一种物件声学的虚拟仿真展示方法和系统与流程

1.本发明涉及声音模拟技术领域，尤其涉及一种物件声学的虚拟仿真展示方法和系统。


背景技术：

2.目前，网络的普及改变提升了人们的生活方式，线上艺术平台是一种很好的传播文化、满足人们精神需求的方式。
3.瓷器在中国具有悠久的历史和较强的美学鉴赏价值，传递瓷器历史和文化信息对于其传承和文化交流都有着重要的意义和好处。进一步的，随着人们生活水平的提高，以及对生活用品的个性化追求，提供给陶瓷产品巨大的发展空间，兼具欣赏性与功能性的日用陶瓷将逐渐成为高品质生活中不可或缺的一部分。由此带来的陶瓷鉴赏，也将随着时代的发展，从内容和形式上发生新的变化。
4.虚拟仿真瓷器展示已经成为重要的瓷器艺术鉴赏方式。近年来，全世界的博物馆、艺术中心等也在着手于发展线上的艺术展示平台，为用户提供丰富的功能和逼真、多元化的体验效果带来探索与尝试。陶瓷的在线展览和文化传播有很重要的意义，一个有效的瓷器展现平台可以映射在现实生活中增加陶瓷的商业空间，体现陶瓷强大的鉴赏意义和情感内涵。
5.目前在大多数线上平台，仅仅是在一个环节中以平面的方式简单的罗列二维展示，存在个别三维展示的个人博客网页，比如基于threejs开发的一些3d模型在线展示平台也可以展示瓷器3d模型，但瓷器鉴赏特色表现不足，缺乏针对于瓷器展示和文化传播的专项平台。
6.其中，中国瓷器“声如磬”的声学特征相当突出，“声如磬”是赞美瓷器产生的声音的音质就像是敲打古代的磬一样清澈、通透、悦耳！磬是一种中国古代石制打击乐器和礼器，最早用于中国古代的乐舞活动，后来用于历代帝王、上层统治者的殿堂宴享、宗宙祭祀、朝聘礼仪活动中的乐队演奏，成为象征其身份地位的“礼器”。目前的3d展示平台的声音展示和播放一般都是嵌入wav等音源文件，调用系统的3d音效api进行定位播放，声音单一，如果是精细艺术品也没有纵深空间进行3d音效模拟，整体缺乏对声音实时合成的模型，尤其针对瓷器声学特质进行声音合成的方法是一片空白。


技术实现要素：

7.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种物件声学的虚拟仿真展示方法和系统，用以解决现有3d展示平台声音单一的问题。
8.一方面，本发明实施例提供了一种物件声学的虚拟仿真展示方法，包括以下步骤：
9.根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，基于所述平均厚度计算三维物件模型的基频；
10.基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，
根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位；
11.根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计算衰减声音强度；
12.基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音。
13.基于上述技术方案的进一步改进，所述根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，包括：
14.计算三维物件模型的包围盒；
15.对所述包围盒的每个面对称分割，分割线与盒面轮廓线的交点、分割线间的交点以及盒面的顶点构成每个面上的连接点；
16.对称盒面上的相对应的连接点间的连接线与物件模型外壁和内壁的交点间的距离为所述连接线方向上三维物件模型的厚度；
17.基于每个连接线方向上三维物件模型的厚度计算得到三维物件模型的平均厚度。
18.进一步地，基于所述平均厚度采用公式公式计算三维物件模型的基频，其中，θ表示基频，ψ表示三维物件模型的平均厚度，表示基准基频，表示基准厚度。
19.进一步地，基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，包括：
20.计算三维物件模型的三角网格中每个顶点的法向量；对每个顶点的法向量求和得到三维物件模型的整体法向量；
21.查找法向量与所述整体法向量夹角最接近0度的第一顶点，以及法向量与所述整体法向量夹角最接近180度的第二顶点，第一顶点和第二顶点所在的与包围盒的相交面最小的横截面将包围盒分割为两个部分。
