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Sociedade de Engenharia de ´ Audio Artigo de Congresso Apresentado no 12 o Congresso de Engenharia de ´ Audio 18 a Convenc ¸˜ ao Nacional da AES Brasil 13 a 15 de Maio de 2014, S˜ ao Paulo, SP Este artigo foi reproduzido do original final entregue pelo autor, sem edic ¸˜ oes, correc ¸˜ oes ou considerac ¸˜ oes feitas pelo comitˆ e ecnico. A AES Brasil n˜ ao se responsabiliza pelo conte ´ udo. Outros artigos podem ser adquiridos atrav´ es da Audio Engineering Society, 60 East 42 nd Street, New York, New York 10165-2520, USA, www.aes.org. Informac ¸˜ oes sobre a sec ¸˜ ao Brasileira podem ser obtidas em www.aesbrasil.org. Todos os direitos s˜ ao reservados. N˜ ao ´ e permitida a reproduc ¸˜ ao total ou parcial deste artigo sem autorizac ¸˜ ao expressa da AES Brasil. Auralizac ¸˜ ao Em Tempo Real Para Ambientes Virtuais Din ˆ amicos Nuno Silva, 1 Andr ´ e Oliveira, 1 Paulo Dias, 1,2 Guilherme Campos, 1,2 Jos ´ e Vieira 1,2 e Jorge Santos 3 1 Universidade de Aveiro, Instituto de Engenharia Eletr´ onica e Telem´ atica de Aveiro Campus Universit ´ ario de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal 2 Universidade de Aveiro, Departamento de Eletr´ onica, Telecomunicac ¸˜ oes e Inform´ atica Campus Universit ´ ario de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal 3 Universidade do Minho, Centro de Investigac ¸˜ ao em Psicologia Campus de Gualtar, 4700-320, Braga, Portugal [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] RESUMO Este artigo descreve os blocos fundamentais de um motor de auralizac ¸˜ ao cuja finalidade ´ e disponibilizar ao utilizador os recursos necess´ arios para a configurac ¸˜ ao dos parˆ ametros que determinam o comporta- mento ac´ ustico de um ambiente virtual. O software permite atualizar estes parˆ ametros em tempo real retornando em formato ´ audio binaural o resultado da auralizac ¸˜ ao. Ser´ a dado destaque ` a implementac ¸˜ ao da atenuac ¸˜ ao do som por incidˆ encia em superf´ ıcies com diferentes materiais e ` a inclus˜ ao de um rever- berador para gerac ¸˜ ao da cauda da resposta impulsional de uma sala. S˜ ao ainda apresentados resultados que mostram este software como uma alternativa eficiente para a auralizac ¸˜ ao em tempo real. 0 INTRODUC ¸ ˜ AO Qualquer sistema de realidade virtual cujo objetivo principal seja proporcionar uma sensac ¸˜ ao de imers˜ ao convincente deve apresentar, para al´ em da parte visual, as caracter´ ısticas ac´ usticas do espac ¸o virtual. O motor de auralizac ¸˜ ao apresentado neste trabalho tem como ob- jetivo auxiliar estes sistemas permitindo a auralizac ¸˜ ao em tempo real de ambientes dinˆ amicos. De forma a produzir uma sensac ¸˜ ao de imers˜ ao convincente, a aplicac ¸˜ ao descrita baseia-se na convoluc ¸˜ ao de head related transfer functions (HRTF) para a criac ¸˜ ao de pistas auditivas binaurais, no m´ etodo de modelac ¸˜ ao geom´ etrica de imagens virtuais para a simulac ¸˜ ao das reflex˜ oes especulares do som nas superf´ ıcies que cons-

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Sociedade de Engenharia de Audio

Convention ArtigoApresentado no 10a Convention

08 a 10 de Maio de 2006, Sao Paulo, SP

Este artigo foi reproduzido do original entregue pelo autor, sem edicoes, correcoes e consideracoes feitas pelo comite

tecnico deste evento. Outros artigos podem ser adquiridos atraves da Audio Engineering Society, 60 East 42nd Street,New York, New York 10165-2520, USA; www.aes.org. Informacoes sobre a secao Brasileira podem ser obtidas emwww.aesbrasil.org. Todos os direitos sao reservados. Nao e permitida a reproducao total ou parcial deste artigo semautorizacao expressa da AES Brasil.

Tıtulo do Artigo

Autor 1, Autor 2, Autor 3

Afiliacao

Codigo Postal, Cidade, Estado, Paıs

endereco@eletronico

RESUMOUm resumo, com aproximadamente de 60 a 80 palavras, devera apresentar o conteudo deste artigo. Umresumo, com aproximadamente de 60 a 80 palavras, devera apresentar o conteudo deste artigo. Um re-sumo, com aproximadamente de 60 a 80 palavras, devera apresentar o conteudo deste artigo. Um resumo,com aproximadamente de 60 a 80 palavras, devera apresentar o conteudo deste artigo. Um resumo, comaproximadamente de 60 a 80 palavras, devera apresentar o conteudo deste artigo.

1. ITEM

Este template, em LATEX deve ser compatıvel comqualquer PC ou Macintosh. O objetivo deste tem-plate e sugerir um formato padrao para apresentacaode trabalhos tecnicos e cientıficos. Para isto, bastasalvar este template com outro nome, e como arquivo*.tex, e ir digitando o novo texto sobre este.

