TW201905906A - 室內聲響效應模擬方法 - Google Patents

Abstract

一種室內聲響效應模擬方法包括：將聲響特徵粒子化形成一無體積的聲音粒子；當聲音粒子從一聲源模型發射之後撞擊到一障礙物時，利用一室內環境模型計算一碰撞點位置，並取用障礙物的表面材質資訊，而界定出一方向選擇區，從其中隨機地選出一偏折方向；當聲音粒子沿偏折方向進入一收音區域時，以一聆聽者模型依據偏折方向取得相關的運算資訊，對聲音粒子當前的聲響特徵做運算，而得到適於模擬真實世界的聲音所帶來的聲響效應之聲響特徵，其包含位置、行進方向、頻譜分佈、聲音強度、頻寬、存在時間、相位及行為。聆聽者模型可以進一步地根據室內環境模型對聲音粒子的追蹤結果及聲音粒子的搭載資訊來計算收音區域的混響時間與整體聲響效應。據此方法，可以開發出一種室內聲響效應的視窗模擬軟體，其操作簡易且能以圖形模擬多樣化室內環境。

Description

室內聲響效應模擬方法

本發明與一種聲響效應模擬方法有關，特別是與一種藉由將聲音粒子化來模擬室內聲響效應的方法有關。

科技的進步促使人們追求更佳的多媒體聲色效果，於各種場合的音質體驗也因此受到重視。除了音樂廳或電影院等強調音效的空間之外，在演講廳、教室、辦公室、車內甚至一般家庭空間的聲音品質也已逐漸受到重視。因此，建築結構與室內空間的設計上就需考量與預測完工之後的聲音品質。

空間內的聲音品質會受到該空間內的裝潢與擺設物所影響。更明確的說，在空間內的各種家具與人體皆會影響到最終的聆聽效果。然而，現有的室內空間聲音品質的預測方法，例如Sabine與Eyring公式等，皆無法考量到擺設物的位置與空間結構等細節。並且，相關的評估工具多是為了音樂廳與教堂等大型空間而設計，其侷限於矩形空間，只考慮空間牆面的影響，且其目的僅在產生混響音效，操作方式也需要具備一定程度的相關知識與技術。

有鑑於此，建築結構與室內設計工作者需要一種聲音品質模擬工具，其相較於習知技術操作更簡易、能加入更多的環境影響因子而模擬更多樣的空間環境，且其模擬結果能更接近實際的聲響效應。

本發明之一目的在於提供一種室內聲響效應模擬方法，用以開發出一室內聲響效應的視窗模擬軟體，其操作簡易、能以圖形模擬多樣化室內環境，且能使其模擬結果更接近實際的聲響效應。

為了達到上述目的，本發明提供一種室內聲響效應模擬方法，其步驟包括：將聲響特徵粒子化而形成一無體積的聲音粒子；定義一聲源模型、一室內環境模型及一聆聽者模型，其中聲源模型用以發射聲音粒子，並使多個聲音粒子排列在一行進路徑上而形成一聲線，室內環境模型提供一障礙物的體積、表面積大小及其表面材質資訊，聆聽者模型提供一收音區域；當聲音粒子撞擊到障礙物時，室內環境模型利用一微處理器計算出一碰撞點位置，並取用障礙物的表面材質資訊，而界定出一方向選擇區，該方向選擇區包括多個可能的偏折方向，並且這些可能的偏折方向皆以該碰撞點為起點；接著，從該等可能的偏折方向中隨機地選擇該聲音粒子撞擊該碰撞點之後的一偏折方向；當聲音粒子沿此偏折方向行進而進入收音區域時，聆聽者模型依據此偏折方向取得與收音區域相關的運算資訊，並依據此運算資訊對聲音粒子當前所攜帶的聲響特徵做運算，即可得到收音區域的聲響特徵，或將聲音粒子當前所攜帶的聲響特徵進一步以頭部相關轉移函數與等響曲線做運算求得人體感知資訊。除此之外，聆聽者模型亦可利用聲音粒子的搭載資訊來計算收音區域的混響時間與整體聲響效應。以上的聲音粒子、聲源模型、室內環境模型及聆聽者模型皆可利用數位化的圖形顯示於一使用者介面中。

在一實施例中，室內環境模型提供一虛擬空間，該虛擬空間可供加入複數物件；並設定該些物件在該虛擬空間的複數聲響參數，其包括位置、形狀、大小、面積、方位與表面材質；以及設定該虛擬空間的一溫度值、一濕度值與一大氣壓力值。

