Physically based real-time auralization of interactive virtual environments

Schröder, Dirk; Vorländer, Michael

doi:999910132593

Physically based real-time auralization of interactive virtual environments = Physikalisch-basierte Echtzeit-Auralisierung von interaktiven virtuellen Umgebungen

Schröder, Dirk (Author)

2011 & 2012

VerantwortlichkeitsangabeDirk Schröder

ImpressumBerlin : Logos-Verl. 2011

UmfangXVIII, 206 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheAachener Beiträge zur technischen Akustik ; 11

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Druckausgabe: 2011. - Onlineausgabe: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vorländer, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-02-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38759
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50580/files/3875.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Akustik (613510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Raumakustik (Genormte SW) ; Echtzeitsimulation (Genormte SW) ; Immersion <Virtuelle Realität> (Genormte SW) ; Binaurales Hören (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Echtzeit-Auralisierung (frei) ; Immersives Audio (frei) ; Geometrische Akustik (frei) ; Raumakustiksimulation (frei) ; real-time auralization (frei) ; immersive audio (frei) ; geometrical acoustics (frei) ; room acoustics simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 43.55.Ka * 43.66.Pn * 43.20.Dk * 43.20.El * 43.20.Fn

Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Virtual Reality (VR) Technologie zu einem leistungsfähigen Werkzeug entwickelt, das in einer Vielzahl von herkömmlichen Anwendungen Einzug gehalten hat. Hierzu gehören Bereiche aus Forschung, Design, Medizin und Entwicklung, in denen neue Wege über die Verwendung von VR eingeschlagen werden, wie z.B. die Erstellung virtueller Umgebungen, in denen versucht wird ein möglichst plausibles Abbild der Wirklichkeit zu schaffen. Die theoretisch hohe Leistungsfähigkeit heutiger VR-Systeme ist allerdings meist beschränkt auf eine qualitativ hochwertige visuelle Darstellung, obwohl deren Anwendungsbereich signifikant erweitert werden kann durch den Einsatz multi-modaler Systeme. Multi-modale Systeme können mehrere Sinnesreize gleichzeitig stimulieren und bieten dem Benutzer die Möglichkeit mit der virtuellen Welt direkt zu interagieren - denn in den meisten Fällen sind reale Situationen weder mono-modal noch statisch. Diese sogenannten immersiven Systeme sind dafür konzipiert ein virtuelles Abbild einer Umgebung so realistisch wie möglich wiederzugeben, um so beim Benutzer das Gefühl der Immersion, Präsenz und Akzeptanz zu verstärken. In Analogie zur Visualisierung beschreibt die Auralisierung von virtuellen Umgebungen die Simulation von Schallausbreitung innerhalb von Räumen oder anderen begrenzten Gebieten. Methoden der Geometrischen Akustik kommen hier meistens zum Einsatz, da sie eine qualitativ hochwertige und physikalisch basierte Schallfeld-Synthese ermöglichen. Die besten Ergebnisse werden hierbei mit Hilfe von hybriden Verfahren erreicht, die deterministischen Methoden für die Berechnung von frühen spiegelnden Schallreflexionen mit stochastischen Simulationsverfahren für eine adäquate Nachbildung des Nachhalls in Räumen kombinieren. Durch die Adaption von Beschleunigungs-Algorithmen aus der Computergrafik sind aktuelle Implementierungen in der Lage bewegte Schallquellen und Empfänger in komplexen, aber statischen architektonischen Szenarien in Echtzeit zu simulieren. Im Zuge dieser Arbeit wird das Konzept und die Umsetzung der echtzeitfähigen Raumakustik-Simulationssoftware RAVEN beschrieben, die ein wesentlicher Bestandteil des immersiven VR-Systems an der RWTH Aachen ist. RAVEN basiert auf dem heutigen Wissen von raumakustischen Simulationsverfahren und ermöglicht eine physikalisch korrekte Simulation der Schallausbreitung in komplexen Umgebungen, einschließlich wichtiger Welleneffekte wie Schallstreuung, Luftschalldämmung zwischen Räumen und Schallbeugung. Die angewandten Simulationsverfahren werden hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Grenzen ihrer Echtzeitfähigkeit untersucht, wobei gezeigt werden wird, dass RAVEN trotz der realistischen Klangfeldsynthese nicht nur die Echtzeit-Simulation von räumlich verteilten und frei beweglichen Schallquellen und Empfängern ermöglicht, sondern auch die direkte Änderung und Manipulation der virtuellen Umgebung selbst. Des weiteren werden Möglichkeiten für die weitere Optimierung der Simulationsparametrierung aufgezeigt, die durch die Beurteilung empirischer Studien von Versuchspersonen identifiziert werden konnten.

Over the last decades, Virtual Reality (VR) technology has emerged to be a powerful tool for a wide variety of applications covering conventional use, e.g., in science, design, medicine and engineering, as well as in more visionary applications such as the creation of virtual spaces that aim to act real. However, the high capabilities of today's VR-systems are mostly limited to first-class visual rendering. In order to boost the range of applications, state-of-the-art systems aim to reproduce virtual environments as realistically as possible for the purpose of maximizing the user's feeling of immersion, presence and acceptance. Such immersive systems deliver multiple sensory stimuli and provide an opportunity to act interactively, as reality is neither mono-modal nor static. Analogous to visualization, the auralization of virtual environments describes the simulation of sound propagation inside enclosures where methods of Geometrical Acoustics are mostly applied for a high-quality synthesis of aural stimuli that go along with a certain realistic behavior. Here, best results are achieved by combining deterministic methods for the computation of early specular sound reflections with stochastic approaches for the computation of the reverberant sound field. By adapting acceleration algorithms from Computer Graphics, current implementations can manage the computational load of moving sound sources around a moving receiver in real-time - even for complex but static architectural scenarios. In the course of this thesis, the design and implementation of the real-time room acoustics simulation software RAVEN will be described, which is a vital part of the implemented 3D sound-rendering system of RWTH Aachen University's immersive VR-system. RAVEN relies on present-day knowledge of room acoustical simulation techniques and enables a physically accurate auralization of sound propagation in complex environments including important wave effects such as sound scattering, airborne sound insulation between rooms and sound diffraction. Despite this realistic sound field rendering, not only spatially distributed and freely movable sound sources and receivers are supported at runtime but also modifications and manipulations of the environment itself. All major features are evaluated by investigating both the overall accuracy of the room acoustics simulation and the performance of implemented algorithms, and possibilities for further simulation optimizations are identified by assessing empirical studies of subjects operating in immersive environments.

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