22.进一步地，根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位，包括：
23.计算分割后的每个包围盒的体积；
24.根据公式计算二倍谐频的相位，其中，v表示分割后的两个包围盒中体积较大的包围盒与分割前的包围盒的体积比。
25.进一步地，根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，包括：
26.计算敲击点的法向量；敲击点的法向量所在直线与三维物件模型的内外壁的交点间的距离为所述敲击点的厚度；
27.根据公式计算原始声音强度，其中，β表示原始声音强度，ψ表示敲击点厚度，表示基准强度，表示基准厚度。
28.进一步地，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计计算衰减声音强度，包括：
29.计算三维物件模型的包围球球心和半径r；
30.计算包围球球心到屏幕的距离r；
31.根据公式计算衰减声音强度，其中β表示原始声音强度，δ表示衰
减因子。
32.进一步地，基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音，包括：
33.根据计算得到声音信号，其中，a表示振幅θ表示基频，二倍谐频的相位，βd表示衰减声音强度。
34.另一方面，本发明实施例提供了一种物件声学的虚拟仿真展示系统，包括以下模块：
35.基频计算模块，用于根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，基于所述平均厚度计算三维物件模型的基频；
36.相位计算模块，用于基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位；
37.强度计算模块，用于根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计算衰减声音强度；
38.声音合成模块，用于基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音。
39.进一步地，所述基频计算模块采用以下步骤计算三维物件模型的平均厚度：
40.计算三维物件模型的包围盒；
41.对所述包围盒的每个面对称分割，分割线与盒面轮廓线的交点、分割线间的交点以及盒面的顶点构成每个面上的连接点；
42.对称盒面上的相对应的连接点间的连接线与物件模型外壁和内壁的交点间的距离为所述连接线方向上三维物件模型的厚度；
43.基于每个连接线方向上三维物件模型的厚度计算得到三维物件模型的平均厚度。
44.与现有技术相比，本发明通过根据每个三维物件模型自身的结构特点和磬声原理模拟物件敲击声音。每个物件的厚度、分割面不同，因此其对应的声音的频率、二培谐频的相位也不同，因而不再是播放单一固定音频数据，实现根据不同物件模型合成对应的视频。并且对于同一个三维物件模型，不同敲击点的声音强度可能不同，模型与屏幕的距离的远近不同听者听到的声音也不同，从而实现敲击声音随观看位置的变化而变化，从而实现在虚拟仿真环境中逼真的创造瓷器等物件的“声如磬”效果，提高用户体验。
45.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
46.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
47.图1为本发明实施例物件声学的虚拟仿真展示方法的流程图；
48.图2为本发明实施例物件声学的虚拟仿真展示系统的框图；
49.图3为本发明实施例三维物件模型的包围盒示意图；
50.图4为本发明实施例三维物件模型的包围盒盒面分割线示意图。
具体实施方式
51.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
52.好的瓷器组织结构紧密，密度大，敲击时发出像金属钢管被敲击时发出的声音。而组织结构松散，有裂纹的瓷器，在同样敲击时发出的声音沙哑短促.因此它们在敲击时发出声音的音色不同。所以，人们在挑选瓷器等物件时，总是要轻轻地敲一敲，听一听，这是利用乐音的音色这一特性来分辨。“声如磬”是赞美中国瓷器产生的声音的音质，是目前瓷器等物件线上展示所欠缺的。现有的三维瓷器线上展示平台虽然可以通过屏幕让观众看到瓷器等物件，但很少有物件的声音效果，即便有声音效果也都是单一的固定声音，不能根据不同的物件模型合成对应的不同的声音效果。