在一實施例中，聲音粒子的搭載資訊包括位置、行進方向、聲音強度、頻譜分佈、頻寬、存在時間、相位，以及行為等聲響特徵。聲源模型以球體輻射狀地向不同方向發射複數聲音粒子。在每一聲音粒子的搭載資訊中，該等聲響特徵的設定可以是相同或不同的，並且該等聲響特徵的數值皆可隨著時間而改變，用以模擬揚聲器的三維指向性。

在一實施例中，根據碰撞點位置與聲音粒子當前的位置，室內環境模型可計算聲音粒子從聲源模型行進至碰撞點的過程中，被空氣衰減後的聲音強度值。

在一實施例中，表面材質資訊包括複數不同頻帶的表面材質吸收係數、反射係數、折射係數與散射係數，在計算完空氣衰減之後，室內環境模型利用表面材質吸收係數計算聲音粒子於離開碰撞點瞬間所搭載的聲音強度值，並且利用散射係數來界定方向選擇區。界定方向選擇區步驟包括：考量聲音粒子具有一部分能量作用於反射定律，另一部分能量作用於折射定律，用以決定方向選擇區中以碰撞點為起點的一主要偏折方向；定義一最大擴散角；以及依據散射係數、主要偏折方向及最大擴散角，決定方向選擇區的範圍。除此之外，將碰撞前聲音粒子所帶有的能量減去其沿該主要偏折方向偏折後所用掉的能量而形成一分割後的聲音粒子，並執行上述界定方向選擇區的步驟以決定該分割後的聲音粒子的方向選擇區的範圍。

在一實施例中，聆聽者模型為了避免對所收集到的這些聲音粒子重覆取樣，因而進行一篩選流程，其步驟包括：判斷這些聲音粒子中任意至少兩個聲音粒子的偏折次數是否相等；若偏折次數相等，則比較此兩聲音粒子的存在時間與偏折方向，以決定將此兩聲音粒子判斷為同一聲音粒子且取其搭載資訊的平均值或拋棄兩聲音粒子其中之一。

綜上所述，本發明的方法基於所定義的聲音粒子，將實體聲源資料納入考慮而使其聲源模型更接近實體聲源，將空氣衰減、表面材料吸收納入考慮並提供隨機選擇聲音粒子碰撞後之偏折方向的機制，讓反射聲音粒子在室內環境碰撞，而折射聲音粒子則形成室外的新虛擬聲源，後者可進一步用來模擬室外環境受室內聲音影響的程度，使整個聲響效應模型更能適切地反映出真實的情況。此外，本發明的方法適合用於3D圖形開發環境，而使所開發的視窗模擬軟體的操作更簡化。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

圖1A為本發明的室內聲響效應模擬方法的圖形化概念示意圖。此方法將聲響特徵粒子化而定義出一無體積的聲音粒子P，用來模擬聲音在空間中的傳播特性及能量變化。需注意的是，此方法所定義的聲音粒子P與習知的聲子(phonon)是不同的概念，兩者不可混淆使用。此方法還提供一聲源模型100、一室內環境模型200及一聆聽者模型300，用來計算及紀錄聲音粒子P在其行進路徑上受聲源、環境及聆聽者的影響而造成的能量變化，並透過微處理器來實際地達成此三模型100、200及300的運算功能。

如圖1A所示，在一實施例中，為了達成數位化圖形顯示的功能，可以設計一視窗模擬軟體10，並提供視窗模擬軟體10運作所需的資料庫20。視窗模擬軟體10包含一系統管理模組11用以管理一聲音粒子管理模組12、一物件管理模組13、一虛擬空間管理模組14及一繪圖模組15。所需的資料庫20包含一聲音粒子參數資料庫21、一聲源資料庫22、一物件資料庫23、一聲響參數資料庫24、一感受響度補償資料庫25、一頭部相關轉移函數資料庫26與一心理聲學資料庫27。聲音粒子P、聲源模型100、室內環境模型200及聆聽者模型300皆可以用繪圖模組15將其以數位化圖形的形式顯示於一使用者介面400中。

聲源模型100以球體輻射狀地向不同方向發射多個聲音粒子P，其中每一聲音粒子P根據對應聲源模型100的電器特性、音箱結構與指向性而具有一不同的搭載資訊，並且將這些搭載資訊記錄在這些聲音粒子P中。多個依序由聲源模型100發射而在同一行進路徑上排列為直線的聲音粒子P可視為一聲線，因此適合使用聲線追蹤法做為本發明的演算法基礎。

室內環境模型200以漫射的觀念搭配反射定律或折射定律界定出一方向選擇區230，藉此取得聲音粒子P撞到障礙物210後離開碰撞點P_C 的偏折方向。此方向選擇區230為所有以碰撞點P_C 為起點的可能偏折方向之集合區域，圖1A以多條虛線表示這些可能的偏折方向。這些偏折方向具有不遵守反射定律入射角等於反射角的可能性，也具有不遵守折射定律入射角等於折射角的可能性。因此，可以配合機率分佈的觀念從方向選擇區230中隨機地選擇一偏折方向。

