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三维交互声音生成及同步渲染研究

日期:2012-10-05 02:08 转自:网游频道

    究方向:作战仿真。身的特性,人耳听到声音的频率是20~20,要使听到的声音不失真,就应保证采集的数据质量。对声音的采样频率一般选择11.025、22.5或44.1,声音被数字化时,利用(,脉冲编码调制)取样并进行量化。这个过程中影响音频处理水平和质量的因素有:采样频率(11.025、22.5或44.1)、每个采样点的数据表示范围(8位、12位或16位)和数据量大小。
  声音数据的存储需求表示如下:长度×采样频率×采样点的字节数×声道数=声音数据量在虚拟战场环境中,数字声音的来源主要有两个方面。
  一是录制数字声音,即利用录音设备将声音数字化,另一种方法是利用渲染软件进行各种声效的实时生成。这两种方法针对不同的声源有各自的适应情况,录制的数字声音较为简单,通常在程序中可直接播放文件,但音色较为单一。而通过程序控制相关参数实时生成的声音则具有更强的表现力,但系统资源消耗相对较大。1.2三维声音建模与渲染在声音表现方面,虚拟声场环境研究经历了单声道声音、双声道立体声音、3声音的发展过程。单声道声音是最简单的声音形游戏先锋式,双声道立体声音可以让用户判断左右声源的位置,3声音是通过高级别的技术控制两个或多个声道中的高级扬声效果,以便用户能第22卷第5期电脑开发与应用够判断声音是从头部后方还是上方发出的,通过合成3声音可以更好地辨别虚拟环境中的声源位置。对真实世界声音的建模,主要是对声音的频谱进行分析,一般采用傅立叶变换、快速傅立叶变换等分析工具。建模主要有两种途径,一种是指直接利用微机的基本多媒体功能实现扬声环境建模,它以一套完整的算法解决声音设备独占问题,其核心部分是单声道声音的立体化和多声源声音的实时混音。另一种是利用软件实现的方法,该软件介于多媒体驱动程序和多媒体应用之间,其中组件是专为音频媒体设计而开发的强有力工具,允许在一个三维空间中同时运行多个声音文件和移动声源,能充分利用硬件性能以尽量提高运行速度,减少的占用时间。
  声音渲染技术是模拟声音的临场感,当人在环境中感知声音信息时,就形成了一个由声源、传播途径、接收者组成的声音传播系统,人所感受到的声音临场感反映的就是这个系统的声学特性。2三维交互声音属性分析三维交互声音不同于一般意义上的立体声,在《3―》中定义的三维交互声音是指在聆听者所在的三维空间任意位置上的声音重现,并通过结合聆听者的交互行为来确定这些位置。战场环境中声音可分为以下几类:无方向性点声音,如远距离的坦克车辆发动机;有方向性点声音,如开火的声音;面声音,如在发动机旁听到的声音;无位置方向声音:如自然环境中的下雨声。这些声音与实体间存在着如连续性、重复性和突发性等交互关系,依据声音对象的特点不同,在实现过程中要有针对性地进行参数设置。在虚拟环境中实现三维交互声音,就必须考虑到声音对象的各种属性。
  并在中细化区分处置这些属性。
  声音对象属性概念主要包括以下几个方面:①距离。在最大距离上用户监听不到声音,在最小距离内则声音强弱不随远近发生变化,有些可以在远距离上被简化为点声源的面声源,此时就不应再简化。在中,音量随着声源距离的变远按照因子逐渐减小,因子缺省为1.0时,即按照真实世界情况对音量进行缩减,要夸大或减弱效果,改变该因子设置值即可。例如,将其设置为3―(1.)与3(10.)之间的一个值时,效果将可成倍放大。距离因子是计算时每一单位代表的米数,距离因子不影响效果,但它影响以速度为基础进行计算的多普勒频移,以及两耳之间的短暂延时差异(或)。②空间位置。当用户处于距离的最大值和最小值之间的时候,声音信号的声强就存在和距离的反平方律的特点。在可以通过设置参数控制随声源距听者的距离变远而逐渐衰减音量,以及通过衰减某一声道或改变均衡值来表现声源的方向性。中3缓冲区对象有三种设置模式:3―。
  、31))―和3。,这些设置决定了声音对象是相对于听者放置还是置于3)空间绝对位置。
