[发明专利]基于物理的火焰声音合成方法

说明书

技术领域

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

传统的火焰模拟往往只关注视觉上的绘制[1]，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。

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。

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。

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。

[1]Bukowski R,Sequin C.Interactive simulation of fire in virtual building environments.Proceedings of SIGGRAPH,1997.35～44.

[2]O’Brien J F,Cook P R,Essl G.Synthesizing sounds from physically based motion.Proceedings of SIGGRAPH,2001.529～536.

[3]O’Brien J F,Shen C,Gatchalian C M.Synthesizing sounds from rigid-body simulations.Proceedings of SIGGRAPH,2002.175～181.

[4]Van D D,Pai D K.Foleyautomatic:Physically based sound effects for interactive simulation and animation.Proceedings of SIGGRAPH,2001.537～544.

[5]Dobashi Y,Yamamoto T,Nishita T.Real-time rendering of aerodynamic sound using sound textures based on computational fluid dynamics.ACM Transactions on Graphics,2003,22(3):732～740.

[6]Dobashi Y,Yamamoto T,Nishita T.Synthesizing sound from turbulent fields using sound textures for interactive fluid simulation.Computer Graphics Forum,2004,23(3):736～744.

[7]Zheng C.,James D.L.Harmonic fluids.ACM Transactions on Graphics,2009,28(3):37:1～37:12.