[發明專利]基于樣本的爆炸聲音自動合成方法

有效

• 申請號: 201811245126.X
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109448753B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 劉世光;高思
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G10L25/48
• 分類號: G10L25/48;G06F30/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種基于樣本的爆炸聲音自動合成方法，其特征是，步驟如下：

步驟1、爆炸動畫的視覺模擬，具體包括以下處理：

采用基于物理的解決方案來建模爆炸動畫，對爆炸進行模擬，并導出每幀中所需要的相關數據，包括燃料供應量、速度和燃料燃燒率；

步驟2、爆炸動畫的物理信息計算，具體包括以下處理：

爆炸動畫的物理信息計算包括計算沖擊聲的發生和持續時間以及計算低頻的爆炸聲音，對于沖擊聲的發生和持續時間的計算，利用從每幀動畫中導出的燃料源體積數據計算出爆炸過程中沖擊聲的發生時間和持續時間，這將用于爆炸過程中沖擊聲的匹配；對于低頻的爆炸聲音的計算，采用基于物理的聲音生成方法，生成低頻的爆炸聲音；

步驟3、聲音樣本的準備及預處理，具體包括以下處理：

采用兩種類型的聲音樣本，即將真實的爆炸聲和燃燒聲音的錄音作為樣本輸入，在利用聲音樣本合成爆炸聲音前，需要對兩種聲音樣本分別進行特定的預處理操作：

首先，利用得到的沖擊聲的持續時間，采用一定的方法從爆炸錄音樣本中提取出所需要的沖擊聲樣本；然后，對燃燒錄音進行分幀，并計算出每幀錄音的音色特征，為后期爆炸動畫中燃燒部分的聲音合成來做準備；

步驟4、爆炸聲音的自動合成，具體包括以下處理：

首先利用前面得到的爆炸動畫中的物理信息和聲音樣本，分兩部分分別合成爆炸過程中產生的沖擊聲和燃燒噪聲兩種聲音，之后混合得到的沖擊聲和燃燒噪聲，獲得最終的與爆炸動畫相同步的爆炸聲，具體地，

1)爆炸動畫的視覺模擬

采用稍作修改的不可壓縮流體方程來建模爆炸的氣體燃料和爆炸產物，具體是使用如下的納維-斯托克斯Navier-Stokes方程組進行建模：

其中，v代表流體的速度，公式(1)中p表示壓強，ρ是密度，f為外力，包括渦度約束力，重力和浮力，t表示時間，公式(2)中是與溫度變化成比例的散度源，另外，還利用密度場和溫度場來控制煙霧的引入、平流和擴散，并且在模擬的爆炸動畫中引入了渦度約束來提高模擬的爆炸動畫的視覺真實感，在整個爆炸過程中，燃料作為整個爆炸過程的能量供應，是用帶有速度和溫度的體積場來存儲的；

2)爆炸動畫的物理信息計算

具體做法如下：

通過三次樣條插值法將導出的每幀動畫中的燃料源體積數據進行重構，得到爆炸動畫的燃料源體積變化曲線，然后，選取變化曲線中最大值e_t的兩個相鄰的極小值的時間間隔t作為火球現象發生的持續時間，其中左邊的極小值為初始爆炸時刻；將邊界點當作極值點來處理，考慮到爆炸聲的衰減延遲，假定沖擊聲的最終持續時間為3t；

然后，采用基于物理的聲音生成方法生成低頻的爆炸聲音，具體為：

采用格林函數來求解爆炸產物的波動方程，得到聲壓公式：

其中，c₀，γ分別表示環境聲速和比熱比，x為聽者位置，y為聲源位置，t表示時間，忽略距離衰減和時間延遲，去掉常數因子，并采用高斯散度定理將曲面積分轉化為體積積分，得到簡化后的聲壓公式：

根據類移動立方體marching-cube-like方法計算爆炸聲音，將模擬的動畫空間均勻的離散為M×N×L個立方體，并計算每個立方體頂點處燃燒場中的值在得到后，遍歷每個立方體并得到它的卷積δv，如果δv＞0，速度散度為否則為0，將所有立方體上和δv的乘積相加，得到最終的速度散度積分：

3)聲音樣本的準備及預處理

分別對爆炸聲的錄音樣本和燃燒聲音的錄音樣本進行如下預處理：

對于爆炸聲的錄音樣本，結合確定的沖擊聲的持續時間從爆炸錄音的樣本中提取出需要的沖擊聲樣本和低頻的燃燒噪聲；

對于燃燒聲音的錄音樣本，對其預處理操作為：首先，將燃燒聲音的錄音樣本通過低通濾波處理得到低頻的燃燒聲音樣本，然后，將原始錄音、低頻的燃燒噪聲和前面通過低通濾波處理得到低頻的燃燒聲音樣本全都分割成800毫秒的短小聲音粒子，最后，計算出每個粒子的音調、響度、頻譜平坦度、頻譜質心和能量的平均值作為每個聲音粒子的音色特征；

4)爆炸聲音的自動合成

分兩部分分別合成與爆炸動畫中火球同步的沖擊聲和與燃燒現象相同步的燃燒噪聲，之后將這兩種聲音混合得到最終的爆炸聲音。