基于物理的火焰声音合成方法

基于物理的火焰声音合成方法
【专利摘要】本发明涉及计算机游戏、影视特效、工程仿真等领域，为提供一种火焰声音的自动合成方法，为声光仿真提供关键技术支撑。为此，本发明采取的技术方案是，基于物理的火焰声音合成方法，包括以下步骤：火焰的视觉模拟：采用蓝色核心模型来建模火焰，对火焰进行模拟，并导出每帧的速度场和其他相关场量如燃料燃烧率；速度散度积分计算：由燃料燃烧率计算出由火焰前端包围部分的速度散度积分；基于快速傅立叶变换的上采样：采用基于FFT的上采样对求得的速度散度积分进行重构；声压输出：对上采样之后的速度散度积分求导得到最终的声压。本发明主要应用于视频、图像处理场合。
【专利说明】基于物理的火焰声音合成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机游戏、影视特效、工程仿真等领域，具体讲，涉及基于物理的火焰声音合成方法。
技术背景
[0002]传统的火焰模拟往往只关注视觉上的绘制[I]，而忽略了听觉上的渲染。和视觉绘制一样，听觉渲染也是虚拟现实真实感的重要组成部分。即使火焰模拟可以产生栩栩如生的逼真场景，但如果缺乏了听觉上的渲染，用户依然会感受到场景不真实，从而造成不良的用户体验。
[0003]录音是一种最直接的听觉渲染方法。用户需要为每一个具体的应用录制一段对应的声音。但由于这样形式的录音不利于复用，不同的应用就要重新录音，人们更多的开始使用短录音。通过对短录音进行编辑、操作、合成以匹配具体的应用，这类方法被统称为粒度合成(Granular Synthesis)。但是录音有两个内在的缺陷:首先,录音与模拟的场景需要手动同步，这不仅是一项耗时耗力的工作，而且也很难做到完全的同步；其次，在一些可交互的场景中，大多数交互行为也是不可提前预测的，这也就使得录音的方法在实际应用中有较大限制。
[0004]近些年来，随着计算机图形学的进一步发展，对于听觉渲染的关注逐渐增多，相应的研究成果逐渐凸显，研究者相继提出了震动固体[2] [3] [4]、空气动力声学现象[5] [6]、泼溅液体[7] [8]以及压裂固体[9]等现象的声音生成方法。但对于火焰声音的生成仍相对空白。Dobashi等人[5] [6]提出了一种基于物理的生成涡声的方法，并将其应用于火焰。该方法虽然能解决上述问题，但火焰的主要声源并非来自涡旋，也就是说涡声只是火焰声音中很小的一部分。Jeffrey和Doug[10]提出了生成来自火焰主要声源燃烧所产生声音的方法。他们提出的方法虽然可以生成可信的火焰声音，但其巨大的计算耗费使其不适合于复杂的场景。即使是简单的火焰场景，例如蜡烛的来回运动，也要耗费数十小时，甚至数天的运算时间。降低模拟的帧率，可以显著减少模拟的时间，但同时也会显著影响生成声音的真实感。
[0005]火焰是游戏场景、电影特效、仿真演练系统(如消防演练)等的重要组成部分。火焰的真实感模拟包括视觉仿真和听觉仿真两部分，但现有的工作多偏重于前者的研究；而听觉仿真可极大增强模拟场景的沉浸感，它不仅是游戏引擎中必不可少的一部分，也是许多电影特效中不可或缺的关键技术。
[0006][I]Bukowski R, Sequin C.1nteractive simulation of fire in virtualbuilding environments.Proceedings of SIGGRAPH, 1997.35 ?44.[0007][2]0，Brien J F，Cook P Rj Essl G.Synthesizing sounds from physicallybased motion.Proceedings of SIGGRAPHj2001.529 ?536.[0008][3]Brien J F，Shen C，Gatchalian C M.Synthesizing sounds fromrigid-body simulations.Proceedings of SIGGRAPH，2002.175 ?181.
【权利要求】
1.一种基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，包括下列步骤: 火焰的视觉模拟:采用蓝色核心模型来建模火焰，对火焰进行模拟，并导出每帧的速度场和其他相关场量如燃料燃烧率； 速度散度积分计算:由燃料燃烧率计算出由火焰前端包围部分的速度散度积分； 基于快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,以下简称FFT)的上采样:采用基于FFT的上采样对求得的速度散度积分进行重构； 声压输出:对上采样之后的速度散度积分求导得到最终的声压。
2.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，对火焰进行模拟具体为:采用蓝色核心模型来建模火焰，该模型假设当气体燃料越过气体燃料与燃烧产生物的分界面时会立即完全燃烧，释放大量热量和相应的燃烧产生物，分界面被称为火焰前端，对火焰前端使用水平集或类似的方法显式跟踪，对气体燃料和燃烧产生物分别使用如下Navier-Stokes方程组进行建模:
3.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，速度散度积分计算具体为: 基于蓝色核心的假设，热量释放集中在火焰前端，而热量释放量又和燃料速度直接成正比，于是可以将热量释放的体积积分转化速度通量的曲面积分，由此得到:
4.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，基于FFT的上采样具体为:通过在频域下补零的方式构建一个基于FFT的上采样操作来实现信号增强，补零操作使用零填充来延长频谱长度，通过补零，将一个长度为L的频谱延长至N>L，如下所示:
5.如权利要求1所述的基于物理的火焰声音合成方法，其特征是，声压输出具体为: 为了求得声压P (t)，需要对散度值div (t)进行求导操作:使用立方插值函数对div (t)进行插值:
【文档编号】G10L13/04GK103854642SQ201410082910
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】刘世光, 俞卓均 申请人:天津大学