Physically based real-time auralization of interactive virtual environments

• Physikalisch-basierte Echtzeit-Auralisierung von interaktiven virtuellen Umgebungen

Schröder, Dirk; Vorländer, Michael (Thesis advisor)

Berlin : Logos-Verl. (2011, 2012)
Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur technischen Akustik 11
Seite(n)/Artikel-Nr.: XVIII, 206 S. : Ill., graph. Darst.

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

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.