie, po wyznaczeniu punktu na ścianie pomieszczenia i obliczeniu cząstkowego opóźnienia-tłumienia, wyznaczyć położenie następnego punktu w oparciu o sygnał losowy podający kierunek i długość przemieszczenia i na tej podstawie obliczyć następne cząstkowe opóźnienie-tłumienie. Tak więc następne punkty toru mogą znaleźć się w ścianie.Preferably, after determining a point on the wall of the room and calculating the partial delay-attenuation, determine the position of the next point based on a random signal giving the direction and length of the displacement, and on this basis calculate the next partial delay-attenuation. So the next track points can end up in the wall.

Korzystnie, jeżeli po powtórzeniu kroków punkt znajduje się w ścianie, wyznaczyć dodatkowe cząstkowe opóźnienie-tłumienie pomiędzy aktualnym punktem a punktem na granicy ściany.Preferably, if the point is in a wall after repeating the steps, determine an additional partial delay-attenuation between the current point and the point on the wall boundary.

Cząstkowe opóźnienie i tłumienie wyznacza się na podstawie gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku w składnikach ściany lub w powietrzu: opóźnienie jako iloraz drogi pokonanej w składniku przez prędkość w tym składniku, tłumienie w składniku jest określone wzorem.The partial deceleration and attenuation are determined from the density and velocity of sound in the components of the wall or in the air: deceleration as the quotient of the distance traveled in a component by velocity in that component, and the damping in a component is given by the formula.

SNSN

F = l+— (1)F = l + - (1)

VD3 gdzie:VD3 where:

N - ilość próbek na sekundę w dźwięku, który ma być przetwarzany,N - the number of samples per second in the sound to be processed,

V - prędkość w składniku,V - speed in the ingredient,

S - odległość pokonana przez cząstkę w składniku,S - distance traveled by the particle in the component,

D - gęstość składnika.D - component density.

Amplitudę po każdym przemieszczeniu w obrębie jednorodnego składnika należy podzielić przez współczynnik F określony powyższym wzorem. Dla lepszego zrozumienia wynalazku należy zaznaczyć, że to samo równanie dyfuzji opisuje rozchodzenie się naprężeń, a więc i dźwięku w ciałach stałych i cieczach i oczywiście w gazach. Z modelu gazu zorientowanego i natury dyfuzji w powietrzu wynika, że można rozpatrywać zderzenie z materiałem jako przejście fazowe pomiędzy dwoma ośrodkami różniącymi się jedynie gęstością i prędkości rozchodzenia się dźwięku. Znane z publikacji J.W. Rohleder „Fizyka chemiczna kryształów molekularnych” PWN 1989, s. 121-122 jest pojęcie modelu gazu zorientowanego, gdy kryształ rozpatruje się jako cząsteczki gazu o odpowiednich parametrach i odpowiednio rozmieszczone w przestrzeni. Podobnie w C. Kittel „Quantum Theory of Solids”, wydanie I, 1963, Wiley and Sons, strona 28 „cząstki dźwięku na granicy kryształu z gazem lub płynu z gazem sprzęgają się ze zwykłymi falami dźwiękowymi w powietrzu”.The amplitude after each displacement within the homogeneous component is to be divided by the factor F given by the above formula. For a better understanding of the invention, it should be noted that the same diffusion equation describes the stress and thus sound propagation in solids and liquids and, of course, in gases. The oriented gas model and the nature of diffusion in air show that the collision with the material can be considered as a phase transition between two media differing only in the density and speed of sound propagation. Known from the publication of J.W. Rohleder "Chemical physics of molecular crystals" PWN 1989, pp. 121-122 is the concept of a gas oriented model, when a crystal is considered as gas molecules with appropriate parameters and appropriately distributed in space. Similarly, in C. Kittel, Quantum Theory of Solids, 1st Edition, 1963, Wiley and Sons, page 28, "sound particles at the interface between a crystal and a gas or a fluid with a gas couple with ordinary sound waves in the air."