為了建立聲源到聆聽者的總體脈衝響應，需要收集聆聽者在一特定位置會得到的聲音粒子搭載資訊。但因為聲音粒子P是不存在體積大小的一空間點，故無法保證聆聽者在一特定位置應該要收集到的所有聲音粒子P皆能通過該特定位置。因此，聆聽者模型300以該特定位置為參考點設定一收音區域310。每當有聲音粒子P穿過收音區域310，聆聽者模型300會讀取聲音粒子P當前的搭載資訊進行處理。

圖1B為圖1A中的單一聲音粒子P轉移路徑及能量變化示意圖。本發明之一實施例的聲音粒子P是一脈衝能量封包，其具有直線前進及撞到障礙物210而偏向的傳播特性。例如：當聲音粒子P撞到障礙物210，部分能量會以反彈的方式來改變行進方向，即反射；而其餘能量會以穿透的方式來改變行進方向，即折射。每一聲音粒子P的搭載資訊包括位置、行進方向、聲音強度、頻譜分佈、頻寬、存在時間、相位，以及行為等聲響特徵，這些聲響特徵可儲存在聲音粒子參數資料庫21中。聲響特徵中的「行為」是指隨機散射的係數隨著頻率不同而連帶變動的關係。在以下的說明中，聲音強度亦簡稱為「聲強」。

如圖1B所示，聲音粒子P最初攜帶一脈衝訊號δ 。聲源模型100將此脈衝訊號δ 進行傅立葉轉換而得到初始頻譜分佈H_p0 。初始頻譜分佈H_p0 經過聲源模型100而調整成一第一頻譜分佈H_p1 、再經過室內環境模型200而調整成一第二頻譜分佈H_p2 ，最後經過聆聽者模型300而調整成被聆聽到的頻譜分佈H_p 。以此過程計算初始頻譜分佈H_p0 受到聲源、空間、聽者頭部的影響之後的變化。頻譜分佈H_p 經由反傅立葉轉換後得到時域上的脈衝響應h_p ，依據此時域上的脈衝響應h_p 即可計算出單顆聲音粒子P提供給聆聽者的人體感知資訊。

圖2為聲源模型100之一實施例。聲源模型100包括一均勻輻射向量產生器120、一聲音粒子初始化模組140、一聲源指向性處理模組160及一揚聲器資料庫180。均勻輻射向量產生器120賦予每一聲音粒子P不同的方向，使聲源模型100能以球體輻射狀地向不同方向發射多個聲音粒子P。聲音粒子初始化模組140將每一聲音粒子P的搭載資訊初始化。接著，聲源指向性處理模組160從揚聲器資料庫180中取用一揚聲器的三維指向性資料D_source ，對某一初始方向D_p0 上的聲音粒子P的初始聲音強度I_p0 進行運算，而將聲音粒子P的初始聲音強度I_p0 調整成一第一聲音強度值I_p1 。如此，不同方向上的聲音粒子P所搭載的第一聲音強度值I_p1 皆不相同，藉此模擬實體揚聲器在各方向發出的聲音強度不均等的情況。另外，聲源模型100可取用聲源資料庫22如揚聲器資料庫180中的頻率響應資料H_source ，將其與聲音粒子P的初始頻譜分佈H_p0 進行運算而得到第一頻譜分佈H_p1 ，並將第一頻譜分佈H_p1 及第一聲音強度值I_p1 搭載於預備發射出去的聲音粒子P上。

圖3A為室內環境模型200之一實施例。室內環境模型200包括一粒子碰撞資訊模組220、一空氣衰減處理模組240、一表面吸收處理模組260、一倍頻帶合成模組270、一散射處理模組280。圖3A中的虛線框250內部的各模組是用來對單顆聲音粒子P進行如圖3B所示的空間反射與折射迭代運算流程。

首先，粒子碰撞資訊模組220以聲源模型100處理後所取得的聲音粒子P的搭載資訊為迭代初始值(步驟 S210)，並依據聲音粒子P當前的位置P_p0 與行進方向D_p0 來取得與障礙物210的碰撞點P_C 位置，並取得障礙物210的表面材質資訊(步驟 S220)。本實施例的障礙物210是一空間牆面；但在其他實施例中障礙物210也可以是虛擬空間中的靜物或動物。表面材質資訊包括在多個不同頻帶的表面材質吸收係數α_fc 、散射係數S 、反射係數及折射係數。此外，在本實施例中包含有虛擬空間管理模組14，可用來記錄虛擬空間每個邊界的環境參數、體積、面積、形狀與所在座標，並設定該虛擬空間的一溫度值、一濕度值與一大氣壓力值。上述的多個虛擬空間資訊都會影響到所述多個聲音粒子P在虛擬空間中傳播時的衰減程度與行進方向等變化。

