CN102589676B - 一种基于室内空间剖分的声线追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于声线追踪的室内空间剖分方法，该方法引入“房间”的概念，首先将室内空间的墙面要素存储到相应的数据结构中；然后根据空间的布局，将其剖分成若干个“房间”，并将墙面要素存储至对应的“房间”中；接着设置门窗、各“房间”之间的连通关系；最后将声场接收点放入在相应的“房间”里。本发明应用于声线跟踪在三维室内空间的声场计算，有效提高算法的效率。

Description

一种基于室内空间剖分的声线追踪方法

技术领域

本发明涉及空间几何处理领域，特别的涉及一种基于室内空间剖分的声线追踪方法。

背景技术

声线追踪方法作为一种几何声学模拟方法，原理是借鉴几何光学理论，假设声音沿直线传播，并忽略其波动特性，通过计算声音传播中能量的变化及反射到达的区域进行声场模拟。

该方法从声源向各方向发射“声粒子”，追踪它们的传播路径。“声粒子”因反射不断地失去能量，并按入射角等于反射角确定新的传播方向。可应用于三维空间中室内外声源对室内声场分布的计算。

在跟踪某一根声线时，确定声线与墙面的唯一碰撞点是关键，方法通常是先求出该声线与所有墙面的交点，然后找出离声线出发点距离最近的交点，再对该交点进行有效性判断（即判断该交点是否在实际墙面范围内）。如果是有效点，则该交点就是唯一碰撞点，如果不是，则找出离出发点距离第二近的交点，再进行有效性判断，如此循环，直至找出唯一碰撞点。常用的判断方法有夹角和检验法、叉积检验法和交点计数判别法3种，在三维空间内这3种方法都需要记录墙面的顶点集以及将三维空间中的交点和墙面做适当的投影，转化为判断二维空间中的点与多边形的位置关系，整个过程较为繁琐，计算量较大，效率不高。如果声线跟踪在一个封闭的凸多面体空间内进行，那么离声线出发点距离最近的交点必然落在实际墙面范围内，这时可以省略有效性判断的步骤。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种计算效率高、处理方法简单的基于室内空间剖分的声线追踪方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种基于室内空间剖分的声线追踪方法，室内空间剖分包含以下步骤：

（a）将室内空间的墙面要素存储成相应的数据结构；

（b）根据室内空间布局， 将室内空间剖分成1个以上的“房间”；

（c）存储各“房间”的墙面要素；

（d）存储各“房间”的门窗要素，以及各“房间”之间的连通关系；

（e）在“房间”中加入声场接收点。

  所述“房间”是指将室内空间（尤其针对凹多面体室内空间）按原有布局划分成的多个区域，其中每个区域为凸多面体空间。

进一步地，所述墙面要素由平面数学方程式中的参数表示。

进一步地，所述步骤（b）中，通过添加虚拟门，将室内空间剖分成1个以上的“房间”。

进一步地，门窗要素包括门窗所在“房间”编号以及所连通“房间”编号。每个墙面上的门窗属于且仅属于1个“房间”，连通且仅连通1个“房间”。

与现有技术相比，有益效果是：一是在跟踪时，剖分前的声线追踪需要遍历室内所有墙面进行求交点处理，而剖分后声线仅需对其所在的“房间”的墙面进行求交点处理，由全局搜索变为局部搜索，大大减少了声线所需要求交点的平面个数；二是室内空间进行“房间”剖分前，由于声线所在空间不一定是一个封闭的凸多面体空间，需要进行有效性判断，而剖分后每个“房间”均为凸多面体封闭空间，声线在“房间”内追踪，离声线出发点距离最近的交点必然落在实际墙面，这样就可以省去繁琐的有效性判断过程，大大提高了效率；三是将接收点按照所在“房间”进行归类，仅遍历搜索声线所在“房间”的所有接收点，对接收到声线的接收点进行计算，省去了剖分前对每根声线进行接收点的全局搜索判断过程。

附图说明

图1是除去顶面的室内空间示意图；

图2是进行以“房间”为单元的室内空间剖分后的示意图；

图3是若干个接收点在室内空间的位置示意图。

具体实施方式

为了表达方便，在下面的陈述中，图中所示的墙面用P加数字符号以及方向箭头表示，图中所示的“房间”用R加数字符号表示，图中所示的门用D加数字符号表示，图中所示的窗用W加数字符号表示，图中所示的虚拟门窗用V加数字符号表示。

在引入实施实例之前，先介绍门窗、墙面、“房间”的数据结构表：

表1：门窗要素的数据结构“Polygon”

数据类型	参数名称	备注
			List<Point>	Vertex	门窗的顶点链表
int	now_room	所在“房间”的索引
			int	next_room	连通“房间”的索引
int	flag	门窗的类别标志（门：1；窗：0；虚拟门：-1）

其中：Point为空间点的坐标。

表2：墙面要素的数据结构“Plane”