Na gruncie mechaniki kwantowej, którą można stosować odpowiednio do rozchodzenia się dźwięku (akustyka kwantowa), ruch cząstki można interpretować jako trajektorię procesu stochastycznego, którego przyrosty są niezależnymi zmiennymi losowymi o rozkładzie normalnym. Znane z publikacji W. Feller „Wstęp do rachunku prawdopodobieństwa” tom II, PWN Warszawa 1978, strony 298 -303 i 308-310 twierdzenie Feynmana-Kaca orzeka, że równanie dyfuzji, które opisuje rozchodzenie się dźwięku na przykład w powietrzu może być interpretowane przez odpowiednio zdefiniowane trajektorie procesu stochastycznego, którego przyrosty są niezależnymi zmiennymi losowymi o rozkładzie normalnym. Parametry procesu zależą od warunków otoczenia: gęstości ośrodka i prędkości rozchodzenia się w nim dźwięku.On the basis of quantum mechanics, which can be applied appropriately to the propagation of sound (quantum acoustics), the motion of a particle can be interpreted as a trajectory of a stochastic process, the increments of which are normally distributed independent random variables. The Feynman-Kac theorem, known from W. Feller's publication "Introduction to probability calculus" vol. II, PWN Warszawa 1978, pages 298-303 and 308-310, which describes the propagation of sound in air, for example, can be interpreted by properly defined trajectories of the stochastic process, the increments of which are independent random variables with a normal distribution. The process parameters depend on the environmental conditions: the density of the medium and the speed of sound propagation in it.

W niektórych sytuacjach na przykład do opisu turbulencji właściwie użyć jest procesów, których przyrosty nie są niezależne albo są silnie zależne. Procesy o charakterze zbliżonym do słabychIn some situations, for example, to describe turbulence, it is appropriate to use processes whose increments are not independent or are strongly dependent. Processes of a nature similar to the weak

PL 223 995 B1 turbulencji mogą wystąpić dla wnętrz częściowo otwartych na wolnym powietrzu podczas stopniowego ogrzewania na przykład rano.Turbulence can occur in partially open spaces to the open air during gradual heating, for example in the morning.

Znane ze stanu techniki jest zastosowanie opisu kwantowego do badania zjawisk zachodzących w materiałach dla bardzo małych odległości i bardzo wysokich częstotliwości (ultradźwięki) tj. akustyka kwantowa. Uważa się, że tylko w tych sytuacjach opis kwantowy różni się od klasycznego. Oczywiście, można stosować opis kwantowy w pozostałych sytuacjach na przykład dla akustyki dźwięków słyszalnych jako ogólniejszy, ale uważa się, że jest niepraktyczne. Wbrew temu powszechnemu mniemaniu, niektóre efekty akustyki dźwięków słyszalnych mogą być związane z efektami kwantowymi. Na przykład wpływ rodzaju materiału w ścianach pomieszczenia na barwę rozchodzącego się dźwięku, którego istnienie jest dla akustyka oczywiste, może być powiązany z efektami kwantowymi dlatego, że dotyczy drobnych zmian częstotliwości na bardzo krótkich odcinkach czasu.It is known from the prior art to use quantum description to study phenomena occurring in materials for very small distances and very high frequencies (ultrasound), i.e. quantum acoustics. Only in these situations is it believed that the quantum description differs from the classical one. Of course, the quantum description can be used in other situations, for example for the acoustics of sounds audible more generally, but it is considered impractical. Contrary to popular belief, some acoustic effects of audible sounds may be related to quantum effects. For example, the effect of the type of material in the walls of the room on the color of the sound that is sound, the existence of which is obvious to acoustics, may be related to quantum effects because it concerns small changes in frequency over very short periods of time.

W znanych rozwiązaniach śledzenia promieni początkowy kierunek promienia jest losowany. Nowość polega na tym, że w każdym kolejnym, kroku następne położenie punktu jest losowane przez wybór kierunku promienia. Tak więc, gdy promień dociera do powierzchni nie zostanie odbity zgodnie z zasadami geometrycznymi, ale zostanie skierowany do innego wylosowanego punktu wewnątrz ściany, na jej powierzchni, wewnątrz pomieszczenia lub na zewnątrz pomieszczenia. Wynika stąd, że przy tym podejściu zasada, że kąt odbicia równa się kątowi padania nie będzie zachowana dla poszczególnych trajektorii. Oczywiście, będzie ona zachowana po uśrednieniu odpowiednio dużej liczby trajektorii docierających do granicy materiału. W schemacie kwantowym, prawa akustyki geometrycznej (odbicie, załamanie) wynikają z uśredniania trajektorii procesów stochastycznych przy odpowiednich wartościach parametrów rozchodzenia się fali w graniczących ze sobą ośrodkach. Bardziej znane jest równoważne podejście polegające na całkowaniu po drogach tzw. Path integral.In known ray tracing solutions, the starting beam direction is randomized. The novelty is that in each subsequent step, the next point location is randomized by selecting the direction of the radius. Thus, when the ray reaches the surface, it will not be reflected according to the geometrical rules, but will be directed to another randomly selected point inside the wall, on its surface, inside the room or outside the room. It follows that in this approach, the principle that the angle of reflection is equal to the angle of incidence will not be respected for individual trajectories. Of course, it will be maintained after averaging a sufficiently large number of trajectories reaching the material boundary. In the quantum scheme, the laws of geometric acoustics (reflection, refraction) result from averaging the trajectories of stochastic processes with appropriate values of wave propagation parameters in adjacent media. The more known equivalent road integration approach is the so-called Path integral.

