[发明专利]基于样本的爆炸声音自动合成方法

权利要求书

1.一种基于样本的爆炸声音自动合成方法，其特征是，步骤如下：

步骤1、爆炸动画的视觉模拟，具体包括以下处理：

采用基于物理的解决方案来建模爆炸动画，对爆炸进行模拟，并导出每帧中所需要的相关数据，包括燃料供应量、速度和燃料燃烧率；

步骤2、爆炸动画的物理信息计算，具体包括以下处理：

爆炸动画的物理信息计算包括计算冲击声的发生和持续时间以及计算低频的爆炸声音，对于冲击声的发生和持续时间的计算，利用从每帧动画中导出的燃料源体积数据计算出爆炸过程中冲击声的发生时间和持续时间，这将用于爆炸过程中冲击声的匹配；对于低频的爆炸声音的计算，采用基于物理的声音生成方法，生成低频的爆炸声音；

步骤3、声音样本的准备及预处理，具体包括以下处理：

采用两种类型的声音样本，即将真实的爆炸声和燃烧声音的录音作为样本输入，在利用声音样本合成爆炸声音前，需要对两种声音样本分别进行特定的预处理操作：

首先，利用得到的冲击声的持续时间，采用一定的方法从爆炸录音样本中提取出所需要的冲击声样本；然后，对燃烧录音进行分帧，并计算出每帧录音的音色特征，为后期爆炸动画中燃烧部分的声音合成来做准备；

步骤4、爆炸声音的自动合成，具体包括以下处理：

首先利用前面得到的爆炸动画中的物理信息和声音样本，分两部分分别合成爆炸过程中产生的冲击声和燃烧噪声两种声音，之后混合得到的冲击声和燃烧噪声，获得最终的与爆炸动画相同步的爆炸声，具体地，

1)爆炸动画的视觉模拟

采用稍作修改的不可压缩流体方程来建模爆炸的气体燃料和爆炸产物，具体是使用如下的纳维-斯托克斯Navier-Stokes方程组进行建模：

其中，v代表流体的速度，公式(1)中p表示压强，ρ是密度，f为外力，包括涡度约束力，重力和浮力，t表示时间，公式(2)中是与温度变化成比例的散度源，另外，还利用密度场和温度场来控制烟雾的引入、平流和扩散，并且在模拟的爆炸动画中引入了涡度约束来提高模拟的爆炸动画的视觉真实感，在整个爆炸过程中，燃料作为整个爆炸过程的能量供应，是用带有速度和温度的体积场来存储的；

2)爆炸动画的物理信息计算

具体做法如下：

通过三次样条插值法将导出的每帧动画中的燃料源体积数据进行重构，得到爆炸动画的燃料源体积变化曲线，然后，选取变化曲线中最大值e_t的两个相邻的极小值的时间间隔t作为火球现象发生的持续时间，其中左边的极小值为初始爆炸时刻；将边界点当作极值点来处理，考虑到爆炸声的衰减延迟，假定冲击声的最终持续时间为3t；

然后，采用基于物理的声音生成方法生成低频的爆炸声音，具体为：

采用格林函数来求解爆炸产物的波动方程，得到声压公式：

其中，c₀，γ分别表示环境声速和比热比，x为听者位置，y为声源位置，t表示时间，忽略距离衰减和时间延迟，去掉常数因子，并采用高斯散度定理将曲面积分转化为体积积分，得到简化后的声压公式：

根据类移动立方体marching-cube-like方法计算爆炸声音，将模拟的动画空间均匀的离散为M×N×L个立方体，并计算每个立方体顶点处燃烧场中的值在得到后，遍历每个立方体并得到它的卷积δv，如果δv＞0，速度散度为否则为0，将所有立方体上和δv的乘积相加，得到最终的速度散度积分：

3)声音样本的准备及预处理

分别对爆炸声的录音样本和燃烧声音的录音样本进行如下预处理：

对于爆炸声的录音样本，结合确定的冲击声的持续时间从爆炸录音的样本中提取出需要的冲击声样本和低频的燃烧噪声；

对于燃烧声音的录音样本，对其预处理操作为：首先，将燃烧声音的录音样本通过低通滤波处理得到低频的燃烧声音样本，然后，将原始录音、低频的燃烧噪声和前面通过低通滤波处理得到低频的燃烧声音样本全都分割成800毫秒的短小声音粒子，最后，计算出每个粒子的音调、响度、频谱平坦度、频谱质心和能量的平均值作为每个声音粒子的音色特征；

4)爆炸声音的自动合成

分两部分分别合成与爆炸动画中火球同步的冲击声和与燃烧现象相同步的燃烧噪声，之后将这两种声音混合得到最终的爆炸声音。