接著，如圖3B所示，為了判斷聲音粒子P的能量是否衰減 (步驟 S232)，聲音粒子管理模組12會持續於聲音粒子P飛行於行進路徑期間與碰撞時刻判斷聲音粒子P的能量是否已經被衰減至零，再判斷其是否停止行進(步驟 S234)；若有衰減至零或停止的情形，則結束對該聲音粒子P的追蹤(步驟 S290)。

若聲音粒子P的能量無衰減至零及停止的情形，則空氣衰減處理模組240會根據碰撞點P_C 的位置與聲音粒子P的當前位置P_p0 計算出行進距離與行進時間，再依此計算聲音粒子P從聲源模型100行進至撞擊碰撞點P_C 前一瞬間，被空氣衰減後的總聲強值、各頻帶的聲強值以及存在時間，據以對聲音粒子P先前的搭載資訊中的第一頻譜分佈H_p1 進行調整(步驟 S240)。

實務上，被空氣衰減後的聲音強度值可使用來求得，其中IL (l )為聲音強度，其單位為dB；l 代表行進距離；a 為衰減係數(Attenuation Coefficient)，其定義為聲波行進每公里所衰減的聲壓級，單位為dB/km。衰減係數a 的計算方法考慮了空氣中氮分子與氧分子的影響，根據環境中的大氣壓力、溫度、相對濕度與聲音訊號頻率來求得。在模擬時使用設定好的溫度值與濕度值計算出依頻率變化的衰減係數函數a (f )。當聲音粒子P在空間當中由起始點行進了l 公尺之後，其頻譜分佈H (f )變化以下式(1)計算。(dB) (1)

接著，表面吸收處理模組260使用表面材質的多個不同頻帶的表面材質吸收係數α_fc ，計算聲音粒子P撞擊後離開碰撞點P_C 瞬間的各頻帶聲強值，再經由倍頻帶合成模組270將各頻帶聲強值I ₆₃ ,I ₁₂₅ ,I ₂₅₀ ,I ₅₀₀ ,I _1k ,I _2k ,I _4k ,I _8k 合成總聲強值，據此將步驟S240調整後的頻譜分佈再次調整而得到聲音粒子P離開碰撞點P_C 瞬間的頻譜分佈，並據以更新聲音粒子P的搭載資訊(步驟 S260)。經過步驟 S240及S260計算完能量變化後，再計算行進方向(步驟 S280)。若聲音粒子P還有下一次碰撞，則跳回步驟S220再次運算出本次碰撞至下次碰撞之間的空氣衰減、下個碰撞點的表面吸收，直到最後一次碰撞後，再計算最後碰撞點至收音區域310之間的空氣衰減。如此，室內環境模型200將頻譜分佈經過多次調整後得到第二聲音強度值I_p2 及第二頻譜分佈H_p2 。

實務上，頻譜資訊可以用倍頻帶聲強I_fc 來做紀錄，因此必須將其轉換成頻譜分佈H_Room 以取得空間脈衝響應。聲音模型100所傳來的第一聲音強度值I_p1 在室內環境模型200中被分解為八個頻帶聲強值I ₆₃ ,I ₁₂₅ ,I ₂₅₀ ,I ₅₀₀ ,I _1k ,I _2k ,I _4k ,I _8k 。第一聲音強度值I_p1 與各頻帶聲強值I_fc 之間的關係如下式(2)。(2)

接著，我們使用倍頻濾波器(Octave Filter)將聲音模型100傳來的第一頻譜分佈H_p1 分解為各頻帶的頻譜分佈H_fc 。第一頻譜分佈H_p1 與各頻帶的頻譜分佈H_fc 之間的關係如下式：(3)

最後，將迭代運算後得到的各頻帶上的聲強I_fc 當做權重，以下式(4)計算經過空氣衰減(步驟 S240)及表面吸收(步驟 S260)之後聲音粒子P所攜帶的第二頻譜分佈H_p2 ：(4)

如步驟 S280，為了計算行進方向，散射處理模組280使用當前行進方向D_p0 與表面法向量N 根據反射定律可計算得到一主要偏折方向D_SR 。再使用圖3C所示的偏向處理方法，以此主要偏折方向D_SR 及散射係數S 來計算一可能的偏折方向D_p2 做為新的行進方向。若聲音粒子P還有下一次碰撞而未達結束條件，則跳回步驟S220再次運算出下次碰撞後的偏折方向D_p2N ，否則結束該聲音粒子P的追蹤。