Podejście przez generowanie trajektorii procesów stochastycznych nie jest stosowane w grafice komputerowej, gdyż wymagałoby generowania dużej liczby trajektorii. Jednak omówione w przykładowej realizacji zmiany kolejności wyznaczania opóźnień i tłumień powodują, że obliczenia odbywają się znacznie szybciej i są łatwe do zrównoleglenia oraz realizacji sprzętowej. Ponadto dla słuchacza istotnym kryterium jest zapoznanie się z akustyką wybranego wnętrza koncertowego i wtedy ewentualnie dłuższy czas zużyty na symulację, która może być przeprowadzona przed odsłuchem, jest możliwy do zaakceptowania.The approach by generating trajectories of stochastic processes is not used in computer graphics, as it would require the generation of a large number of trajectories. However, the changes in the order of determining delays and dampings discussed in the exemplary implementation cause that the calculations are much faster and are easy to parallelize and implement hardware. In addition, for the listener, an important criterion is to become familiar with the acoustics of the selected concert interior, and then possibly a longer time spent on the simulation, which can be carried out before the listening session, is acceptable.

Dzięki śledzeniu torów promieni akustycznych według wynalazku uzyskuje się większą szybkość i dokładność oraz możliwość uwzględnienia parametrów materiału użytego w budowie otoczenia akustycznego. Wynalazek umożliwia zastąpienie w symulacjach akustycznych mierzonych z pewnym przybliżeniem właściwości pogłosowych pomieszczenia (odpowiedź impulsowa) przez właściwości strukturalne użytych materiałów i geometrię powierzchni wnętrza. Daje to pełniejszy opis akustyczny pomieszczenia.By tracing the paths of acoustic rays according to the invention, greater speed and accuracy are achieved, as well as the possibility of taking into account the parameters of the material used in the construction of the acoustic environment. The invention makes it possible to replace, in acoustic simulations measured with a certain approximation, the reverberation properties of a room (impulse response) by the structural properties of the materials used and the geometry of the interior surface. This gives a more complete acoustic description of the room.

Do celów zastosowania w symulacji akustyki wnętrz lub brzmienia instrumentów wystarczają podstawowe informacje takie jak rozmiar ziarna składników mieszanki, ich przybliżona gęstość lub proporcje ilościowe wpływające na względne rozmieszczenie składników, typowa szerokość słojów drewna i ich ułożenie oraz przybliżone prędkości rozchodzenia się dźwięku w każdym ze składników. W niektórych sytuacjach uzyskuje się bardzo dobre rezultaty nawet przyjmując całkowitą izotropowość drewna, które tej własności oczywiście nie posiada.For use in simulating interior acoustics or instrument sounds, basic information such as the grain size of the mixture components, their approximate density or quantitative proportions affecting the relative distribution of the components, the typical wood grain width and arrangement, and the approximate sound velocities of each component are sufficient. In some situations very good results are obtained even if the wood is completely isotropic, which obviously does not have this property.

Dzięki użyciu paradygmatu kwantowego uzyskuje się uproszczenie algorytmów obliczeniowych (losowanie kolejnych położeń zamiast obliczeń geometrycznych) i można uwzględnić szczegóły struktury materiału. Jak wiadomo rodzaj materiału ma wpływ na barwę rozpraszanego dźwięku.By using the quantum paradigm, the computational algorithms are simplified (random positions instead of geometric calculations) and the details of the material structure can be taken into account. As you know, the type of material affects the color of the diffused sound.

