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可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

 | 蒋力克

编辑 | 贰沐 子鱼

VR在建筑景观城市设计中的应用并不算新鲜。通过VR,尤其是线上VR,可以方便直观互动性地和客户、政府和公众交流设计意向和成果。但过去的十几二十年来,这些应用基本只涉及到视觉要素,只提供可视化,或只是配上和虚拟场景并不严格相符的示意性的声音信息。声音信息,包括噪声和更宽泛的声景,作为城市的重要环境要素,应当被加入到相关的VR应用中,实现更加有效的设计展示和公众参与。

要实现这一点,可听化(Auralisation)是必不可少的技术(关于可听化,戳声学发展史之——可听化 (Auralization))。可听化在规划设计和公众参与中的应用,无论是独立应用还是和可视化相结合,跟单独的可视化相比不多,但还是有一些的,基本可以分四类:线下-非实时渲染;线上-非实时渲染;线下-实时渲染;线上-实时渲染。非实时渲染的可听化已经比较成熟了,比如欧盟DESTINATE项目团队做的铁路噪声的可听化和可视化[1]。实时渲染,无论是线上还是线下,相对来说少很多。要做到高质量的可听化实时渲染还是挺有难度的,不同于可视化中的光,可听化中声的速度慢很多,复杂空间多个声源直达声到达人耳有延迟,又会在物体表面之间多次反射和衰减,声传播很难精确又快速的模拟。这还是不考虑声音波的本质,声源的指向性以及双耳效应的前提下。所以,线上实时渲染更是难上加难。但是,如果做不到可听化的实时渲染,就无法把可听化加入到可交互的VR中了。

不过其实,早在2016年,还在意大利的我和还在德国的子鱼就做了线上实时渲染可听化+可视化的尝试。当然,我们做的只是一个展示性、概念性的尝试。这个项目是欧盟玛丽居项目里下面的SONORUS – Urban Sound Planning的一个子项目(SONORUS成果汇编成的一本书[2])。

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

当时我想要做线上实时渲染可听化+可视化的初衷非常质朴:首先项目规定必须是VR,所以要实时渲染;然后我不想线下找人做实验,因为当时所在的意大利的大学不允许拿科研经费找人做实验,经历了第一个课题找人做线下实验的噩梦后(需要参与者自行开车前往位于乡间的实验室,然后在30多度的天气下在没有空调电扇密不通风的消音室带着VR头盔听各种交通噪声。这里要感谢当时的意大利同事们帮我找到了大部分参与者),我决定一定不能再做线下实验了。作为曾经沉迷《魔兽世界》的少年,我想为什么不做一个类似网游的应用呢?当时Unity和Unreal Engine等游戏设计软件已经能够实现简单的线上实时声音渲染了,不过这算不上可听化,因为不涉及声源的合成。我自己其实并没有合成声源的技能,我们当时意大利的项目团队里也没有,不过机缘巧合,后来去葡萄牙开会认识了子鱼,赶紧邀他入坑。

当时我们拿那不勒斯的Piazza Vittoria作为案例场地。现实场景和VR中的场景对比如图1、图2所示。基本的思路框架、工序、软件、硬件以及素材如图3所示。这里主要讲讲声音素材的生成、获取和渲染。

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图1:现实场景和VR中的场景对比a

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图2:现实场景和VR中的场景对比b

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图3:那不勒斯Web-based VR的基本思路框架、工序、软件、硬件以及素材

在我们这个项目中,声音素材按照获取方式主要分四种:

1. 合成的声音信号。每一辆汽车作为一个移动的点声源,他们各自产生的位于声源位置的噪声是合成的(具体见后期子鱼要发的声源合成的文章)。有条件的也可以录制不同行驶条件下位于声源位置的汽车噪声,不过我们没有这种条件。。。

2. 消声室录音。意大利人的对话声,包括2人,3人和5人以上对话声是在消声室录的,可以作为点声源加入到VR场景中。

3. 现场录音。我们去Piazza Vittoria现场以及附近地区采集了一些录音,作为背景音加入到VR场景中。

4. 来自网上或自己的音频素材库的音频文件。包括鸟叫声,喷泉声,潮水声等等,作为点声源或背景音加入到VR场景中。

声音渲染的话,因为要实现网页版VR实时渲染,所以非常基本。首先整个VR场景当作free field处理,所有点声源都按 logarithmic volume-distance rolloff (相当于1/r) 进行音量衰减。所有背景音都按 linear volume-distance rolloff 进行音量衰减。效果戳以下视频。

当时模拟了:2种街道设计 x 2种交通管制 = 4种场景(图4&5)。公众可以通过我们的网页版VR体验不同的街道设计和交通管制方案下Piazza Vittoria的景观和声景。当然,就跟我之前提到的,我们这个项目是展示性概念性的,VR质量尤其是可听化部分还需要提高。当时我们找了大概100人做网上问卷,对VR质量的反馈如图6。整体来说,我们的VR场景声音太单薄太单调了,完全不像是在闹哄哄的那不勒斯。

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图4:两种街道设计:现状街道 & 共享街道

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图5:两种交通管制:无管制 & 机动车禁行

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

图6:VR质量评分

遗憾的是,2016年以后我就没有再继续相关方面的工作。高质量实时渲染的可听化成本还是很高的,要做到城市设计中的广泛应用可能还不够成熟。不过随着软件硬件条件以及可听化技术的不断进步,以及规划设计中对声环境的不断重视,希望在不久的将来,可听化也会像可视化一样得到普遍应用,助力更好的公众参与和决策制定。

可听化(Auralisation)在城市设计中的探索性应用

作者:蒋力克,利兹大学,主要从事城市交通与环境尤其是噪声相关的研究

封面来源:TUE Building Acoustics

 

参考

1https://www.youtube.com/channel/UCG6hY-EyCR0ZuwIEisRaH3Q

2https://sonorusfp7.wordpress.com/2016/10/07/our-booklet-urban-sound-planning-the-sonorus-project-available/

3 Jiang L. 2018. Visualisation and auralisation for perception-driven decision supports in planning: A comparative review. In: Handbook of Research on Perception-Driven Approaches to Urban Assessment and Design. IGI Global, pp. 297-316.

 

4 Jiang L, Masullo M, Maffei L, Meng F, Vorländer M. 2018. How do shared-street design and traffic restriction improve urban soundscape and human experience? —An online survey with virtual reality. Building and Environment. 143, pp. 318-328.

 

5 Jiang L, Masullo M, Maffei L, Meng F, Vorländer M. 2018. A demonstrator tool of web-based virtual reality for participatory evaluation of urban sound environment. Landscape and Urban Planning. 170, pp. 276-282. 

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