  例如坦克乘员感知的本车发动机噪声的效果,就应选择3。模式,而遭空袭时因实体间的相对位置移动而导致的声效变化,则应设置为3。即缺省模式。③相对速度和与多普勒频移。战斗机和炮弹呼啸而过的时候,声音的音调会伴随整个过程发生剧烈的变化,这便是多普勒频移效果的直观感受。多普勒效应计算公式为:―之式中厂表示多普勒频移量。表示点声源发出声音的频率,到表示用户与声源之间的相对运动速度,表示声音在媒介中的传播速度。依据相对速度、听者佗置和声源佗置可以自动产生该效应。但是,计算多酱勒频移时所使用的相对速度应该是1(用户)和2(声源)向用户和声源方向上投影的速度分量之差,才更加符合实际情况。通过加大声源和听者之间的相对速度,或者改变多普勒因子的值可实现非常生动的声音剧烈变化效果,对增强虚拟战场环境的听觉效果有很大的价值。④方向。该因素是一个向量,其位于音锥的中轴线,由虚拟环境坐标原点发出。实际环境中.听者根据3个基本现象来确定声音的方向:声音在时间(相位)上的差别、声音强弱(音量)的差别以及声音的遮挡(阴影)效果。应当注意,中不仅缓冲区声音对象属性,而且仿真程序中的听者对象同样具有方向性,听者对象代表虚拟环境中用户的头部,也具有转动和位移的能力,描述听者方向通常采用和矢量。在定义声源的方向性时,缺省音锥为球形。此时向各个方向发射的声强相等,只有在重新定义音锥后,才能达到设置声源方向的目的。但是还应注意,最后要生三维交互声音生成及同步渲染研究成一个有方向效果的声音,还必须同时改变音锥的音量和角度。在虚拟环境中,3瓜对象的位置和方向一般应与3中相机的位置与方向一致,因为听者3。和3相机(观察者视点位置)通常是一体的,即参与交互的用户。
  3基于的三维声音实现3.1开发平台在声音仿真领域,音频开发接函数主要有0、3、等。我们这里选择微软中的组件,提供了实时控制播放所需要的两个特性:速度快、可控制性强,同时还能从底层管理声卡的内存使用,支持应用程序直接访问声卡硬件,在没有任何辅助的前提下,能够真实地重现声音的效果。通过(―,硬件抽象层)来访问声音硬件,由音频设备的驱动实现。
  当硬件设备不能完成要求的功能时,使用硬件模拟层来实现。接示意图如图1所示。
  图10接不意图它优于32多媒体函数的关键领域:①当硬件空闲时自动启用硬件加速;②不受数量限制的声源混音;③声音重现延迟时间短暂;④与3接简单的3声音定位效果;⑤自动将输入的数据转换成与输出相匹配的格式;⑥支持属性设置,利用硬件的新特性而不改变函数。
  3.2主要涉及的接对象①声音设备对象。该对象是8接对象,通常代表默认的声音播放设备,每个程序只能有一个,它用来管理设备和创建声音缓冲区。
  ②3声音缓冲区对象。其代表一个3声音对象,一个程序可以创建多个3声音缓冲区对象。利用三维声音缓冲区的各种属性,包括最小距离属性、最大距离属性、位置和速度属性,可以控制独立于每个三维声音的听觉效果,可通过3对这些属性进行设置。三维缓冲区对象需要花费系统较多的开销,因此可在对位置要求不严格时关闭3属性,或当声源超出听者范围后停止声音的播放。③主缓冲区对象。该对象是1接对象,用来混合和播放来自各声音缓冲区的声音并控制全局三维参数。④三维聆听者对象。该对象是38接对象,在程序中只能有一个三维聆听者对象,可以通过3结构对三维聆听者的位置、运动速度、方向、距离系数、多普勒变换系数和衰减系数等属性进行设置,3接由3主缓冲区声音对象获得。主要使用的类提供读取文件的功能;类提供对3效果的支持;类负责对硬件进行管理。3.3三维真实感声音生成声音的录制和播放在这里不予阐述。基于的三维真实感声音生成过程研究较成熟,这里仅列出基本步骤:①创建声音设备对象。②显式创建主缓冲区对象,通过主缓冲区对象获取三维聆听者对象。同时,必须指定,3标志和空间化声音的三维算法。③创建辅助声音缓冲区对象,这一步中也必须指定3标志。④从文件或资源读取声音数据到私有缓冲区。⑤将数据放入辅助声音缓冲区中。⑨通过辅助缓冲区对象获取三维声音缓冲区对象。
 新开传奇 ⑦为三维声音缓冲区对象和聆听者对象设置合适的相关属性值。⑨播放三维声音缓冲区数据。4三维声音与视景的同步渲染4.1存在的问题在三维虚拟战场环境中,经过处理的三维声音不仅是时间的一位函数,而且还含有空间方位信息,如加入(,头部相关传递函数)滤波器进行变换后的声音,就变成了包含有一维时间和三维空间(听点和声源的绝对位置(,))的四维信息。而在虚拟的视景中,我们所追求的要素主要体现为空间三维信息,为满足视觉的要求,图像显示系统必须具备一定的刷新率,动态图像要以每秒20帧~30帧的速率进行刷新。
  也就是说,在单位时间内的刷新率要求使得图像也具有了一维的时间信息。
  因此,为使两者的信息相匹配,就应想办法使声音的三维信息和图像的三维信息相互融合,即要求图像的刷新时间和声音渲染的刷新率频调一致。