Z drugiej strony mogą za to odpowiadać jedynie cechy fizyczne materiału. Charakter tych zależności nie był do tej pory zbadany, a barwa dźwięku jest często uważana za kryterium subiektywne. Sposób według wynalazku z uwagi na daleko idącą prostotę działań daje możliwość implementacji sprzętowej, szybkiej implementacji na komputerze lub wysoko wydajnej implementacji za pomocą specjalizowanych urządzeń umieszczonych na kartach.On the other hand, only the physical properties of the material can be responsible for this. The nature of these relationships has not been studied so far, and timbre is often considered a subjective criterion. The method according to the invention, due to the far-reaching simplicity of operations, allows for hardware implementation, quick implementation on a computer or highly efficient implementation by means of specialized devices located on cards.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia przykładowy wygenerowany tor promienia w pomieszczeniu otoczonym ścianami, fig. 2 przykładowy wygenerowany tor promienia wewnątrz pomieszczenia przedłużony w każdym punkcie toru odcinkami do punktu końcowego, fig. 3 przykładową wygenerowaną część toru promienia w ścianie pomieszczenia przedłużony w każdym punkcie toru odcinkami do punktu Z przy granicy ściany, fig. 4 i 5 strukturę materiału użytego w pierwszym przykładzie wykonania (rozmieszczenie ziaren materiału) fig. 6 i 7 hipotetyczne wnętrze użyte w drugim przykładzie.The subject of the invention is presented in the drawings, in which Fig. 1 shows an exemplary generated beam path in a room surrounded by walls, Fig. 2 an exemplary generated beam path inside the room extended at each point of the path with sections to the end point, Fig. 3 an exemplary generated beam path part in the wall of the room extended at each point of the track by sections to the point Z at the wall boundary, Figs. 4 and 5, the structure of the material used in the first embodiment (material grain distribution), Figs. 6 and 7, the hypothetical interior used in the second example.

PL 223 995 B1PL 223 995 B1

Pierwszy przykład realizacji wynalazku polega na wyznaczeniu odpowiedzi impulsowej w otoczeniu o kształcie sześcianu o wymiarach 10 m na 10 m na 10 m i ścianach grubości 30 cm z materiału składającego się z trzech rodzajów ziaren A, B i C, których własności są zestawione w tabeli 1 i wprowadzeniu efektu pogłosowego. Wzajemne położenie ziaren A i B jest uwidocznione na fig. 4, a ziaren A, B i C na fig. 5.The first embodiment of the invention consists in determining the impulse response in a cube-shaped environment with dimensions of 10 m by 10 m by 10 m and walls with a thickness of 30 cm made of a material consisting of three types of grains A, B and C, the properties of which are summarized in Table 1 and introducing a reverberation effect. The relative position of the grains A and B is shown in Fig. 4, and the grains A, B and C in Fig. 5.

Źródło dźwięku znajduje się w punkcie o współrzędnych (6 m, 4 m, 2 m) względem lewego dolnego narożnika pomieszczenia, a odbiornik w punkcie o współrzędnych (4 m, 6 m, 2 m) względem lewego dolnego narożnika pomieszczenia.The sound source is at the coordinates (6 m, 4 m, 2 m) relative to the lower left corner of the room, and the receiver at the coordinates (4 m, 6 m, 2 m) relative to the lower left corner of the room.

Dla standardu jakości dźwięku na płytach kompaktowych 16 bitów i 44100 próbek na sekundę otrzymano dokładność amplitudy, czyli iloraz najmniejszej możliwej zmiany amplitudy i zakresu amplitudy, 1:2¹⁶.For the compact disc sound quality standard of 16 bits and 44100 samples per second, the obtained amplitude accuracy, i.e. the ratio of the smallest possible amplitude change and the amplitude range, was 1: 2 ¹⁶ .

T a b e l a 1.T a b e l a 1.

Składnik jednorodny Ingredient homogeneous Średnica ziarna [cm] Grain diameter [cm] Gęstość [kg/m³]Density [kg / m ³ ] Prędkość rozchodzenia się dźwięku [m/s] Speed of sound [m / s] Ziarno A Grain A. 1 1 3000 3000 4000 4000 Ziarno B Grain B 0,1 0.1 2550 2550 4000 4000 Ziarno C Grain C. 0,01 0.01 2100 2100 4000 4000 Powietrze Air - - 1,7 1.7 340 340

