geometric modeling of sound propagation in 3d environments · 2004. 4. 20. · small wood corridor...

9
F1 Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments Computer Science Department Princeton University Computer Science Department Princeton University Goal 0-10 ms 90-100 ms 30-40 ms 120-130 ms 150-160 ms 60-70 ms Stettner92 Sound Source Motivation ! Evans & Sutherland Vartek NV Motivation ! Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Large stone hall Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark 4, Darkworks/Infogrames, 2000 Motivation ! Moves Institute Everquest Moves Institute Audio Rendering Input Audio Signals Acoustic Modeling Output Audio Signal(s) Source Receiver Virtual Environment Auditory Display Amplitude Time Delay Impulse Response

Upload: others

Post on 06-Oct-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F1

Geometric Modeling ofSound Propagation in

3D Environments

Geometric Modeling ofSound Propagation in

3D Environments

�������������

Computer Science DepartmentPrinceton University

�������������

Computer Science DepartmentPrinceton University

Goal

������� ������������������������ �����

0-10 ms

90-100 ms

30-40 ms

120-130 ms 150-160 ms

60-70 ms

Stettner92

Sound Source

Motivation

���������������������� �������

Ø �������������������� �����

� ��� ���������������

� !�������� �����

Evans & Sutherland

Vartek NV

Motivation

���������������������� �������

� �������������������� �����

Ø ��� ���������������

� !�������� �����Unreal Tournament,

Epic / GT Interactive 1999

Large stone hall

Small wood corridor Small metal room

Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999

Alone in the Dark 4, Darkworks/Infogrames, 2000

Motivation

���������������������� �������

� �������������������� �����

� ��� ���������������

Ø !�������� �����

Moves InstituteEverquestMoves Institute

Audio Rendering

Input Audio Signals

AcousticModeling

Output Audio Signal(s)

Source Receiver

VirtualEnvironment

AuditoryDisplayA

mpl

itude

Time Delay

Impulse Response

Page 2: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F2

Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

� !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

� &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� �����

Acoustic Modeling Overview

������������������

Ø ��������������������

� &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� ����

= wave theory approximation

Stettner92

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

Ø &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� �����

= ray theory approximation

PropagationPaths

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

� &����� ��������� ����

Ø # ��������� ��� '� ���� = perceptual approximation

τ1

τN

τ 2

g1

gN

g2

A

delay attenuation

feedback matrix

Feedback Delay NetworkJot

Acoustic Modeling Overview

"������ �������(�� �����������)

Am

plitu

de

Time DelayDirectSound

EarlyPropagation

LateReverberation

ArtificialReverberation

GeometricPath Tracing

Page 3: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F3

Acoustic Modeling Overview

"������ �������(�� �����������)

Am

plitu

de

Time DelayDirectSound

EarlyPropagation

LateReverberation

ArtificialReverberation

GeometricPath Tracing

Geometric Path Tracing

�������������������� ���� �������������������������

Geometric Path Tracing

������������������

Ø "������� ���

� ����� ����

� %����� ����

������������ � ����������$����*�� ������ ���+�

Geometric Path Tracing

������������������

Ø "������� ���

� ����� ����

� %����� ����

������������ � ����������$����*�� ������ ���+�

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

Ø ����� ����

� %����� ����

� ���� ����� ����� ��

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

� ����� ����

Ø %����� ����

� ����'�����('�������� ���)�� ����� ��

Page 4: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F4

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

� ����� ����

Ø %����� ����

Beam Tracing Method

,������� ��

� ���������� ��������������

� ������������� ��������-�� ��������-����� �����

� .������������� ������� ���������� ��/ ������ �����

� !�������� �������0����������� �����

Papers atSIGGRAPH

1998, 1999, 2001

Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

Ø !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Beam Tracing Method

Cell Adjacency Graph

Spatial Subdivision

StationarySources

SourceAudio

Beam Trees

Beam Tracing

Propagation Paths

Path Generation

Auditory Display

MovingReceiver

Off-LineInteractive

3D Environment

Spatialized Audio

Step 4: Auralization

��'�������������������� ��� ������

source

receiver

Beam Tracing Method

Cell Adjacency Graph

Spatial Subdivision

StationarySources

SourceAudio

Beam Trees

Beam Tracing

Propagation Paths

Path Generation

Auditory Display

MovingReceiver

Off-LineInteractive

3D Environment

Spatialized Audio

Page 5: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F5

Beam Tracing Demo Experimental Results

������ �������������������� ��������� ������ ������$�������� ��� ���������

Beam Tracing Results

%����� ����������������� ����� �$�$�������'���������1���������� ����

0

100000

200000

300000

400000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

# Polygons in Environment

# B

eam

s T

race

d

(up

to

8 r

efle

ctio

ns)

