一种基于空间剖分的声线束追踪方法
【专利摘要】本发明公开一种基于空间剖分的声线束追踪方法，是对现有声线束追踪法技术上的改进。具体过程为：采用四面体剖分对声音传播的全空间进行四面体剖分形成多个四面体空间，多个四面体空间构成四面体网格，为剖分后的四面体空间编号，四面体剖分技术符合声线束传播的空间几何规律；对四面体网格进行约束处理，恢复障碍物边界条件，并存储四面体网格各个要素；在剖分生成四面体网格后，对四面体空间采用递归方式的构建声线束树形结构；采用声线束追踪法在声线束树形结构中搜索所有节点并生成声音传播路径；对生成的声音传播路径计算声音衰减。本发明应用于复杂障碍物情况下三维声场的计算，可有效的解决高密度障碍物大区域声音计算时间效率过低的问题。
【专利说明】一种基于空间剖分的声线束追踪方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及室外声传播的【技术领域】，更具体地，涉及一种基于空间剖分的声线束追踪方法。
【背景技术】
[0002]声线束追踪法(Beam Tracing Method (BTM))是一种解决声波遇到障碍物反射和衍射问题的重要技术方法。算法追踪的是声线束(一簇声线)，而并非是单条声线，通常用的比较多的是三棱锥形状的声线束。声源在某一时刻朝着某一方向发出声线束，当遇到障碍物时，声线束进行反射，声线沿新方向继续前进，直到声线能量低于设定的阈值时追踪完毕。声线束追踪法能达到很高的计算精度，声线束追踪法并不需要进行可见性判断，声线束本身就代表声源点能够到达的区域；高阶的反射声线束由低阶的声线束与障碍物可见平面部分细分而来。
[0003]当障碍物较多时，现有的声线束跟踪方法需要模拟声波向四周发散的过程，其计
算量较大。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种计算效率高、处理方法简单的基于空间剖分的声线束追踪方法，用于众多障碍物遮挡后的接收点声音计算。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种基于空间剖分的声线束追踪方法，包含以下步骤:
(a)采用四面体剖分技术，对声音传播的全空间进行四面体剖分形成多个四面体空间，上述多个四面体空间构成四面体网格，为剖分后的四面体空间编号，上述四面体剖分技术符合声线束传播的空间几何规律；
(b)对所述四面体网格进行约束处理，恢复障碍物边界条件，并存储四面体网格各个要
素；
(C)在剖分生成四面体网格后，对四面体空间采用递归方式的构建声线束树形结构；Cd)采用声线束追踪法在声线束树形结构中搜索所有节点并生成声音传播路径；对生成的声音传播路径计算声音衰减；
所述步骤(C)中采用递归方式构建声线束树形结构的具体方式为:采用逐点插入的方法，对于任意的点，找到距离该约束最近的边，连接点和边构成一个平面，然后找到距离这个平面最近的点，形成一个初始四面体角形，然后以此为基础向外扩展，直至所有点都被加入到构成的四面体网格中。
[0006]本发明首先将计算区域进行子空间划分，然后采用声线束跟踪法等几何声学办法，大大降低现有声线束追踪技术的计算量。发明提出将整个空间剖分成有序四面体网格的空间剖分技术，把需要全局搜索的声线束追踪转换为局部搜索，从而起到加速追踪声线束追踪的作用。在生成四面体网格后，采用递归的方式构建声线束树形结构，使得对每一对声源点和接收点，可以通过声线束追踪法在生成的声线束树形结构中搜索所有节点并生成声音传播路径。采用递归方式构建声线束树形结构可以有效的提高声线束追踪的速度；通过该技术过程得到声音传播路径后，应用声音传播衰减模型对接收点声音进行计算。
[0007]本发明是采用四面体剖分、声线束追踪和路径生成三个技术手段解决声音传播计算问题。
[0008]更进一步的，所述步骤(a)中，通过采用逐点插入方法，将全空间剖分成多个四面体空间。
[0009]更进一步的，所述存储四面体网格的各个要素包括点、线和三角形、四面体空间。
[0010]更进一步的，所述声线束树形结构由节点元素构成，节点要素包括当前四面体编号、当前面编号、当前边编号、反射次数、声源点坐标和衍射点位置。
[0011]更进一步的，所述步骤(d)中，声线束追踪法在所述树形结构中进行传播和跟踪，记录声线束传播约束条件的编号并根据传播过程进行更新以生成声音传播路径。
[0012]更进一步的，所述步骤(d)中，声音传播路径生成过程中，对声线束追踪中经过的约束边或面以及影响到的四面体进行记录，用于寻找目标节点并生成一条从声源点到接收点的三维有效路径。
[0013]更进一步的，所述声线束追踪法的追踪过程在满足以下四个条件之一时停止:
O声线束的长度达到自定义的长度阈值；
2)声线束的反射次数超过自定义的反射阈值；
3)声线束的衍射次数超过自定义的衍射阈值；
4)声线束到达计算区域的边界阈值。
[0014]更进一步的，所述声音传播路径的声线包括四类:直射声线、反射声线、衍射声线和包含反射和衍射的复合声线。
[0015]与现有技术相比，本发明有益效果是:在空间剖分技术下进行声线束追踪，使得声音在大区域建筑物群之间声音衰减计算时，其时间效率将会大大提高，其根本原因在于本发明提出的声线束复杂空间下的路径提取上。其具体表现为:
(1)在追踪时，现有的声线束追踪方法需要遍历全部空间，而应用空间剖分技术后，声线束仅需对其所经过的四面体进行求交点以及反射和衍射等处理，由全局搜索变为局部搜索，大大减少了声线束所需要求交点的平面个数；
(2)声线束树形结构体技术的应用，树形结构建立前，声线束所在空间是任意的，需要对全闭合空间内所有的四面体空间进行标记并判断声线束是否经过此四面体空间，而空间剖分后每个四面体空间均具有独立的编号，并可以通过树状结构和其他节点联系，树形结构节点存储的数据包括:当前四面体编号、当前边编号、当前面编号、反射次数、声源点坐标和衍射点位置，应用树形结构体技术可以引导路径是按照正确的路径生成的；
