Aquisição e tratamento de dados 3D para modelação acústica de salas

Abstract

Esta dissertação tem como objectivo desenvolver ferramentas de apoio à componente de áudio em ambientes de Realidade Virtual. Trata-se de possibilitar a aquisição e configuração de dados 3D para alimentar modelos acústicos de salas. Estes podem ser geométricos (como o método das imagens virtuais, baseado nas reflexões das ondas sonoras nas superfícies que delimitam a sala) ou físicos (como o método das malhas de guias de onda digitais, baseado na discretização da equação de onda numa grelha tridimensional abrangendo o volume da sala). Para a aquisição de modelos poligonais representativos das superfícies delimitadoras de ambientes reais, foi utilizado um sensor Microsoft Kinect associado à aplicação Kinect Fusion. Em seguida, foram desenvolvidas ferramentas de identificação dos materiais constituintes das superfícies presentes, recorrendo ao Visualisation Toolkit (VTK). Este passo permite associar características acústicas, nomeadamente coeficientes de absorção/reflexão, a cada polígono da malha. É assim possível alimentar modelos acústicos geométricos, utilizados em algoritmos de auralização em tempo real. Para alimentar modelos físicos, foi desenvolvido um algoritmo para, a partir dos modelos poligonais das superfícies das salas, gerar uma malha tridimensional de nós, de topologia retangular, abrangendo todo o domínio de propagação por elas delimitado. Cada nó é configurado em função da sua posição no domínio (nó de ar ou nó-fronteira) e, no caso de ser nó-fronteira, do respectivo material. Foi utilizada, para efeitos de teste, uma sala de reuniões situada no IEETA (Instituto de Engenharia Eletrónica e Telemática de Aveiro). Para esta sala, construiu-se um modelo poligonal com os materiais corretamente identificados em cada face, para alimentar o modelo geométrico. Aplicaram-se critérios de limitação do número de polígonos. Construiu-se igualmente uma grelha tridimensional de nós para modelação física. Conjugando as informações proporcionadas pelos dois modelos (absorção das superfícies, por um lado, e volume, por outro), foi possível gerar uma estimativa automática do tempo de reverberação (RT60) de acordo com a fórmula de Sabine (modificada).

The goal of this dissertation is the development of tools for audio in Virtual Reality environments, namely the acquisition and configuration of 3D data to feed room acoustic models. These models can be either geometric (such as the mirror-image source method, based on the reflection of sound waves on the surfaces delimiting the room) or physical (such as the digital waveguide mesh method, based on the discretisation of the wave equation on a three-dimensional grid covering the whole volume of the room). A Microsoft Kinect sensor and the Kinect Fusion application were used for acquiring boundary surface polygonal models in real rooms. Tools to identify the surface materials were then developed using the Visualisation Toolkit (VTK). This allowed the assignment of acoustic properties, namely absorption/reflection coefficients, to each mesh polygon, making it possible to configure geometric acoustic models, used in real-time auralization applications. In the physical model configuration front, an algorithm was developed for generating three-dimensional grids of nodes based on the polygonal models of room boundary surfaces. These 3D grids, with rectangular topology, cover the whole volume of the room. Each node is configured according to its position (air node or boundary node) and, for boundary nodes, according to the respective boundary material. A meeting room in IEETA was used for testing purposes. A polygonal model, with surface materials carefully identified, was built to create a geometric model of this room. Polygon number limitation criteria were applied. A 3D grid for physical modelling was also built. Combining the information from both models (surface absorption from one and volume information from the other), it was possible to automatically estimate reverberation time (RT60) according to the (modified) Sabine’s formula.