附帶一提的是，計算行進方向的步驟 S280也可以和計算能量變化的步驟 S240及S260同時並行處理，不一定要在計算完能量變化後，才計算行進方向。

如圖3C所示，考量聲音粒子P的一部分能量作用於反射定律，另一部分能量作用於折射定律，散射處理模組280可以使用反射定律來決定一個以碰撞點P_C 為起點的主要偏折方向D_SR ；再依據散射係數S 及一最大擴散角θ_DR ，決定方向選擇區230；最大擴散角θ_DR 代表主要偏折方向D_SR 與此方向選擇區230之一邊際方向D_B1 或D_B2 的夾角。此外，散射處理模組280也將碰撞前聲音粒子P所帶有的能量減去其沿主要偏折方向D_SR 反射後所用掉的能量而分割成一折射聲音粒子，並使用折射定律來決定折射聲音粒子的主要偏折方向D_SR ’，再執行上述界定方向選擇區230的步驟以界定出折射聲音粒子的方向選擇區230’範圍。此方向選擇區230’亦包含一最大擴散角θ_DR ’，其代表主要偏折方向D_SR ’與邊際方向D_B1 ’或D_B2 ’ 的夾角。此方向選擇區230’ 的範圍適用於聲音粒子P穿透障礙物210的情形。本發明的方法在界定上述兩方向選擇區230及230’時，並無需限定其先後順序。

上述的主要偏折方向D_SR 可以用鏡面反射角θ_SR 表示；主要偏折方向D_SR ’可以用折射角θ_SR ’表示。鏡面反射角θ_SR (或折射角θ_SR ’)的範圍為。散射係數S的範圍為。最大擴散角θ_DR (或θ_DR ’)的範圍為。如此，可以用一可能的反射方向角θ=θ_SR +S*θ_DR 來界定反射的方向選擇區230範圍；相同的運算過程也可用來計算可能的折射方向角θ ’，用以界定折射的方向選擇區230’範圍。

值得一提的是，分割後的反射聲音粒子與折射聲音粒子的搭載資訊皆會繼承分割前的聲音粒子P。亦即反射聲音粒子的能量可為碰撞前的聲音粒子P的能量乘以反射係數；相似地，而折射聲音粒子的能量可為碰撞前的聲音粒子P的能量乘以折射係數，但反射聲音粒子與折射聲音粒子所攜帶能量的總和會小於碰撞前聲音粒子P所具有的能量。

在本實施例中，由於理想漫射表面的漫射分佈呈現餘弦分佈型態，因此將方向選擇區中230或230’中的所有可能偏折方向的機率分佈型態設定為餘弦分佈或鐘型曲線分佈，據此從方向選擇區中230或230’中選擇一偏折方向做為聆聽者模型300所需的運算資料。在其他實施例中，機率分佈型態也可能是例如常態分佈、Gamma分佈、Beta分佈、Poisson分佈或Binomial分佈等型態，用來隨機取得於指定範圍內聲音粒子更新後的行進方向。

如圖4A所示，聆聽者模型300包括一頭部相關脈衝響應資料庫320及一響度加權模組340等相關心理聲學模型，並將這些心理聲學模型儲存於心理聲學資料庫27。另外，心理聲學模型亦可記錄關於聽覺遮蔽(Auditory Masking)、遺失基頻(Missing Fundamental)、雙耳時間差(Interaural Time Difference)、雙耳強度差(Interaural Level Difference)、雙耳遮蔽位準差(Binaural Masking Level Difference)等資料來建立聆聽者模型300。本實施例所採用的頭部相關脈衝響應資料庫320，包括但不限於美國加州大學影像處理整合計算中心(Center for Image Processing and Integrated Computing, CIPIC)提供的頭部相關脈衝響應(Head Related Impulse Response, HRIR)資料庫。響度加權模組340是根據國際標準組織的標準ISO226所畫出的等響曲線，再將等響曲線轉換成以聲壓級為自變量所對應出的響度級曲線圖，從響度級曲線圖可得到不同聲壓級對應不同頻率的響度級權重函數。

以碰撞後沿偏折方向D_p2 行進而進入收音區域310的聲音粒子P為例，聆聽者模型300將每一顆聲音粒子P其當前搭載資訊P_inf 中的偏折方向D_p2 取出，再從頭部相關脈衝響應資料庫320取得與此偏折方向D_p2 相對應的頭部相關脈衝響應h_head 。將此頭部相關脈衝響應h_head 取傅立葉轉換，得到頭部相關轉移函數(Head Related Transfer Function)H_head ，這些頭部相關轉移函數H_head 可儲存於頭部相關轉移函數資料庫26中。將此頭部相關轉移函數H_head 與聲音粒子P當前的搭載資訊P_inf 中的頻譜分佈H_p2 做運算，而得到由不同方向進入人耳的聲音粒子P的頻譜分佈H_p 。此頻譜分佈H_p 可用來進一步計算人耳主觀感受的音量或模擬真實世界的聲音所帶來的聲響效應等人體感知資訊。為了求得這些人體感知資訊，此頻譜分佈H_p 需要再使用響度加權模組340進行加權運算而得到響度補償後的頻譜分佈H_pw ，加權運算所需的資料可取自感受響度補償資料庫25中。