53.磬声学原理：乐器声音由基频和泛音组成，基频决定音高，泛音决定音色。磬的基频特征根据已有研究单音磬在450左右，双音磬在900左右。泛音一般是基频的整数倍，泛音的多少和类型决定了不同的乐器音色。根据考工记，磬的发音属于板振动，而板振动的频率是正比于厚度的，由此，若磬发音“已上”，即频率过高，这表明磬体过厚，就需要“磨其旁”。“已下”，说明频率低了，需要增加相对厚度，因此要“磨其端”。唐代贾公彦在疏解《考工记》这段话时提出：“凡乐器，厚则声清，薄则声浊。”双音磬的特点是在一块磬的两个不同位置可以敲击出两个乐音，其形状有明显的转折。而且磬的谐频，即泛音很少，已知研究只有2倍谐频。
54.基于此，本发明的一个具体的实施例公开了一种物件声学的虚拟仿真展示方法，如图1所示，方法包括以下步骤：
55.s1、根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，基于所述平均厚度计算三维物件模型的基频；
56.s2、基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位；
57.s3、根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计算衰减声音强度；
58.s4、基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音。
59.通过根据每个三维物件模型自身的结构特点和磬声原理模拟物件敲击声音。每个物件的厚度、分割面不同，因此其对应的声音的频率、二培谐频的相位也不同，因而不再是播放单一固定音频数据，实现根据不同物件模型合成对应的视频。并且对于同一个三维物件模型，不同敲击点的声音强度可能不同，模型与屏幕的距离的远近不同听者听到的声音也不同，从而实现敲击声音随观看位置的变化而变化，从而实现在虚拟仿真环境中逼真的创造物件的“声如磬”效果，提高用户体验。本发明的物件包括瓷器、文物等物件。
60.具体的，步骤s1中根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，包括：
61.s11、计算三维物件模型的包围盒；
62.实施时，可采用aabb包围盒算法。aabb包围盒就是采用一个长方体将物体包裹起来，包围盒对应的长方体每一个面都是与某个坐标轴平面平行的，因此，aabb包围盒又称轴对齐包围盒。对三维物件模型中的所有顶点坐标进行扫描，求出各个轴分量的最大值p
max
＝[x
max
,y
max
,z
max
]与最小值p
min
＝[x
min
,y
min
,z
min
]，即得到aabb包围盒。aabb包围盒的中心点为c＝(p
min
+p
max
)/2。
[0063]
示例性的，图3中显示了建立的三维物件模型的aabb包围盒。
[0064]
s12、对所述包围盒的每个面对称分割，分割线与盒面轮廓线的交点、分割线间的交点以及盒面的顶点构成每个面上的连接点；
[0065]
例如，对图3中的三维物件模型的每个面进行对称分割，分割线如图4所示，分割线与包围盒轮廓线的交点、分割点间的交点以及河面的顶点构成每个面上的连接点。若每个面对称分割成4份，每个面上有两条分割线，则每个面上的连接点为9个。实施时，也可采用在每个盒面面上均匀分布多个点的方式形成连接点。
[0066]
s13、对称盒面上的相对应的连接点间的连接线与物件模型外壁和内壁的交点间的距离为所述连接线方向上三维物件模型的厚度；
[0067]
例如，连接相对两个面的对应的连接点，连接线与三维物件模型内外壁(即闭合两面)的交点间的距离，即为该连接线方向上三维物件模型的厚度。
[0068]
s14、基于每个连接线方向上三维物件模型的厚度计算得到三维物件模型的平均厚度。
[0069]
实施时，一条连接线可能与三维物件模型没有交点，或者与三维物件模型有两对或者多对交点。若没有交点则该连接线上三维物件模型的厚度为0，此时该连接线上的厚度数据不参与平均厚度的计算。
[0070]
若有两对或多对交点，则在该连接线方向上有两个或多个厚度数据。
[0071]
