CN109766652B - 一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法，属于土木工程计算机可视化技术领域。该方法首先进行数据准备，包括将音频转换为地震波以及其他相关数据的准备；然后采用时程分析的方法，将地震波作为输入，分析建筑结构的动力位移响应；再通过动态展示方法，利用相关模型环境展示建筑物在音频作用下的动态位移情景，同时对音频波形进行动态展示；最后将地震波与结构动力响应同步展示，实现音频驱动的建筑地震动力响应可视化。本发明能够展现建筑物模型在音频驱动作用下的动力响应情况，能够感受到建筑随音乐律动而摆动的情景，具有很强的趣味性，适合做建筑抗震相关的教学及宣传。

Description

一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法

技术领域

本发明涉及土木工程计算机可视化技术领域，特别是指一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法。

背景技术

声音是由物体振动产生的声波，它可以通过采样的方式记录下来。对于采样得到的音频文件，每个采样点对应的数据都代表相应时刻声音的振幅。而根据使用的采样技术的不同，音频文件中每秒所包含的采样点的数量从8,000个每秒到96,000个每秒甚至更多。

地震波是由地震震源向四处传播的振动，是从震源产生、向四周辐射的弹性波。通常，人们用地震动所造成的地面加速度记录来代表一次地震动。这类地震动的采样点时间间隔通常在0.005s～0.2s之间。虽然这是音频采样密度的1/150～1/1000，但是对于常用的动力响应计算方法而言已经足够。

通常，地震波数据是从天然地震动中截取，或是通过一定算法人工生成，其特征符合地震科学的基本规律。对于一段音频文件，如果将其中每个采样点的振幅数据视作为与地震波中类似的地面加速度，那么音频文件就也可以视为一种地震波的记录。但如上所述，音频文件采样密度远高于动力响应计算所需的要求，因此需要对其进行一定转化。

音乐可视化是对音乐表达的一种非主观的解释和判断，是为理解、分析、比较音乐的表现力和内部结构提供的一种呈现技术，在娱乐、教育、艺术和商业领域有广阔的应用前景(孙博文,张艳鹏,赵振国,高超,孟繁博.基于多音轨MIDI主旋律提取的音乐可视化表达[J].软件,2012,33(03):64-66.)。在已有的研究工作中，音乐可视化的结果多以抽象图形为主，偶见使用具象图形，尤其是三维模型进行可视化的方案或方法。目前，缺乏一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法。

该方法包括步骤如下：

S1：数据准备：

通过剪辑、放大、归一化预处理，将音频转换为地震波，并同时准备其他数据；

S2：结构动力响应计算：

利用S1中得到的由音频文件转换而来的地震波，利用建立的建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应(尤其是位移反应)，完成结构地震动力响应分析计算，得到以层为单位的建筑结构动力响应数据

S3：动态展示：

利用已有的建筑物计算机三维模型以及相应建筑的层数、各层层高等具体信息，结合S2中计算得到的建筑结构动力响应数据，利用线性插值方法将以层为单位的动力响应数据拓展到模型全高度范围内所有的点中，逐时间步动态展示建筑物在各个时刻的动力响应，动态展示建筑物在各个时刻的动力响应，同时对音频波形进行动态展示；

S4：地震波与结构动力响应同步展示：

将S1中输入的音频文件、转换后形成的地震波以及S3中得到的建筑地震动力响应动态展示结果在一起，按地震动时间对齐两种动态展示效果，实现两者同步展示。

其中，S1中输入的音频文件原则上对其时间长度、文件格式、所记录的声音内容等均无特殊要求，只要能被现行、通用的计算机软件读取即可。经过转换后，音频文件被处理为以一定时间间隔记录的、代表地面加速度的地震波形文件。对于采样率高于100Hz的音频文件，实行降采样，即每隔0.05s或0.1s从原音频文件中抽取一个采样点的数值，并进行归一化，形成地震波文件。

S1中其他数据包括：用于展示动态可视化的建筑三维模型、相应建筑的层数、层高、结构类型等数据。

S2中可使用任何适用的建筑地震动力响应计算方法计算在给定输入地震波下建筑结构的地震动力响应。为了方便可视化程序读取动力响应计算结果，使用以楼层为单元的动力响应分析计算结果。

S3中利用线性插值方法将以楼层为单元的动态位移响应数据拓展到模型全高度范围。动力位移响应数据中每一个时间步对应可视化中的一个渲染帧，每一帧都利用对应的动力位移响应数据更新建筑三维图形，持续更新形成建筑地震动力响应可视化效果及音频波形动态展示。

S4中按时间对齐转换后形成的地震波与建筑地震动力响应动态展示结果，形成帧率不低于15帧每秒的可视化展示视频。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，能够利用任意给定的音频文件、建筑三维模型，结合动力响应分析结果，动感地展示建筑在音频驱动下的动力位移响应情况，具有一定趣味性和可观赏性，适合用于建筑抗震相关的教学及宣传。