Path Generation Results

2 ������������������������� ���������3������ ��� ������ �����

0

0.1

0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

# Polygons in Environment

Pat

h G

ener

atio

n T

ime

(in

sec

on

ds)

10,057 input polygons8 specular reflections6 updates per second

195MHz CPU (1998)

Path Generation Video Path Generation Demo

Reflection pathsupdated interactively

StationarySource

Page 6: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F6

Auralization Video I

Specular reflection only

Auralization Video II

Diffraction and specular reflection

Diagnostic Results

Paths

Power Power + Paths

Diagnostic Results

Specular Reflection + Diffraction

Specular Reflection Only

Diffraction Only

Diagnostic Results Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

� !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Page 7: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F7

Multi-Player Game System

AudioServer

Client B Client D

Client CClient A

Network

Player Audio& Viewpoints

Spatialized Audio Network

Moving Sources & Receivers

����������� �� ��������

� ���� ���������������'��$���������� ���������� �-����

� $���� ���0����������� ����-�����

� ������������ ��������

Real-timePath Tracing

Real-Time Beam Tracing

� ����'������� �� ���������� ���/ ������ ���� ���0����

� #�� ������'����� ����

� 2 �� ���0� ����'����� ����

� %��� ��������'����� ����

� ����0� ��������������

Audio

Receiver

Audio

SourcePath Generation

Sequence Construction

Beam Tracing

Real-Time System Organization

Avatar Regions

Motion Prediction AvatarViewpoints

AvatarAudio

Conservative Beams

Beam Tracing

Traversal Sequences

Sequence Construction

Reflection Paths

Path Generation

Auralization Spatialized

Audio

~10 Hz

~100 Hz

GlobalPriority Queue

Amortized Beam Tracing

� ����'������ ���� ������������� ���������

Beams from box over-estimate paths from points in boxBeams from box over-estimate paths from points in box

AA

Priority-Driven Beam Tracing

2 �� ������'�����'��������������������� ������ �

BBBB

400 beams with shortest paths to “B”400 beams with shortest paths to “B”

AA AA

Page 8: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F8

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ ������� �

Beams from “A” (up to 2 reflections)

Beams from “A” (up to 2 reflections)

Beams from “B” (up to 2 reflections)

Beams from “B” (up to 2 reflections)

AA

BB

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ �������

Surface intersectionSurface intersection

AA

BB

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ �������

Propagation pathPropagation path

BB

AA

Path Generation

Bidirectional sequencing

Beam Tracing

Predictive Time-Critical Computing

Avatar Regions

Motion Prediction AvatarViewpoints

AvatarAudio

Conservative Beams

Beam Tracing

Traversal Sequences

Bidirectional sequencing

Reflection Paths

Path Generation

Auralization Spatialized

Audio

~10 Hz

~100 Hz

GlobalPriority Queue

of Beams

Real-Time Beam Tracing Video

Specular reflection only

Summary

2���������0'��������������������

� ��������������������� ���

� ��� ���������������

� !�������� �����

%����� ������������

� 2 ����������-����� ������-�����1

� #�� �����-�� �� ���0� ���-'��� �������-���������-�����

� 2 �������������0� ��������������

������

� "�� ������������������������� ��������������

� ����0������ �������������� ���/ ������ ������

Page 9: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F9

Limitations of Current Method

4���������0����������� �����

� %��������� �� �-�������-�����

4��������� ��������-�� ��������-�������� �����

� 5� �-��������� �������� ������$�������������

4���� �6���0�������������������� ���0����

� 7���������� ��$������������������ ����� �� ����(����-������5 �)

Future Work

�� ����� ������ �����

� ��������������1���� �����

� ����� �����

%���� ������� ���������

� ������� ���������

� ���� ��������'�������

������ ������

� ������������ �/���� �����������������������������

�����'���� ���������������������������

� ������ ��������������� ���� �1�������

Thank You ...

2 ������.��� ����

� 2� �� ���-�2�� ������-#����7��-�2��� ������

%������'� ��� ���

� 7�������������-�"� ��� � �'��-�&� ��8���-������!����-�9���:���-������&����-&�����2�����

�����#������

� 7!�� � �� �#$� �-�!������������& ��

����;//$$$����� ��������/<��