9
F1 Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments Computer Science Department Princeton University Computer Science Department Princeton University Goal 0-10 ms 90-100 ms 30-40 ms 120-130 ms 150-160 ms 60-70 ms Stettner92 Sound Source Motivation ! Evans & Sutherland Vartek NV Motivation ! Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Large stone hall Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark 4, Darkworks/Infogrames, 2000 Motivation ! Moves Institute Everquest Moves Institute Audio Rendering Input Audio Signals Acoustic Modeling Output Audio Signal(s) Source Receiver Virtual Environment Auditory Display Amplitude Time Delay Impulse Response

Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F1

Geometric Modeling ofSound Propagation in

3D Environments

Geometric Modeling ofSound Propagation in

3D Environments

�������������

Computer Science DepartmentPrinceton University

�������������

Computer Science DepartmentPrinceton University

Goal

������� ������������������������ �����

0-10 ms

90-100 ms

30-40 ms

120-130 ms 150-160 ms

60-70 ms

Stettner92

Sound Source

Motivation

���������������������� �������

Ø �������������������� �����

� ��� ���������������

� !�������� �����

Evans & Sutherland

Vartek NV

Motivation

���������������������� �������

� �������������������� �����

Ø ��� ���������������

� !�������� �����Unreal Tournament,

Epic / GT Interactive 1999

Large stone hall

Small wood corridor Small metal room

Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999

Alone in the Dark 4, Darkworks/Infogrames, 2000

Motivation

���������������������� �������

� �������������������� �����

� ��� ���������������

Ø !�������� �����

Moves InstituteEverquestMoves Institute

Audio Rendering

Input Audio Signals

AcousticModeling

Output Audio Signal(s)

Source Receiver

VirtualEnvironment

AuditoryDisplayA

mpl

itude

Time Delay

Impulse Response

Page 2: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F2

Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

� !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

� &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� �����

Acoustic Modeling Overview

������������������

Ø ��������������������

� &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� ����

= wave theory approximation

Stettner92

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

Ø &����� ��������� ����

� # ��������� ��� '� �����

= ray theory approximation

PropagationPaths

Acoustic Modeling Overview

������������������

� ��������������������

� &����� ��������� ����

Ø # ��������� ��� '� ���� = perceptual approximation

τ1

τN

τ 2

g1

gN

g2

A

delay attenuation

feedback matrix

Feedback Delay NetworkJot

Acoustic Modeling Overview

"������ �������(�� �����������)

Am

plitu

de

Time DelayDirectSound

EarlyPropagation

LateReverberation

ArtificialReverberation

GeometricPath Tracing

Page 3: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F3

Acoustic Modeling Overview

"������ �������(�� �����������)

Am

plitu

de

Time DelayDirectSound

EarlyPropagation

LateReverberation

ArtificialReverberation

GeometricPath Tracing

Geometric Path Tracing

�������������������� ���� �������������������������

Geometric Path Tracing

������������������

Ø "������� ���

� ����� ����

� %����� ����

������������ � ����������$����*�� ������ ���+�

Geometric Path Tracing

������������������

Ø "������� ���

� ����� ����

� %����� ����

������������ � ����������$����*�� ������ ���+�

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

Ø ����� ����

� %����� ����

� ���� ����� ����� ��

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

� ����� ����

Ø %����� ����

� ����'�����('�������� ���)�� ����� ��

Page 4: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F4

Geometric Path Tracing

������������������

� "������� ���

� ����� ����

Ø %����� ����

Beam Tracing Method

,������� ��

� ���������� ��������������

� ������������� ��������-�� ��������-����� �����

� .������������� ������� ���������� ��/ ������ �����

� !�������� �������0����������� �����

Papers atSIGGRAPH

1998, 1999, 2001

Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

Ø !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Beam Tracing Method

Cell Adjacency Graph

Spatial Subdivision

StationarySources

SourceAudio

Beam Trees

Beam Tracing

Propagation Paths

Path Generation

Auditory Display

MovingReceiver

Off-LineInteractive

3D Environment

Spatialized Audio

Step 4: Auralization

��'�������������������� ��� ������

source

receiver

Beam Tracing Method

Cell Adjacency Graph

Spatial Subdivision

StationarySources

SourceAudio

Beam Trees

Beam Tracing

Propagation Paths

Path Generation

Auditory Display

MovingReceiver

Off-LineInteractive

3D Environment

Spatialized Audio

Page 5: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F5

Beam Tracing Demo Experimental Results

������ �������������������� ��������� ������ ������$�������� ��� ���������

Beam Tracing Results

%����� ����������������� ����� �$�$�������'���������1���������� ����

0

100000

200000

300000

400000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

# Polygons in Environment

# B

eam

s T

race

d

(up

to

8 r

efle

ctio

ns)

