基于物理的火焰声音生成方法研究

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基于物理的流体模拟一直是计算机图形学中的热门研究领域之一。其中,火焰模拟因其重要的应用价值,更是成为了人们研究的重点。但对火焰的研究往往集中在视觉渲染方面,在听觉渲染的方面则相对空白。而听觉渲染作为增强虚拟现实真实感的重要途径不可或缺。本文针对该问题展开研究,将火焰声音信号分成低频和中高频两部分,分别进行快速生成,并最终将这两部分同步在一起。首先,我们采用一种基于数据驱动的方式生成火焰低频声音信号。我们从火焰视觉模拟中导出每帧的流场速度和燃料燃烧率,由燃料燃烧率计算出由火焰前端包围的部分的速度散度积分。之后使用基于FFT的上采样对求得的速度散度积分进行重构,并对上采样之后的速度散度积分在时间上求导得到声压即为低频声音信号。相比之前的计算方法,我们的模型无需显式提取火焰前端,也避免了在火焰前端的每个三角面片上计算法向量的复杂操作,可以显著提高计算速度,保证在复杂场景快速生成声音的可能性。我们使用类Marching-Cube的计算方式,非常利于使用GPU并行化计算,可以进一步提高效率。其次,我们使用小波分析将声音信号采样、重构问题和尺度空间联系在一起,并基于此提出了一种快速生成火焰声音高频部分的方法。我们借助小波分析多分辨率的思想,将信号空间划分为一系列尺度空间和小波空间的集合。我们根据实验结果和理论分析得到的火焰中高频声音频谱规律来生成符合该规律的中高频噪声信号,并使得组成噪声信号的每一部分子信号隶属于相应的小波空间。我们借助从低频信号中分离出的信息使中高频信号与低频信号同步,再将同步后的高频信号与低频信号融合,从而得到完整的音频信号。
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