根据每个连接线方向上的厚度数据计算三维物件模型的平均厚度。例如有27个厚度数据，则取27个厚度数据的算数平均值为三维物件模型的平均厚度ψ。
[0072]
计算三维物件模型的平均厚度后，基于所述平均厚度采用公式公式计算三维物件模型的基频，其中，θ表示基频，ψ表示三维物件模型的平均厚度，表示基准基频，表示基准厚度。
[0073]
实施时，基准基频为450hz，基准厚度可设置为出土磬的平均厚度。频率根据磬的厚度线性变化，因此，可根据公式根据三维物件模型的厚度确定其对应的基频。
[0074]
确定三维物件模型对应的基频后θ，其二倍谐频的频率即2θ，需要确定二倍谐频的相位，即二倍谐频和基频的相位差。
[0075]
磬的二倍谐频来自于磬的两端振动，而划分两端就是要将几何变化率最大位置找到进行剖分。
[0076]
具体的，步骤s2中，基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，包括：
[0077]
s21、计算三维物件模型的三角网格中每个顶点的法向量；对每个顶点的法向量求
和得到三维物件模型的整体法向量；
[0078]
具体的，三角网格中顶点的法向量是以这个点为顶点的所有三角形的法向量之和，因此首先需要计算出每个三角形的法向量。
[0079]
三角形的法向量可根据三角形的两条边计算得到。对顶点所在的每个三角形计算法向量，转为单位向量会后相加再转为单位向量，或者直接相加后再转为单位向量均可，从而得到每个顶点的法向量。
[0080]
对三维物件模型中每个顶点的法向量相加从而得到三维物件模型的整体法向量。得到的整体法向量代表的是分割线的法向矢量。
[0081]
s22、查找法向量与所述整体法向量夹角最接近0度的第一顶点，以及法向量与所述整体法向量夹角最接近180度的第二顶点，第一顶点和第二顶点所在的与包围盒的相交面最小的横截面将包围盒分割为两个部分。
[0082]
在三维物件模型的所有顶点中查找法向量与模型整体法向量夹角最接近0度的顶点作为第一顶点，以及法向量与整体法向量夹角最接近180度的顶点作为第二顶点，连接第一顶点和第二顶点构成分割线。分割线所在的平面中，与包围盒的相交面最小的平面作为横截面将包围盒分割为两个部分。
[0083]
步骤s2中，根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位，具体包括：
[0084]
s23、计算分割后的每个包围盒的体积；
[0085]
分割后的两个包围盒均为六面体，可根据六面体的体积计算公式分别计算两个包围盒的体积。
[0086]
s24、根据公式计算二倍谐频的相位，其中，v表示分割后的两个包围盒中体积较大的包围盒与分割前的包围盒的体积比。
[0087]
敲击点作为振源是音波的中心，磬的二倍谐频来自于磬的两端振动，从中心传递到上下两侧时间差可以由体积较大的包围盒与整体包围盒的体积比例来计算。二倍谐频的初始相位即可反应其与基频在时间周期上的差值，因此，可根据体积较大的包围盒与整体包围盒的体积比例计算二倍谐频的初始相位。
[0088]
三维物件模型线上展示通常可以调整模型不同的角度、位置，从而便于用户从不同的角度、位置观看三维物件模型。在对物件声音进行模拟时，根据敲击三维物件模型的位置、三维物件模型和观看人的距离计算对应的声音强度。其中，三维物件模型与观看人的距离可根据三维物件模型与展示三维物件模型的显示屏幕的距离来近似代替，即在虚拟三维空间中模型的中心点到显示屏幕所在平面的距离。
[0089]
具体的，步骤s3中根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，包括：
[0090]
s31、计算敲击点的法向量；敲击点的法向量所在直线与三维物件模型的内外壁的交点间的距离为所述敲击点的厚度；
[0091]
实施时，敲击点的法向量可采用步骤s21中的方法计算。
[0092]
根据敲击点的法向量所在直线与三维物件模型的内外壁的交点，计算敲击点的厚度。
[0093]
s32、根据公式计算原始声音强度，其中，β表示原始声音强度，ψ表
示敲击点厚度，表示基准强度，表示基准厚度。
[0094]
声音的强度来源于物体本身的振动幅度特征，不同的敲击力度和材料厚度产生的振动不同。
[0095]
人而可听的声压幅值波动范围为2
×
10-5