Rozpoczyna się od wyboru punktu początkowego w źródle, następnie w oparciu o sygnał losowy wybiera się kierunek rozchodzenia się dźwięku ze źródła i wyznacza się położenie punktu na ścianie pomieszczenia, zakładając rozchodzenie się dźwięku w wybranym kierunku, oraz odpowiadające mu cząstkowe opóźnienie-tłumienie. Następnie, znów w oparciu o sygnał losowy podający kierunek i długość przemieszczenia wyznacza się punkt, który może wypaść w obrębie ściany i zależnie od tego, przez które rodzaje ziarna czy przez powietrze przebiega przemieszczenie, wyznacza się odpowiednie cząstkowe opóźnienia-tłumienia. Gdy punkt wyznaczony przez przemieszczenie i kierunek opuści ścianę, ponownie wyznacza się kierunek rozchodzenia się dźwięku w oparciu o sygnał losowy oraz położenie punktu na ścianie pomieszczenia i znów wyznacza cząstkowe opóźnienie-tłumienie, a następnie wyznacza się dodatkowe ostateczne opóźnienie-tłumienie w oparciu o kierunek rozchodzenia się dźwięku wyznaczony przez połączone punktu na ścianie pomieszczenia z punktem końcowym. Powyższe kroki powtarza się aż ostateczne tłumienie przekroczy założony poziom - w tym wypadku 1:2¹⁶.It starts with the selection of the starting point in the source, then, based on a random signal, the direction of sound propagation from the source is selected and the position of the point on the room wall is determined, assuming that the sound propagates in the selected direction and the corresponding partial delay-attenuation. Then, again, based on the random signal specifying the direction and length of the displacement, a point is determined that may fall within the wall, and depending on which grain types or through which the displacement passes through the air, the corresponding partial damping delays are determined. When the point determined by the displacement and the direction leaves the wall, the direction of sound propagation is again determined based on the random signal and the position of the point on the wall of the room and again the partial delay-attenuation is determined, and then the additional final delay-attenuation is determined based on the direction of propagation The sound is determined by the connected point on the room wall with the end point. The above steps are repeated until the final attenuation exceeds the assumed level - in this case 1: 2 ¹⁶ .

Następnie należy przejść do generowania następnej trajektorii. Minimalna liczba torów promieni jest związana ze skomplikowaniem geometrii wnętrza i jest odwrotnością rozmiaru kątowego elementów znajdujących się w odległości porównywalnej z odległością źródła i odbiornika lub przeniesionych do takiej odniesionego w proporcji do powierzchni sfery o promieniu równym odległością źródła i odbiornika. Promień narożnika sześcianu rozumianego jako odchylenie od sfery pośredniej pomiędzy wpisaną a opisana na pomieszczeniu wynosi około 3 m. Takich obiektów mieści się na sferze o promieniu 3 m (odległość źródła od odbiorniku) około 54 i taką przyjęto minimalną liczbę trajektorii. Generowanie nowych trajektorii należy zatrzymać, jeśli przez dodanie następnej trajektorii wartość tłumienia związanego dla żadnego opóźnienia nie rośnie o więcej niż 5%.Then proceed to generate the next trajectory. The minimum number of ray paths is related to the complexity of the interior geometry and is the reciprocal of the angular size of the elements located at a distance comparable to the distance of the source and receiver, or transferred to such, in proportion to the area of the sphere with a radius equal to the distance of the source and receiver. The radius of the cube corner, understood as the deviation from the sphere between the inscribed and the one described in the room, is about 3 m. Such objects are located on a sphere with a radius of 3 m (distance from the source to the receiver) of about 54 and the minimum number of trajectories was assumed. The generation of new trajectories should be stopped if, by adding another trajectory, the value of associated damping for any delay does not increase by more than 5%.

Opóźnienia należy zaokrąglić do odwrotności przyjętej ilości próbek na sekundę w przetwarzanym sygnale w tym wypadku do 1/44100 s. Następnie zsumować współczynniki tłumienia, dla których zaokrąglone opóźnienia są równe. Otrzymane wartości stanowią współczynniki filtra, który odpowiada własnościom akustycznym pomieszczenia. Przez przetworzenie sygnału za pomocą tego filtra przez splot wprowadza się w sygnale efekt pogłosowy.The delays should be rounded to the reciprocal of the assumed number of samples per second in the processed signal, in this case to 1/44100 s. Then sum up the damping factors for which the rounded delays are equal. The obtained values constitute the filter coefficients that correspond to the acoustic properties of the room. By processing the signal with this filter through the convolution, a reverberation effect is introduced into the signal.