在得到每一顆聲音粒子P受聲源、環境及聆聽者影響的頻譜分佈H_p 之後，將其做反傅立葉轉換取得時域上的脈衝響應h_p 。由於每顆聲音粒子P由聲源出發後到被聆聽者收集的過程中存在著時間差，因此必須將每顆聲音粒子P脈衝響應h_p 做延遲處理，最後再加總合成一總體脈衝響應。

如圖4B所示，為了避免重覆取樣，聆聽者模型300提供一時間閾值及一角度閾值，用以對收音區域310所收集到的多個反射聲音粒子P₁ , P₂ , P₃ 進行一篩選流程。篩選流程的步驟包括：判斷任意兩個反射聲音粒子P₁ , P₂ 的偏折次數是否相等；若偏折次數相等，則將該兩反射聲音粒子P₁ , P₂ 的存在時間差與該時間閾值進行比較，並且將該兩反射聲音粒子P₁ , P₂ 的偏向角度差與該角度閾值進行比較；當該兩反射聲音粒子P₁ , P₂ 的存在時間差小於該時間閾值，並且其偏向角度差小於該角度閾值時，將取兩反射聲音粒子P₁ , P₂ 所搭載資訊的平均，或任意只保留其中之一，將另一反射聲音粒子P₁ 或 P₂ 拋棄。以上是以反射聲音粒子P₁ , P₂ , P₃ 為例所做的說明，相同的篩選流程亦適用於如圖4B所示收音區域310’所收集到的折射聲音粒子P1’, P2’及P3’。

依據本發明的室內聲響效應模擬方法，可以使用例如遊戲引擎Unity 3D做為開發環境，建構出一個具有如圖1A所示3D繪圖模組15及使用者介面400的視窗模擬軟體10，可用於跨平台模擬室內聲響效應。此視窗模擬軟體10適合在個人電腦、筆電或手持式裝置上執行，方便使用者在各種場合操作。

本發明的聲源模型100考慮了揚聲器的物理特性包含如三維指向性與揚聲器的頻率響應。據此，所開發的視窗模擬軟體10可提供使用者依其需求在虛擬空間中任意處擺放虛擬聲源來模擬單聲源環境，亦可增設多個虛擬聲源來模擬如家庭劇院與車內空間等多聲源環境。除了聲源擺放位置及數量之外，各個虛擬聲源的擺設方向、聲源音量與揚聲器物理特性亦可由使用者自行設定。此外，聲源模型100經過特定的調整後亦可對重低音聲源做評估模擬。

本發明的室內環境模型200考慮了聲音在空間中行進時的空氣衰減與碰撞時的表面材質吸收、表面材質散射等特性。這些特性隱含溫度與相對濕度等環境參數，以及聲波在空間中的位置、行進方向、頻譜分佈、聲音強度、頻寬、存在期間、相位、及行為等聲響特徵資訊。據此，所開發的視窗模擬軟體10可提供使用者自由規劃空間形狀及大小規模，並依照欲模擬的場景在空間內任意處增設家具或人物等物件。使用者可將所選的空間裝潢、家具或人物拖曳至虛擬空間的任意位置，並且利用旋轉等功能來調整物件的擺放方位。物件管理模組13更可依據物件資料庫23需求自動與聲響參數資料庫24做關聯，依據不同的頻率給予不同物件表面相對應的聲響參數。聲響參數資料庫24包含該些物件在該虛擬空間的複數聲響參數，該等聲響參數包括位置、形狀、大小、面積、方位與表面材質等。視窗模擬軟體10所規劃的空間形狀不限於具有明確邊角關係的規則形狀。對於空間牆面、家具或人物等各種表面，使用者可設定各種不同的表面材質，每個表面材質皆可調整其聲音特性，如對聲音反射的程度、對聲音散射的程度與聲音透射的程度等。並根據所有聲音粒子在各頻率對應虛擬空間的能量衰減程度來計算出虛擬空間的混響時間。所述能量衰減曲線可從總體脈衝響應來求得。上述根據隨時間變化的全部聲音粒子的各頻率的聲強來計算總體脈衝響應、能量衰減曲線與混響時間的方式並非用來限定本發明。此外，本發明的室內環境模型200適合搭配Sabine或Eyring提出的公式來運算出該空間中的混響時間，用以提供空間設計者做為評估聲音品質參考；亦可提供使用者匯入原始音檔與如揚聲器廠商所提供的規格參數，用以產生在特定空間內預計聽到的聲響效果。