Path Generation Results

2 ������������������������� ���������3������ ��� ������ �����

0

0.1

0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

# Polygons in Environment

Pat

h G

ener

atio

n T

ime

(in

sec

on

ds)

10,057 input polygons8 specular reflections6 updates per second

195MHz CPU (1998)

Path Generation Video Path Generation Demo

Reflection pathsupdated interactively

StationarySource

Page 6: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F6

Auralization Video I

Specular reflection only

Auralization Video II

Diffraction and specular reflection

Diagnostic Results

Paths

Power Power + Paths

Diagnostic Results

Specular Reflection + Diffraction

Specular Reflection Only

Diffraction Only

Diagnostic Results Talk Outline

"� ������

#������������������ ���$

%����� �����������

� !������ ���� ���

� �������� ���

������

�� ��$� �

Page 7: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F7

Multi-Player Game System

AudioServer

Client B Client D

Client CClient A

Network

Player Audio& Viewpoints

Spatialized Audio Network

Moving Sources & Receivers

����������� �� ��������

� ���� ���������������'��$���������� ���������� �-����

� $���� ���0����������� ����-�����

� ������������ ��������

Real-timePath Tracing

Real-Time Beam Tracing

� ����'������� �� ���������� ���/ ������ ���� ���0����

� #�� ������'����� ����

� 2 �� ���0� ����'����� ����

� %��� ��������'����� ����

� ����0� ��������������

Audio

Receiver

Audio

SourcePath Generation

Sequence Construction

Beam Tracing

Real-Time System Organization

Avatar Regions

Motion Prediction AvatarViewpoints

AvatarAudio

Conservative Beams

Beam Tracing

Traversal Sequences

Sequence Construction

Reflection Paths

Path Generation

Auralization Spatialized

Audio

~10 Hz

~100 Hz

GlobalPriority Queue

Amortized Beam Tracing

� ����'������ ���� ������������� ���������

Beams from box over-estimate paths from points in boxBeams from box over-estimate paths from points in box

AA

Priority-Driven Beam Tracing

2 �� ������'�����'��������������������� ������ �

BBBB

400 beams with shortest paths to “B”400 beams with shortest paths to “B”

AA AA

Page 8: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F8

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ ������� �

Beams from “A” (up to 2 reflections)

Beams from “A” (up to 2 reflections)

Beams from “B” (up to 2 reflections)

Beams from “B” (up to 2 reflections)

AA

BB

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ �������

Surface intersectionSurface intersection

AA

BB

Bidirectional Beam Tracing

��'���'������ ������ ������ �������

Propagation pathPropagation path

BB

AA

Path Generation

Bidirectional sequencing

Beam Tracing

Predictive Time-Critical Computing

Avatar Regions

Motion Prediction AvatarViewpoints

AvatarAudio

Conservative Beams

Beam Tracing

Traversal Sequences

Bidirectional sequencing

Reflection Paths

Path Generation

Auralization Spatialized

Audio

~10 Hz

~100 Hz

GlobalPriority Queue

of Beams

Real-Time Beam Tracing Video

Specular reflection only

Summary

2���������0'��������������������

� ��������������������� ���

� ��� ���������������

� !�������� �����

%����� ������������

� 2 ����������-����� ������-�����1

� #�� �����-�� �� ���0� ���-'��� �������-���������-�����

� 2 �������������0� ��������������

������

� "�� ������������������������� ��������������

� ����0������ �������������� ���/ ������ ������

Page 9: Geometric Modeling of Sound Propagation in 3D Environments · 2004. 4. 20. · Small wood corridor Small metal room Unreal Tournament, Epic / GT Interactive 1999 Alone in the Dark

F9

Limitations of Current Method

4���������0����������� �����

� %��������� �� �-�������-�����

4��������� ��������-�� ��������-�������� �����

� 5� �-��������� �������� ������$�������������

4���� �6���0�������������������� ���0����

� 7���������� ��$������������������ ����� �� ����(����-������5 �)

Future Work

�� ����� ������ �����

� ��������������1���� �����

� ����� �����

%���� ������� ���������

� ������� ���������

� ���� ��������'�������

������ ������

� ������������ �/���� �����������������������������

�����'���� ���������������������������

� ������ ��������������� ���� �1�������

Thank You ...

2 ������.��� ����

� 2� �� ���-�2�� ������-#����7��-�2��� ������

%������'� ��� ���

� 7�������������-�"� ��� � �'��-�&� ��8���-������!����-�9���:���-������&����-&�����2�����

�����#������

� 7!�� � �� �#$� �-�!������������& ��

����;//$$$����� ��������/<��