Dla obliczonej odpowiedzi impulsowej i skonstruowanego filtra cyfrowego wykonano przetwarzanie fali sinusoidalnej o częstotliwościach 125, 250, 500, 1000, 2000 i 4000 Hz i czasie trwania 25 sekund. Otrzymano czasy pogłosu dla spadku amplitudy od -5 dB do -60 dH (RT60) zestawione dla większej czytelności w Tabeli 2.For the calculated impulse response and the constructed digital filter, sinusoidal wave processing with frequencies 125, 250, 500, 1000, 2000 and 4000 Hz and duration of 25 seconds was performed. The reverberation times for the amplitude decrease from -5 dB to -60 dH (RT60) were obtained, summarized for greater readability in Table 2.

Drugi przykład realizacji wynalazku polega na wprowadzeniu efektu pogłosowego związanego z hipotetycznym wnętrzem uwidocznionym na fig. 6 i w rzucie pionowym na fig. 7 o półkolistych stopniach o wewnętrznym promieniu 10 m i zewnętrznym 20 m nachylonych pod kątem 45° wysokości 1 m oraz o prostopadłościennej scenie o szerokości 40 m i głębokości 2 m zamkniętej wysoką na 10 mThe second embodiment of the invention consists in introducing the reverberation effect associated with the hypothetical interior shown in Fig. 6 and in the elevational view in Fig. 7 with semicircular steps with an internal radius of 10 m and an external 20 m inclined at an angle of 45 ° in height 1 m and a rectangular stage with a width of 40 m and a closed depth of 2 m, 10 m high

PL 223 995 B1 ₃ ścianą przy założeniu, że wszystkie elementy wykonane są z materiału o gęstości 400 kg/m³ i prędkości rozchodzenia się dźwięku 4000 m/s grubości 10 cm. Źródło dźwięku znajdowało się na wysokości 1,7 m nad krawędzią sceny. Odbiornik znajdował się na wysokości 0,8 m nad pierwszym rzędem siedzeń. Punkt początkowy został wybrany w źródle, punkt końcowy - w odbiorniku.223 995 B1 wall ₃ on the assumption that all the components are made of a material having a density of 400 kg / m ³ and the speed of sound of 4000 m / s 10 cm. The sound source was 1.7 m above the edge of the stage. The receiver was 0.8 m above the first row of seats. The start point is selected in the source, the end point - in the receiver.

Tabela 2.Table 2.

Częstotliwość [Hz] Frequency [Hz] 125 125 250 250 500 500 1000 1000 2000 2000 4000 4000 Czas pogłosu [ms] Reverberation time [ms] 1959 1959 486 486 1248 1248 475 475 890 890 519 519

W celu przyspieszenia obliczeń użyto zmniejszonej do 441 ilości próbek w obliczaniu tłumień i opóźnień. Przy przetwarzaniu pozostawiono próbkowanie z częstotliwością 44100 próbek na sekundę. Otrzymano wyjątkowo krótki pogłos dla podstawowego pasma mowy ludzkiej (około 250 Hz). Czasy pogłosu (RT60) dla tego wnętrza zostały dla większej czytelności zestawione w Tabeli 3.In order to speed up the calculations, the number of samples reduced to 441 was used in the calculation of attenuations and delays. Processing allowed sampling at 44100 samples per second. An exceptionally short reverberation was obtained for the basic range of human speech (about 250 Hz). The reverberation times (RT60) for this interior are summarized in Table 3 for clarity.

T a b e l a 3.T a b e l a 3.

Częstotliwość [Hz] Frequency [Hz] 125 125 250 250 500 500 1000 1000 2000 2000 4000 4000 Czas pogłosu [ms] Reverberation time [ms] 350 350 15 15 986 986 225 225 250 250 1170 1170

W opisie użyto dla przemieszczenia współrzędnych (kierunek, długość), jednak znawca z łatwością wykorzysta inne układy współrzędnych odnoszące się do przemieszczenia.The description uses for the displacement of coordinates (direction, length), however, one skilled in the art will readily use other coordinate systems relating to displacement.

Znawca z łatwością wprowadzi modyfikacje pozwalające uwzględnić kierunkowość źródła i odbiornika za pomocą odpowiednich współczynników tłumienia zadanych przez charakterystykę źródła i odbiornika.One skilled in the art will readily make modifications to accommodate the source and receiver directivity by appropriate attenuation factors given by the source and receiver characteristics.