本發明的聆聽者模型300考慮心理聲學賦予聆聽者如頭部相關轉移函數等雙耳聽覺資料，並設定收音區域310或310’用以模擬不同位置的聆聽點所聽到的聲音效果。使用者可依其需求在空間中增設聆聽者，並可調整聆聽者的位置與方位角。

相較於習知技術，本發明的方法除了操作更簡易之外，其可模擬的空間環境容許更多的變化，並且其對於聲響效應的模擬結果更接近實際狀況。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧視窗模擬軟體

11‧‧‧系統管理模組

12‧‧‧聲音粒子管理模組

13‧‧‧物件管理模組

14‧‧‧虛擬空間管理模組

15‧‧‧繪圖模組

20‧‧‧資料庫

21‧‧‧聲音粒子參數資料庫

22‧‧‧聲源資料庫

23‧‧‧物件資料庫

24‧‧‧聲響參數資料庫

25‧‧‧感受響度補償資料庫

26‧‧‧頭部相關轉移函數資料庫

27‧‧‧心理聲學資料庫

100‧‧‧聲源模型

120‧‧‧均勻輻射向量產生器

140‧‧‧聲音粒子初始化模組

160‧‧‧聲源指向性處理模組

180‧‧‧揚聲器資料庫

200‧‧‧室內環境模型

210‧‧‧障礙物

220‧‧‧粒子碰撞資訊模組

230, 230’‧‧‧方向選擇區

240‧‧‧空氣衰減處理模組

250‧‧‧虛線框

260‧‧‧表面吸收處理模組

270‧‧‧倍頻帶合成模組

280‧‧‧散射處理模組

S210, S220, S232, S234, S240, S260, S280, S290‧‧‧空間反射與折射迭代運算流程的步驟

300‧‧‧聆聽者模型

310, 310’‧‧‧收音區域

320‧‧‧頭部相關脈衝響應資料庫

340‧‧‧響度加權模組

400‧‧‧使用者介面

D_B1 ,D_B2 ‧‧‧(反射)方向選擇區的邊際方向

D_B1 ’,D_B2 ’‧‧‧(折射)方向選擇區的邊際方向

D_p0 ‧‧‧聲音粒子的初始方向

D_p2N ,D_p2 ,D_p2 ’‧‧‧碰撞後的偏折方向

D_source ‧‧‧揚聲器的三維指向性資料

D_SR ‧‧‧(反射)主要偏折方向

D_SR ’‧‧‧(折射)主要偏折方向

H_head ‧‧‧頭部相關轉移函數

H_p0 ‧‧‧聲音粒子的初始頻譜分佈

H_p1 ‧‧‧聲音粒子受聲源影響後的第一頻譜分佈

H_p2 ‧‧‧聲音粒子受聲源及環境影響後的第二頻譜分佈

H_p ‧‧‧聲音粒子受聲源、環境及聆聽者影響後的頻譜分佈

H_pw ‧‧‧響度補償後的頻譜分佈

H_Room ‧‧‧依據倍頻帶聲強所轉換成的頻譜分佈

H_source ‧‧‧揚聲器資料庫中的頻率響應資料

h_p ‧‧‧頻譜分佈轉換後的脈衝響應

I_p0 ‧‧‧聲音粒子初始聲音強度

I_p1 ‧‧‧聲音粒子受聲源影響後的第一聲音強度值

I_p2 ‧‧‧聲音粒子受聲源及環境影響後的第二聲音強度值

I ₆₃,I ₁₂₅,I ₂₅₀,I ₅₀₀,I _1k,I _2k,I _4k,I _8k‧‧‧各頻帶聲強值

N‧‧‧表面法向量

P‧‧‧聲音粒子

P₁, P₂, P₃‧‧‧反射的聲音粒子

P₁’, P₂’, P₃’‧‧‧折射的聲音粒子

P_C ‧‧‧碰撞點

P_inf ‧‧‧聲音粒子的搭載資訊

θ‧‧‧可能的反射方向角

θ’‧‧‧可能的折射方向角

θ_DR ‧‧‧(反射)最大擴散角

θ_DR ’‧‧‧(折射)最大擴散角

θ_SR ‧‧‧鏡面反射角

θ_SR ’‧‧‧折射角

δ‧‧‧聲音粒子最初所攜帶脈衝訊號

圖1A為本發明室內聲響效應模擬方法的圖形化概念示意圖。

圖1B為單一聲音粒子轉移路徑及能量變化示意圖。

圖2為本發明之一實施例的聲源模型示意圖。

圖3A為本發明之一實施例的室內環境模型示意圖。

圖3B為本發明之一實施例的空間反射與折射迭代運算流程圖。

圖3C為本發明之一實施例的方向選擇區示意圖。

圖4A為本發明之一實施例的聆聽者模型示意圖。

圖4B為本發明之一實施例的聲音粒子重覆取樣示意圖。

無

無

Claims (8)