附图说明

图1为本发明的音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法流程图；

图2为本发明实施例的音频文件转换为地震波文件的示例；

图3为本发明实施例中所采用的历程位移数据文件结构；

图4为本发明实施例中所实现的一条音频的动态展示效果；

图5为本发明实施例中所采用的建筑三维模型；

图6为本发明实施例中所采用的建筑动力响应可视化方法流程图；

图7为本发明实施例实现的音频驱动的建筑地震动力响应可视化展示结果示例，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为可视化展示结果在t＝5.0s、t＝5.2s、t＝5.4s、t＝5.6s，4个时刻的可视化效果。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

S1：数据准备：

通过剪辑、放大、归一化预处理，将音频转换为地震波，并同时准备其他数据；

S2：结构动力响应计算：

利用S1中得到的由音频文件转换而来的地震波，利用建立的建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应，完成结构地震动力响应分析计算，得到以层为单位的建筑结构动力响应数据；

S3：动态展示：

利用已有的建筑物计算机三维模型以及相应建筑的层数、各层层高等具体信息，结合S2中计算得到的建筑结构动力响应数据，利用线性插值方法将以层为单位的动力响应数据拓展到模型全高度范围内所有的点中，逐时间步动态展示建筑物在各个时刻的动力响应，同时对音频波形进行动态展示；

S4：地震波与结构动力响应同步展示：

将S1中输入的音频文件、转换后形成的地震波以及S3中得到的建筑地震动力响应动态展示结果在一起，按地震动时间对齐两种动态展示效果，实现两者同步展示。

下面结合具体实施例予以说明。

具体应用中，按如下步骤：

(1)音频转换为地震波：给定任意一段音频文件，通过剪辑、放大、归一化等预处理后，转换为可为建筑地震动力响应方法所用的地震波形文件。本方法所采用的文件可以是任意的，为了达到比较好的可视化及展示效果，在本发明的一个实施例中使用了多首流行乐曲作为输入，如汪峰演唱的《一起摇摆》、萧全演唱的《海草》等歌曲的部分片段；

(2)采用时程分析方法分析建筑动力响应：利用步骤(1)中得到的由音频文件转换而来的地震波形文件，输入到建筑动力响应计算软件中，对建筑在地震波输入动力响应(尤其是位移响应)进行时程分析计算；

(3)动力响应动态展示方法：利用已有的建筑物计算机三维模型以及相应建筑的信息，结合步骤(2)中计算得到的建筑地震动力响应数据，动态地展示建筑物在各个时刻的动力响应；

(4)地震波与结构反应同步显示方法：将步骤(1)中输入的音频文件、步骤(2)中对音频文件转换后形成的地震波波形以及步骤(3)中得到的建筑地震动力响应可视化结果在一起同步地展示。

具体过程如下：

(1)数据准备

在本发明中，数据准备包括将音频转换为地震波以及其他数据的准备。

对于将音频转化为地震波，实质上对应的是音频数据的降采样过程。一般常见的音频数据格式，其采样率均在44.1k左右。而对于建筑地震动力响应计算，数据点时间间隔只需在0.01s～0.2s之间，即可得到较好的计算精度。因此，在将音频文件转换为地震波文件时，对其实行降采样，即每隔0.05s或0.1s从原音频文件中抽取一个采样点的数值，并将最后的抽取结果输出到文件中，就完成了音频文件向地震波的转化。

但是在转化过程中，若使用的音频文件没有经过归一化，在输出地震波文件时需要将所有数据归一化，以便符合动力响应分析方法对于地震波的输入要求。一般音频文件都是经过编码、压缩而形成的文件，不便于降采样生成地震波文件，因此，本发明中音频文件转换为文本文件格式(如图2所示，在图2中，左侧“音频文件原始数据”中，第1～第5行分别为音频文件的采样点数、每秒位采样、声道数、采样率以及是否经过归一化等信息。第6行文件尾分别为左右两声道(如果声道数为2，若为1则只有一列对应单声道)的采样数值；右侧“处理后的地震波形数据”中，第1行为总数据量。第2行至文件尾数据分为两列，第1列为时间(时刻)，第二列为地面运动加速度值(单位：gal))，以便于抽取采样点。

除此之外，还应准备的数据包括但不限于：用于展示动态可视化的建筑三维模型，以及相应的建筑信息(至少包含建筑层数、层高、结构类型数据)。

(2)进行结构动力响应计算

对于建筑地震动力响应计算，使用现行、通用、简便的方法即可。但是为了后续进行可视化展示，需要将计算得到的建筑动态位移响应数据格式化为以楼层为单元的格式。为了简便起见，也可直接使用以楼层为单元的简化计算方法。根据计算方法的不同，此步骤所需的数据及其格式也不尽相同，这里不进行进一步的列举。图3为本发明所采用的历程位移数据文件结构。

下面，对该文件的文件结构进行说明。设区域内进行震害计算的建筑物共n栋，历程分析计算中时间步数量为m。则在该文件中，第一个数据为建筑群中建筑物总数n；之后的n组数据，为建筑群中n栋建筑的历程计算结果；设一栋建筑物共有k层，则在该栋建筑物对应的数据组内，包含m条计算结果，对应历程计算结果中的m个时间步；每条计算结果中包含k个数据，代表该建筑物在对应时间步时各楼层产生的位移响应，单位为米(m)。