Możliwe jest użycie innych rozkładów do losowania kierunku promienia zamiast rozkładu, jednostajnego na sferze.It is possible to use other distributions to randomize the direction of the ray instead of a uniform distribution across the sphere.

Znawca dla ścian, o strukturze krystalicznej lub polikrystalicznej wprowadzi odpowiednie modyfikacje w rozkładzie zmiennej losowej opisującej kierunek i długość przemieszczenia tak, by przyjmowała jedynie wartości z siatki krystalicznej oraz uwzględni różnice w prędkościach rozchodzenia się dźwięku w kierunkach osi kryształu.A person skilled in the art of walls with a crystal or polycrystalline structure will introduce appropriate modifications in the distribution of a random variable describing the direction and length of the displacement so that it only takes values from the crystal lattice and takes into account the differences in the speed of sound propagation in the directions of the crystal axis.

Wartości tłumienia i opóźnienia mogą też zostać wyznaczone przez wybór deterministyczny lub losowy punktów pośrednich w materiale do obliczania średniej gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku, którymi znawca zastąpi wartości we wzorze (1) oraz w wyznaczaniu opóźnienia, co pozwoli na dodatkowe zwiększenie stabilności numerycznej wyników. Ilość punktów pośrednich powinna zależeć od gradientu gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku w składniku.The attenuation and delay values can also be determined by selecting deterministic or random intermediate points in the material for calculating the average density and speed of sound propagation, with which the skilled person will replace the values in formula (1) and in determining the delay, which will further increase the numerical stability of the results. The number of intermediate points should depend on the density gradient and the speed of sound propagation in the component.

Dla uzyskania bardziej realistycznych wyników znawca może wprowadzić losowe przemieszczenia środków ziaren składników. Podobnie może też wprowadzić losowe zakłócenia średnic ziaren lub losowe zakłócanie ich gęstości i prędkości rozchodzenia się dźwięku.For a more realistic result, one skilled in the art may introduce random displacements of the center of the grains of the ingredients. Similarly, it can also introduce random disturbances in grain diameters or random disturbances in their density and speed of sound propagation.

W przedstawionym opisie omówiono przypadek pojedynczego źródła i pojedynczego odbiornika. Oczywiście łatwo można wprowadzić modyfikacje umożliwiające symulację dla wielu źródeł i odbiorników, a także dla źródeł i odbiorników rozciągłych w przestrzeni.In the description provided, the case of a single source and a single receiver is discussed. Of course, it is easy to make modifications to allow simulation for multiple sources and receivers, as well as for sources and receivers extended in space.

Dla wyznaczenia szybkich wersji omawianego sposobu do zastosowania w grach i innych podobnych zastosowaniach, gdzie czas ma znaczenie krytyczne, znawca z łatwością wprowadzi modyfikacje pozwalające na uwzględnienie wpływu najbliżej położonych ścian i innych istotnych elementów, uzupełniając je odcinkiem łączącym z punktami wcześniej wygenerowanego toru promienia łączącego punkty pomieszczenia.In order to designate quick versions of the discussed method for use in games and other similar applications, where time is critical, the expert will easily introduce modifications allowing to take into account the influence of the nearest walls and other important elements, supplementing them with a segment connecting them with the points of the previously generated radius path connecting the points rooms.

Również znawca z łatwością wprowadzi dalsze modyfikacje, które kosztem niektórych parametrów jakościowych umożliwią szybszą symulację wnętrza lub ruchomości źródła i odbiorcy, co ma istotne znaczenie na przykład w grach komputerowych lub symulacji tak zwanych światów wirtualnych. Można też opracować tłumienia i opóźnienia związane z różnymi rodzajami materiału uprzednio tak, by nie było konieczności ich powtarzania w symulacji w czasie rzeczywistym na przykład podczas gry, W tym celu pożyteczne jest generowanie trajektorii rozpoczynających się w wybranych punktach pomieszczenia, które nie są ani źródłem, ani odbiornikiem. Wtedy w symulacji czasu rzeczywistegoAlso, the skilled person will easily introduce further modifications, which, at the expense of some quality parameters, will enable faster simulation of the interior or mobility of the source and the recipient, which is important, for example, in computer games or simulations of the so-called virtual worlds. You can also develop dampings and delays related to different types of material in advance, so that they do not have to be repeated in real-time simulation, for example during a game.For this purpose, it is useful to generate trajectories starting at selected points in the room that are not the source, nor the receiver. Then in real-time simulation