1. 一種室內聲響效應模擬方法，包括： 將聲響特徵粒子化而形成一無體積的聲音粒子； 定義一聲源模型、一室內環境模型及一聆聽者模型，其中該聲源模型用以發射該聲音粒子，該室內環境模型提供一障礙物的體積、表面積大小及其表面材質資訊，該聆聽者模型提供一收音區域； 當該聲音粒子撞擊到該障礙物時，該室內環境模型利用一微處理器計算出一碰撞點位置，並取用該障礙物的表面材質資訊，而界定出一方向選擇區，該方向選擇區包括複數可能的偏折方向，該等可能的偏折方向皆以該碰撞點為起點； 從該等可能的偏折方向中隨機地選擇該聲音粒子撞擊該碰撞點之後的一偏折方向； 當該聲音粒子沿該偏折方向行進而進入該收音區域時，該聆聽者模型依據該聲音粒子之該偏折方向而取得與該收音區域相關的運算資訊，並依據該運算資訊對該聲音粒子當前的聲響特徵做運算，而得到該收音區域的聲響特徵；以及 將該聲音粒子、該聲源模型、該室內環境模型及該聆聽者模型進行數位圖形化之後顯示於一使用者介面中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的室內聲響效應模擬方法，其中該室內環境模型提供一虛擬空間，該方法更包括： 在該虛擬空間中加入複數物件； 設定該些物件在該虛擬空間的複數聲響參數，該等聲響參數包括位置、形狀、大小、面積、方位與表面材質；以及 設定該虛擬空間的一溫度值、一濕度值與一大氣壓力值。
3. 如申請專利範圍第1項所述的室內聲響效應模擬方法，其中該聲音粒子具有搭載資訊，其包括複數聲響特徵，該等聲響特徵包括位置、行進方向、聲音強度、頻譜分佈、存在時間、相位，以及頻率。
4. 如申請專利範圍第3項所述的室內聲響效應模擬方法，更包括： 該聲源模型以球體輻射狀地向不同方向發射複數聲音粒子，其中每一該聲音粒子的搭載資訊中，該等聲響特徵的設定皆不相同，並且該等聲響特徵的數值皆隨著時間而改變。
5. 如申請專利範圍第4項所述的室內聲響效應模擬方法，更包括： 根據該碰撞點位置與該聲音粒子當前的位置，該室內環境模型計算該聲音粒子從該聲源模型行進至該碰撞點的過程中，被空氣衰減後的聲音強度值。
6. 如申請專利範圍第5項所述的室內聲響效應模擬方法，其中該表面材質資訊包括複數不同頻帶的表面材質吸收係數、反射係數、折射係數與散射係數，在計算完空氣衰減之後，該室內環境模型將該等表面材質吸收係數用於計算該聲音粒子於離開該碰撞點瞬間所搭載的聲音強度值。
7. 如申請專利範圍第6項所述的室內聲響效應模擬方法，其中該等可能的偏折方向具有不遵守反射定律及折射定律的可能性，該室內環境模型將該散射係數用於界定該方向選擇區，其步驟包括： 考量該聲音粒子具有一部分能量作用於反射定律，另一部分能量作用於折射定律，用以決定該方向選擇區中以該碰撞點為起點的一主要偏折方向； 定義一最大擴散角； 依據該散射係數、該主要偏折方向及該最大擴散角，決定該方向選擇區的範圍； 將該聲音粒子碰撞前所帶有的能量減去其沿該主要偏折方向偏折後所用掉的能量，而形成一分割後的聲音粒子；以及 執行上述界定該方向選擇區的步驟，以決定該分割後的聲音粒子的一方向選擇區的範圍。
8. 如申請專利範圍第4項所述的室內聲響效應模擬方法，其中該聆聽者模型對所收集到的該等聲音粒子進行一篩選流程，其步驟包括： 判斷該等聲音粒子中至少兩個該聲音粒子的偏折次數是否相等； 若偏折次數相等，則比較該兩聲音粒子的存在時間與偏折方向，以決定將該兩聲音粒子判斷為同一聲音粒子且取其搭載資訊的平均或拋棄該兩聲音粒子其中之一。