数据类型	参数名称	备注
			double	a	平面方程中的参数a
double	b	平面方程中的参数b
			double	c	平面方程中的参数c
double	d	平面方程中的参数d
			List<Polygon>	DW	该墙面上所包含的门窗链表

其中：a，b，c，d为数学上表示平面的方程：ax+by+cz+d=0的四个参数。

表3：“房间”要素的数据结构“Room”

数据类型	参数名称	备注
			List<Plane>	List_plane	组成该“房间”的墙面链表
List<Point>	Recevers	该“房间”内的接收点

上述要素结构中，同种要素，数据结构相同，且要素之间为线性关系。

不同要素之间，关系如下所述：每个“房间”均由若干个墙面组成，包含“房间”里的接收点，而门窗则包含在所在的墙面上，对相应的“房间”进行连通。例如，“房间1”由墙面1、2、3、4、5、6组成，包含接收点p1、p2；而“门1”在墙面2上，其“now_room”属性为1，即其所在“房间”为“房间1”；其“next_room”属性为2，即其连通“房间”为“房间2”；当声线在“房间1”追踪时，仅需对“房间1”的6个组成墙面进行求交点处理，并对接收点p1、p2进行遍历计算”，若某次追踪求得的交点落在“墙面2”的“门1”上，则声线从“房间1”进入到“房间2”，再同理进行追踪。

下面结合附图所示的具体实例，来对剖分方法做具体说明。附图1是除去顶面的室内空间示意图，为所要进行剖分的室内空间。

整个剖分方法分为以下步骤：

步骤1：如附图2所示，将室内空间的所有墙面存入相应的数据结构数组中，如P0表示底面方向朝下的墙面，P1表示底面方向朝上的墙面，而未在图中显示的顶面，其方向朝下的墙面为P18，方向朝上的墙面为P19。其余各墙面的表示如附图2所示。

步骤2：根据室内空间布局， 将室内空间剖分成若干“房间”。如附图2所示，在厅的右侧添加多边形虚拟门V0，这样就将室内空间分成了4个“房间”：R1、R2、R3、R4，而室外空间则定义为R0。

步骤3：存储各“房间”的墙面要素；如附图2所示， “房间”R1由墙面P1、P3、P4、P14、P16、P18组成，“房间”R2由墙面P1、P4、P6、P16、P15、P18组成，“房间”R3由墙面P1、P3、P17、P6、P12、P18组成，“房间”R4由墙面P1、P10、P13、P6、P8、P18组成；而室外空间R0由墙面P0、P2、P5、P7、P9、P11、P13、P19组成，

步骤4：存储各“房间”的门窗要素，以及各“房间”之间的连通关系。如附图2所示，把窗户W0同时添加至墙面P2和P3上，不同的是，P2上的门窗W0所在的“房间”为R0，连通的“房间”为R1，即now_room=0，next_room=1；而P3上的门窗W0所在的“房间”为R1，连通的“房间”为R0，即now_room=1，next_room=0。由于W0是窗户，所以其flag属性为1。同理，其它门窗亦同样表示。

步骤5：在“房间”中加入声场接收点。如附图3所示，将接收点p0，p1，p2，p3，p4分别添加至“房间”R1，R2，R3，R4和室外空间R0的属性Recevers中。

本发明结合室内空间的布局进行以“房间”为单元的剖分后，当声线在某一“房间”追踪时，只需要与组成该“房间”的墙面求交点，离声线出发点距离最近的交点即为有效交点；判断该交点是否落在该“房间”的门窗上，若是，则进入对应的门窗的连通“房间”追踪；在每次追踪的过程中，仅遍历搜索该“房间”的所有接收点，对接收到声线的接收点进行计算；最后，当声线能量衰减至一定大小或声线从室内射到室外，即R0时，结束追踪。

Claims (4)

1.一种基于室内空间剖分的声线追踪方法，其特征在于，所述室内空间剖分包括以下步骤：

（a）将室内空间的墙面要素存储成相应的数据结构；

（b）根据室内空间布局，将室内空间剖分成1个以上的“房间”；

（c）存储各“房间”的墙面要素；

（d）存储各“房间”的门窗要素，以及各“房间”之间的连通关系；

（e）在“房间”中加入声场接收点；

所述“房间”是指将室内空间按原有布局划分成的多个区域，其中每个区域为凸多面体空间。

2.根据权利要求1所述的基于室内空间剖分的声线追踪方法，其特征在于，所述墙面要素由平面数学方程式中的参数表示。

3.根据权利要求1所述的基于室内空间剖分的声线追踪方法，其特征在于：所述步骤（b）中，通过添加虚拟门，将室内空间剖分成1个以上的“房间”。

4.根据权利要求1所述的基于室内空间剖分的声线追踪方法，其特征在于：所述步骤（d）中，门窗要素包括门窗所在“房间”编号以及所连通“房间”编号。