  第22卷第5期电脑开发与应用4.2同步融合思路当声音和图像于同一平台产生时,只要系统有足够的数据处理能力,那么同步就比较容易实现,因为在每一帧内,可对图像、声音数据进行实时的修改和生成,并先后分别存储音频数据和图像数据。当三维声音和图像分别在各自独立的平台上生成时,二者则要通过实时同步机制(―)来实现声音和图像的同步融合。①数据分段。声音渲染时涉及一个概念―声音渲染更新率,指的是单位时间内采集声音位置的次数,其反比于系统的帧频,系统的更新率越高,则声音的定位精度越高,为用户提供的声音空间分辨率就越高。在虚拟战场环境的实现过程中,因为各实体和观察者会随时改变相对位置,一个声音素材就不可能在同一个绝对位置(,)不停播放,解决的办法是将声音素材分段进行处理,实时将声音分配到声卡通道中,每个分段要细化到图像系统的每一帧,力求达到声音效果与实时变化的视觉相一致,产生视觉和听觉叠加的同步效应。②听点切换。在虚拟环境中,要想每时每刻观察到运动中的实体,计算机系统生成的图像所对应的视点必须能够像电影镜头不停地实时变换焦距。而为了达到三维声音和视景的良好融合,听点就应跟随视点变化。声音的听点实时切换在头部跟踪中是非常必要的,当头部姿态发生变化时,为保证生成的虚拟声源的位置是不动的,则必须反向切换相应的头部脉冲响应函数。
  在解决同步渲染方面,有研究人员提出在系统处理声音的最后一个层次,也就是对缓冲区中数据进行计算的过程,在得到三维位置等信息之后,并不立即进行计算,而是获取图形模块显示时的新位置信息后再计算。第二种思路就是将声音处理模块设计为整个仿真系统中某种对象层次的资源,即保证图像和声音为一体化对象结构。以某分布式坦克分队仿真训练系统传奇文章的设计为例,所需的声音和图像三维数据均在各节点的同一平台上进行解算,虚拟战场中的各种声效和视景同步的效果就比较理想,生成的图像和声音具有很强的实时、交互特性,可随着用户或(,计算机兵力生成)与虚拟环境的交互发生变化。5结束语在虚拟战场环境仿真系统开发时,考虑到对各种声效需求的不同,在实现过程中应对各种声音予以区别对待,从而可以节省因三维声效带来的系统资源开销。而考虑同步渲染问题时,较好的方式是将视景和声音处理置于分布式节点下同一平台运行,即要重点考虑三维数据分布式模式。参考文献杨鹏.姚旺生.基于的3虚拟声音技术应用研究[].计算机仿真,2006,23(5):207―210.王德才,胡强,孙玉萍.基于实现三维真实感声音生成[].计算机仿真,2006。23(3);253―256...从入门到精通[].北京:希望图书创作室,1999.庞国锋.虚拟战场导论[].北京:国防工业出版社,2007.9.[].,2002.郭齐胜,董志明.战场环境仿真[].北京:国防工业出版社,2007.罗福元.王行新开传奇仁,彭晓源.声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用[].系统仿真学报,1999,11(5):364―367.(上接第3页)5结束语经济竞争的加剧和市场环境的多变需要企业能够对市场和用户需求的变化做出快速反应,这需要企业能够利用已有的服务来组合出新的业务流程,服务组合问题的提出是应用需求驱动的结果。本文在基于进行服务组合过程中同时引入―和―,以此对业务流程进行建模。
  该思想的引入,能灵活地把服务组合成业务流程,使企业真正实现随需应变。参考文献[1]凌晓东.综述[].计算机应用与软件,2007(10):122―123.[2].0[].,2003(36):46―52.[3],0,1.4:[].(1)[],2007:296―303.[4],1.1.[0].:.3.―一10,2005―11―09.[5]袁占亭,王鹏。张秋余.基于和的服务开发研究[].微计算机信息,2006,22(11):233―235.]]]]]]]瞳!三维交互声音生成及同步渲染研究作者:冷冕冕,孙少斌作者单位:蚌埠坦克学院,安徽蚌埠,233050刊名:电脑开发与应用英文刊名:年,卷(期):2009,22(5)参考文献(7条)1.罗福元;王行仁;彭晓源声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用1999(05)2.郭齐胜;董志明战场环境仿真20073.9020024.庞国锋虚拟战场导论20075.;从入门到精通19996.王德才;胡强;孙玉萍基于实现三维真实感声音生成[期刊论文]-计算机仿真2006(03)7.杨鹏;姚旺生基于的3虚拟声音技术应用研究[期刊论文]-计算机仿真2006(05)。

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