PL 223 995 B1 wystarczy połączyć źródło i odbiornik za pomocą odcinka prostoliniowego z trajektorią rozpoczynającą się w punkcie bliskim źródła i kończącą w punkcie bliskim odbiornika i wykorzystać związane z nią tłumienia i opóźnienia do znalezienia łącznego efektu pogłosowego otoczenia akustycznego w wystarczająco krótkim czasie.It is sufficient to connect the source and the receiver via a rectilinear section with a trajectory starting at a point close to the source and ending at a point close to the receiver, and use the associated attenuations and delays to find the combined effect of the reverberant environment in a sufficiently short time.

W celu wprowadzenia modyfikacji umożliwiających uwzględnienie słabych turbulencji, które mogą wystąpić we wnętrzach częściowo otwartych na przykład rano, znawca wprowadzi zamiast współczynnika tłumienia F jego odpowiednią potęgę o wykładniku mniejszym od 1.In order to introduce modifications to take into account the weak turbulence that may occur in partially open interiors, e.g. in the morning, the person skilled in the art will introduce, instead of the damping factor F, its corresponding power with an exponent less than 1.

W przedstawionym opisie źródło i odbiornik znajdują się w części pomieszczenia zajmowanej przez powietrze. Znawca z łatwością wprowadzi modyfikacje konieczne, gdy źródło lub odbiornik znajduje się wewnątrz ściany. Podobnie, gdy źródło lub odbiornik znajdują się po przeciwnych stronach ściany. W przedstawionej przykładowej realizacji wynalazku użyto śledzenia w przód, jednak podobnie można użyć śledzenia w tył, śledzenia hybrydowego, lub innego podobnego schematu.In the description presented, the source and the receiver are located in the part of the room occupied by air. The skilled person will easily make the necessary modifications when the source or receiver is inside the wall. Likewise, when the source or receiver are on opposite sides of the wall. Forward tracking is used in this exemplary embodiment of the invention, however, reverse tracking, hybrid tracking, or some other similar scheme can be used similarly.

Claims (5)

1. Sposób śledzenia toru promieni akustycznych polegający na wybraniu punktu początkowego, wyznaczeniu punktu pomieszczenia, do którego dociera dźwięk rozchodząc się w zadanym kierunku na zadaną odległość, obliczeniu cząstkowego opóźnienia i tłumienia, powtarzaniu wyznaczania i obliczania aż punkt dotrze odpowiednio blisko punktu końcowego i wyznaczeniu ostatecznego sygnału opóźnienia-tłumienia dla tego toru, znamienny tym, że co najmniej dwa razy kierunek rozchodzenia się dźwięku jest wyznaczony przez sygnał losowy.1.A method of tracing the path of acoustic rays consisting in selecting the starting point, determining the point in the room where the sound reaches when it propagates in a given direction for a given distance, calculating the partial delay and attenuation, repeating the determination and calculation until the point reaches sufficiently close to the end point and determining the final a delay-attenuation signal for the path, characterized in that at least twice the sound propagation direction is determined by a random signal. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że punktem początkowym co najmniej jednego toru promienia jest odbiornik, punkt wygenerowanego toru promienia rozpoczynającego się w odbiorniku lub inny punkt pomieszczenia.2. The method according to p. The method of claim 1, wherein the starting point of at least one beam path is a receiver, a point of a generated beam path starting at the receiver, or another point in the room. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej raz, gdy punkt znajduje się w ścianie, długość przemieszczenia jest wyznaczona przez sygnał losowy.3. The method according to p. The method of claim 1, wherein at least once the point is in the wall, the length of the displacement is determined by the random signal. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej raz kierunek rozchodzenia się dźwięku jest wyznaczony przez połączenie aktualnego punktu toru promienia z punktem końcowym.4. The method according to p. The method of claim 1, wherein the sound propagation direction is defined at least once by connecting the current point of the ray path to the end point. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że co najmniej raz, gdy punkt znajduje się w ścianie, kierunek rozchodzenia się dźwięku oraz długość przemieszczenia są wyznaczone przez połączenie aktualnego punktu toru promienia z punktem przy granicy ściany.5. The method according to p. The method of claim 4, characterized in that, at least once, when the point is in a wall, the sound propagation direction and the length of the displacement are determined by connecting the current point of the ray path to a point at the wall boundary.