(3)动力响应动态展示方法

在本发明中，利用所准备的数据中的建筑层数数据，与动力响应数据中建筑物楼层单元相对应。之后，利用线性插值的方法将以楼层为单元的动态位移响应数据拓展到模型全高度范围。历程数据中每一个时间步对应可视化中的一个渲染帧，每一帧都利用对应历程数据更新建筑三维图形，持续更新形成建筑地震反应动态可视化效果。

对于音频波形，本方法展示其全部时长的波形图像，如图4所示，以便观看者将建筑动态响应过程与音频相对应，实现更好的可视化效果。

(4)形成完整的可视化效果

综合前三个步骤中的成果，将步骤(1)中输入的音频文件、步骤(2)中对音频文件转换后形成的地震波波形以及步骤(3)中得到的建筑地震动力响应可视化及音频波形动态展示结果，利用视频编辑软件等工具在一起同步地展示，最终形成完整的可视化展示效果。

在具体实施中，在步骤S1中，进行数据准备。本实施例中采用网络中随机获取的一段流行音乐作为输入，将其转换为相应的地震波格式，如图2所示。

除此之外，本实施例还为可视化准备了三栋均为16层、层高3米的框剪结构建筑作为可视化模型，如图5所示。

在步骤S2中，进行结构动力响应计算。本实施例中采用以楼层为单元的模型进行计算，计算得到的这三栋建筑的动力位移响应文件结构如图3所示。

在步骤S3中，应用相应的动力响应可视化方法，分别实现了建筑动力响应动画以及音频波形动态展示。

在本实施例中，实用了基于OSG(Open Source Graphic)平台的动态响应可视化展示方法。本实施例采用回调机制(Callback)完成每一帧渲染前程序所需要完成的工作，如顶点坐标变换、摄像机运动等。利用这一机制，本发明读取前述步骤中得到的动态响应计算结果中的位移历程计算结果，在每一帧更新建筑三维模型的顶点坐标，从而实现动态地震害可视化过程。基于更新回调机制的震害可视化流程图如图6所示。关于该方法，在其他公开技术中已有详尽的解释，在本实施例中不再赘述。

对于音频波形的动态可视化，本实施例使用能够展示音频波形的软件对波形进行展示，并录制其展示过程，实现的音频波形的动态可视化效果如图4所示。

在步骤S4中，形成完整的可视化效果。综合前三个步骤中的成果，将步骤(1)中输入的音频文件、步骤(2)中对音频文件转换后形成的地震波波形以及步骤(3)中得到的建筑地震动力响应可视化及音频波形动态展示结果，利用视频编辑软件等工具在一起同步地展示，最终形成完整的可视化展示效果。在本实施例中，使用视频剪辑软件将上述数据进行剪辑、整合，最终形成了如图7所示的音频驱动的建筑地震动力响应可视化展示。(a)、(b)、(c)、(d)分别为可视化展示结果在t＝5.0s、t＝5.2s、t＝5.4s、t＝5.6s 4个时刻的可视化效果。为了方便展示，增强可视化观感，对动力位移响应进行了500倍的放大。需要说明的是，为了可视化效果较为明显，本实施例对计算得到的建筑地震动力位移响应进行了相同的方法，以增强展示效果。在本实施例中，所采用的放大倍数为500。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：数据准备：

通过剪辑、放大、归一化预处理，将音频转换为地震波，并同时准备其他数据；

S2：结构动力响应计算：

利用S1中得到的由音频文件转换而来的地震波，利用建立的建筑结构的有限元数值模型，将地震动作为输入，利用弹塑性时程分析方法求解结构地震反应，完成结构地震动力响应分析计算，得到以层为单位的建筑结构动力响应数据；

S3：动态展示：

利用已有的建筑物计算机三维模型以及相应建筑的层数、各层层高具体信息，结合S2中计算得到的建筑结构动力响应数据，利用线性插值方法将以层为单位的动力响应数据拓展到模型全高度范围内所有的点中，逐时间步动态展示建筑物在各个时刻的动力响应，同时对音频波形进行动态展示；

S4：地震波与结构动力响应同步展示：

将S1中输入的音频文件、转换后形成的地震波以及S3中得到的建筑地震动力响应动态展示结果在一起，按地震动时间对齐两种动态展示效果，实现两者同步展示；

所述S1中对于采样率高于100Hz的音频文件，实行降采样，即每隔0.05s或0.1s从原音频文件中抽取一个采样点的数值，并进行归一化，形成地震波文件；

所述S4中按时间对齐转换后形成的地震波与建筑地震动力响应动态展示结果，形成帧率不低于15帧每秒的可视化展示视频；

所述S3中利用线性插值方法将以楼层为单元的动态位移响应数据拓展到模型全高度范围。

2.根据权利要求1所述的音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法，其特征在于：所述S1中其他数据包括：用于展示动态可视化的建筑三维模型、相应建筑的层数、层高、结构类型数据。

3.根据权利要求1所述的音频驱动的建筑地震动力响应可视化方法，其特征在于：所述S2中使用以楼层为单元的动力响应分析计算结果。

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