Acoustic Simulation and Visualization Algorithms

  • Computer-based simulation and visualization of acoustics of a virtual scene can aid during the design process of concert halls, lecture rooms, theaters, or living rooms. Because, not only the visual aspect of the room is important, but also its acoustics. In factory floors noise reduction is important since noise is hazardous to health. Despite the obvious dissimilarity between our aural and visual senses, many techniques required for the visualization of photo-realistic images and for the auralization of acoustic environments are quite similar. Both applications can be served by geometric methods such as particle- and ray tracing if we neglect a number of less important effects. By means of the simulation of room acoustics we want to predict the acoustic properties of a virtual model. For auralization, a pulse response filter needs to be assembled for each pair of source and listener positions. The convolution of this filter with an anechoic source signal provides the signal received at the listener position. Hence, the pulse response filter must contain all reverberations (echos) of a unit pulse, including their frequency decompositions due to absorption at different surface materials. For the room acoustic simulation a method named phonon tracing, since it is based on particles, is developed. The approach computes the energy or pressure decomposition for each particle (phonon) sent out from a sound source and uses this in a second pass (phonon collection) to construct the response filters for different listeners. This step can be performed in different precision levels. During the tracing step particle paths and additional information are stored in a so called phonon map. Using this map several sound visualization approaches were developed. From the visualization, the effect of different materials on the spectral energy / pressure distribution can be observed. The first few reflections already show whether certain frequency bands are rapidly absorbed. The absorbing materials can be identified and replaced in the virtual model, improving the overall acoustic quality of the simulated room. Furthermore an insight into the pressure / energy received at the listener position is possible. The phonon tracing algorithm as well as several sound visualization approaches are integrated into a common system utilizing Virtual Reality technologies in order to facilitate the immersion into the virtual scene. The system is a prototype developed within a project at the University of Kaiserslautern and is still a subject of further improvements. It consists of a stereoscopic back-projection system for visual rendering as well as professional audio equipment for auralization purposes.
  • Computergestützte Simulation und Visualisierung der akustischen Verhältnisse eines geschlossenen Raumes kann beim Design von Konzertsälen, Vorlesungsräumen, Theratern oder aber auch Wohnzimmern helfen. Denn nicht nur die visuelle Erscheinung eines Raumes sondern auch seine Akustik ist für eine angenehme Atmosphäre im Raum entscheidend. In Fabrikhallen ist die Lärmbekämpfung eine wichtige Aufgabe, denn Lärm ist gesundheitsschädigend. Abgesehen von den offensichtlichen Unterschieden zwischen dem Seh- und dem Hörsinn eines Menschen, sind viele Techniken, die bei der fotorealistischen Darstellung von Bildern und Auralisation akustischer Umgebungen eingesetzt werden, einander sehr ähnlich. Beide Probleme können mit Hilfe von geometrischen Ansätzen wie Ray-tracing oder Particle-tracing gelöst werden wenn einige, weniger wichtige Effekte, vernachlässigt werden. Mit Hilfe der Simulation wollen wir die akustischen Eigenschaften eines virtuellen Modells vorhersagen. Für die Auralisation muss eine Impulsantwort für jede Konstellation von Schallquelle und Zuhörer bestimmt werden. Die Faltung der Impulsantwort mit einem echolosen Signal ergibt das an der Zuhörerposition empfangene Schallereignis. Die Impulsantwort enthält alle reflektierten Anteile des Schalls, die durch die unterschiedlichen Materialien des Raumes beeinflusst werden. Betreffend der Raumakustiksimulation wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Simulationsalgorithmus, namens Phonon Tracing, entwickelt, welcher auf Schallteilchenverfolgung basiert. Das Verfahren berechnet die Energie bzw. den Druck eines Schallteilchens, das von der Schallquelle ausgesandt wird, und verwendet diese Information zur Konstruktion der Antwort auf ein Schallereignis an einer vorgegebenen Hörposition im Raum. Während des Verfolgens der Schallteilchen, werden deren Pfade, sowie weitere Informationen in der sogenannten Phonon Map gespeichert. Unter Verwendung dieser Informationen wurden verschiedene Visualisierungsansätze für die Schallausbreitung von der Schallquelle, sowie des beim Zuhörer ankommenden Schallanteils entwickelt. Diese erlauben eine Analyse der akustischen Verhältnisse in dem zu untersuchenden Raum. Der Simulationsalgorithmus und die Visualisierungsmethoden wurden in ein gemeinsames System integriert, welches Virtual Reality Technologien anwendet um eine bessere Immersion in die virtuelle Welt zu gewährleisten. Das System wurde als Prototyp im Rahmen eines Projektes an der TU Kaiserslautern entwickelt und befindet sich zur Zeit in Weiterentwicklung. Es beinhaltet ein stereoskopisches Rückprojektionssystem für das visuelle Rendering und eine professionelle Audioanlage zur akustischen Ausgabe im Ziele der Auralisation.

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Metadaten
Verfasserangaben:Eduard Deines
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-21873
Betreuer:Hans Hagen
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Jahr der Fertigstellung:2008
Jahr der Veröffentlichung:2008
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:11.04.2008
Datum der Publikation (Server):06.05.2008
Freies Schlagwort / Tag:Room acoustics; acoustic modeling; computer graphics; virtual acoustics; visualization
GND-Schlagwort:Computergraphik ; Computersimulation; Raumakustik ; Visualisierung
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Informatik
DDC-Sachgruppen:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
PACS-Klassifikation (Physik):00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.05.-t Computers in experimental physics; Computers in education, see 01.50.H- and 01.50.Lc; Computational techniques, see 02.70.-c; Quantum computation architectures and implementations, see 03.67.Lx; Optical computers, see 42.79.Ta / 07.05.Rm Data presentation and visualization: algorithms and implementation
00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.05.-t Computers in experimental physics; Computers in education, see 01.50.H- and 01.50.Lc; Computational techniques, see 02.70.-c; Quantum computation architectures and implementations, see 03.67.Lx; Optical computers, see 42.79.Ta / 07.05.Tp Computer modeling and simulation
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vor dem 27.05.2011

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