(3)路径生成技术包括了四面体空间标记的过程，形成一对声源点和接收点之间的传播路径后，四面体网格就标记了经过的节点信息，下一对声源点和接收点路径中重复的部分直接可以获取，省去了部分路径重合带来的重复追踪带来的时间和浪费。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是声音具体传播路径算法示意图。[0017]图2空间剖分过程示意图。
[0018]图3声线束追踪过程和结构树示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
[0020]如图1所示，本发明提供一种基于空间剖分的声线束追踪下声衰减计算方法。通过以下步骤实现:
步骤1:如附图2 (a)所示，插入边界4个点，形成外围边界。插入四个边界点O、P、Q和R包围所有的散点集，形成边界封闭曲线0PQR。根据边界及内部点生成四面体。依次对所有的边按顺序从外到里循环上述过程，就可对该区域生成一个四面体网。
[0021]步骤2:如附图2 (b)所示，为空间剖分后形成的四面体编号，编号顺序从外到里。
[0022]步骤3:如附图2 (C)所示，依次插入障碍物边，与障碍物相交的边所在的四面体形即为影响区域，在影响区域内重复步骤2，直到生成最优空间剖分结构，并将所有的点、线和三角形、四面体分别存入数据库。
[0023]步骤4:如附图2所示，采用逐点插入的方法，对于任意的点，找到距离该约束最近的边，连接点和边构成一个平面，然后找到距离这个平面最近的点，形成一个初始四面体角形，然后以此为基础向外扩展，直至所有点都被加入到构成的四面体网格中。
[0024]步骤5:如附图3 Ca)所示，枚举声线束树形结构体中所有的节点，找到符合追踪条件的目标节点直至追踪结束，生产声音传播路径。在路径生成的过程中，需要对声线束追踪中经过的约束边或面以及影响到的四面体进行记录。
[0025]步骤6:如附图3 (b)所示，找到所有目标节点，生成一条从声源点到接收点的三维有效路径。
[0026]步骤7:对声音传播过程在生成的路径上进行计算。所有的有效路径中的声线可以分成4类:直射声线、反射声线、衍射声线和包含反射和衍射的复合声线，所有声线总的声能贡献即为接收点声能。
[0027]本发明结合空间剖分对声线束过程进行有目的性追踪，当声线束在某一四面体空间里进行追踪时，只需要与组成该四面体空间的面以及相邻的四面体空间进行路径判断以及数据交换，该四面体空间实时记录追踪信息。追踪过程在满足以下四个条件之一停止:O声线束的长度达到用户定义的阈值，简称为长度阈值；2)声线束的反射次数超过用户自定义的阈值，简称为反射阈值；3)声线束的衍射次数超过用户自定义的阈值，简称为衍射阈值；4)声线束到达计算区域的边界，简称为边界阈值。
[0028]以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，包含以下步骤: (a)采用四面体剖分技术，对声音传播的全空间进行四面体剖分形成多个四面体空间，上述多个四面体空间构成四面体网格，为剖分后的四面体空间编号，上述四面体剖分技术符合声线束传播的空间几何规律； (b)对所述四面体网格进行约束处理，恢复障碍物边界条件，并存储四面体网格各个要素； (C)在剖分生成四面体网格后，对四面体空间采用递归方式的构建声线束树形结构； Cd)采用声线束追踪法在声线束树形结构中搜索所有节点并生成声音传播路径；对生成的声音传播路径计算声音衰减； 所述步骤(C)中采用递归方式构建声线束树形结构的具体方式为:采用逐点插入的方法，对于任意的点，找到距离该约束最近的边，连接点和边构成一个平面，然后找到距离这个平面最近的点，形成一个初始四面体角形，然后以此为基础向外扩展，直至所有点都被加入到构成的四面体网格中。
2.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述存储四面体网格的各个要素包括点、线和三角形、四面体空间。
3.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述声线束树形结构由节点元素构成，节点要素包括当前四面体编号、当前面编号、当前边编号、反射次数、声源点坐标和衍射点位置。
4.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述步骤(d)中，声线束追踪法在所述树形结构中进行传播和跟踪，记录声线束传播约束条件的编号并根据传播过程进行更新以生成声音传播路径。
5.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述步骤(d)中，声音传播路径生成过程中，对声线束追踪中经过的约束边或面以及影响到的四面体进行记录，用于寻找目标节点并生成一条从声源点到接收点的三维有效路径。
6.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述声线束追踪法的追踪过程在满足以下四个条件之一时停止: O声线束的长度达到自定义的长度阈值； 2)声线束的反射次数超过自定义的反射阈值； 3)声线束的衍射次数超过自定义的衍射阈值； 4)声线束到达计算区域的边界阈值。
7.根据权利要求1所述的基于空间剖分的声线束追踪方法，其特征在于，所述声音传播路径的声线包括四类:直射声线、反射声线、衍射声线和包含反射和衍射的复合声线。
【文档编号】G06T7/60GK103778657SQ201410071831
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】蔡铭, 王海波, 余志
申请人:中山大学