pa～20pa，对应的分贝数为0～120db，60db为正常交谈的声音，因此实施时，以60db作为基准强度。根据敲击点的厚度与基准厚度的相对关系可计算出敲击点对应的原始声音强度。
[0096]
实施时，可默认采用同等力度来计算声音强度，也可获取不同的敲击力度参数，从而模拟不同力度下的声音强度。
[0097]
声音在传播过程中会出现衰减。点声源以球面波的方式向外辐射。而物件的类磬声音来自整体的颤动而非敲击点，其声源尺寸相比于波长较小，可以看作是点声源。为了模拟声音衰减效果，以三维物件模型的包围球球心作为声源点，根据球心到屏幕的距离，即声音传播距离计算衰减强度。
[0098]
具体的，步骤s3中，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计计算衰减声音强度，包括：
[0099]
s33、计算三维物件模型的包围球球心和半径r；
[0100]
实施时，三维物件模型的包围球可采用均值法计算得到，即计算三维物件模型所有顶点的均值点，以该均值点为包围球的球心，三维物件模型的顶点与均值点的最远距离为半径r，得到三维物件模型的包围球。
[0101]
s34、计算包围球球心到屏幕的距离r；
[0102]
实施时，以包围球的球心作为三维物件模型的中心点。根据三维空间到屏幕空间的坐标转换计算可计算虚拟三维空间中包围球的球心到屏幕平面的距离。
[0103]
s35、根据公式计算衰减声音强度，其中β表示原始声音强度，δ表示衰减因子。
[0104]
点声源是按照球面波进行辐射的，根据辐射的球面波的表面积即可计算出声压的变化。球面的表面积为4πr2，当r为原来的两倍时，即辐射距离为2r时，球面的表面积为4π(2r)2，即球面表面积变为原来的4倍，换算成分贝，即10log1/4＝6db。即衰减因子δ可取6db。根据三维物件模型球心到屏幕视点的距离与球半径的比值，可计算出强度衰减值，进而计算出衰减后的声音强度，当听者距离物件不同距离时可听到不同大小的声音。
[0105]
得到三维物件模型的基频、二倍谐频的相位和声音强度后，合成物件声音。具体的，步骤s4中，基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音，包括：
[0106]
根据计算得到声音信号，其中，a表示振幅θ表示基频，二倍谐频的相位，βd表示衰减声音强度。
[0107]
根据得到的声音信号，可生成物件敲击点对应的声音，模拟物件的发声。从而实现不同物件、不同敲击点、不同距离下生成不同的声音，在虚拟仿真环境中逼真的创造物件的“声如磬”效果，提高用户体验。
[0108]
另一方面，本发明实施例提供了一种物件声学的虚拟仿真展示系统，如图2所述，系统包括以下模块：
[0109]
基频计算模块，用于根据三维物件模型的包围盒计算三维物件模型的平均厚度，基于所述平均厚度计算三维物件模型的基频；
[0110]
相位计算模块，用于基于三维物件模型的平均法向量将所述三维物件模型的包围盒分割为两个部分，根据分割前和分割后的包围盒的体积计算二倍谐频的相位；
[0111]
强度计算模块，用于根据敲击位置对应的物件厚度计算原始声音强度，基于原始声音强度和三维物件模型与屏幕的距离计算衰减声音强度；
[0112]
声音合成模块，用于基于所述基频、二倍谐频的相位和衰减声音强度，得到物件敲击点的声音。
[0113]
进一步地，所述基频计算模块采用以下步骤计算三维物件模型的平均厚度：
[0114]
计算三维物件模型的包围盒；
[0115]
对所述包围盒的每个面对称分割，分割线与盒面轮廓线的交点、分割线间的交点以及盒面的顶点构成每个面上的连接点；
[0116]
对称盒面上的相对应的连接点间的连接线与物件模型外壁和内壁的交点间的距离为所述连接线方向上三维物件模型的厚度；
[0117]
基于每个连接线方向上三维物件模型的厚度计算得到三维物件模型的平均厚度。
[0118]
上述方法实施例和系统实施例，基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。具体实施过程参见前述实施例，此处不再赘述。
[0119]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0120]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。