Os artigos submetidos a Convencao da AES nao saorevisados pelo corpo editor, e poderao ser publicadosem suas formas originais, como submetidos. Paraisto, as versoes finais devem ser enviadas em arquivosPDF (*.pdf) ou em postscript (*.ps), segundo esteformato.

Itens principais (veja acima) sao em letrasmaiusculas, fonte Helvetica, tamanho 8, estilonegrito, alinhado a esquerda. O texto, propriamente

dito, e em fonte Times Roman, tamanho 9 e justifi-cado (como este).

1.1. Sub-Item 1Subitens usam letras maiusculas e minusculas, comoacima. A fonte e Helvetica, tamanho 8, estilonegrito, alinhamento a esquerda, como no item prin-cipal.

2. CONTEUDOPara garantir que os artigos da Convencao da AESsejam consistentes com os objetivos da AES Brasil,as instrucoes abaixo devem ser consideradas pelosautores.

O conteudo tecnico deve ser preciso e coerente.Citacao a trabalhos anteriores e/ou de terceiros de-vem ter seus respectivos creditos.

Sociedade de Engenharia de Audio

Artigo de CongressoApresentado no 12o Congresso de Engenharia de Audio

18a Convencao Nacional da AES Brasil13 a 15 de Maio de 2014, Sao Paulo, SP

Este artigo foi reproduzido do original final entregue pelo autor, sem edicoes, correcoes ou consideracoes feitas pelo comitetecnico. A AES Brasil nao se responsabiliza pelo conteudo. Outros artigos podem ser adquiridos atraves da Audio EngineeringSociety, 60 East 42nd Street, New York, New York 10165-2520, USA, www.aes.org. Informacoes sobre a secao Brasileirapodem ser obtidas em www.aesbrasil.org. Todos os direitos sao reservados. Nao e permitida a reproducao total ou parcial desteartigo sem autorizacao expressa da AES Brasil.

Auralizacao Em Tempo Real Para Ambientes VirtuaisDinamicos

Nuno Silva,1 Andre Oliveira,1 Paulo Dias,1,2 Guilherme Campos,1,2 Jose Vieira1,2 eJorge Santos3

1 Universidade de Aveiro, Instituto de Engenharia Eletronica e Telematica de AveiroCampus Universitario de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal

2 Universidade de Aveiro, Departamento de Eletronica, Telecomunicacoes e InformaticaCampus Universitario de Santiago, 3810-193, Aveiro, Portugal

3 Universidade do Minho, Centro de Investigacao em PsicologiaCampus de Gualtar, 4700-320, Braga, Portugal

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]

RESUMOEste artigo descreve os blocos fundamentais de um motor de auralizacao cuja finalidade e disponibilizarao utilizador os recursos necessarios para a configuracao dos parametros que determinam o comporta-mento acustico de um ambiente virtual. O software permite atualizar estes parametros em tempo realretornando em formato audio binaural o resultado da auralizacao. Sera dado destaque a implementacaoda atenuacao do som por incidencia em superfıcies com diferentes materiais e a inclusao de um rever-berador para geracao da cauda da resposta impulsional de uma sala. Sao ainda apresentados resultadosque mostram este software como uma alternativa eficiente para a auralizacao em tempo real.

0 INTRODUCAO

Qualquer sistema de realidade virtual cujo objetivoprincipal seja proporcionar uma sensacao de imersaoconvincente deve apresentar, para alem da parte visual,as caracterısticas acusticas do espaco virtual. O motorde auralizacao apresentado neste trabalho tem como ob-jetivo auxiliar estes sistemas permitindo a auralizacao

em tempo real de ambientes dinamicos. De formaa produzir uma sensacao de imersao convincente, aaplicacao descrita baseia-se na convolucao de headrelated transfer functions (HRTF) para a criacao depistas auditivas binaurais, no metodo de modelacaogeometrica de imagens virtuais para a simulacao dasreflexoes especulares do som nas superfıcies que cons-

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NUNO SILVA ET AL. AURALIZACAO EM TEMPO REAL

tituem o espaco, e usa um reverberador artificial paragerar a cauda de reverberacao da resposta impulsional.

Em [1] sao descritos detalhadamente os blocos fun-damentais necessarios a auralizacao. O objetivo desteartigo e descrever o mais recente desenvolvimento destetrabalho focando os modulos recentemente adicionadosa esta biblioteca, que completam os requisitos primariosnecessarios para a concretizacao de uma auralizacaoconvincente. Sera abordado o processamento audio rea-lizado em cada som anecoico focando a implementacaoda absorcao do som pelos materiais das superfıcie refle-toras e a implementacao de um reverberador artificialpara a simulacao da reverberacao tardia, que por mo-tivos de eficiencia computacional, nao e possıvel gerarusando metodos de modelacao geometrica. Termina-secom a descricao de uma demonstracao das funcionali-dades deste software.

1 IMPLEMENTACAOO bloco de processamento geometrico da biblio-

teca AcousticAVE (AAVE) tem como funcao gerir asposicoes das fontes sonoras, a posicao e orientacao doouvinte e calcular, usando o metodo das imagens virtu-ais, as reflexoes do som nas superfıcies do espaco. Maisdetalhes sobre a implementacao deste metodo estao dis-ponıveis em [1]. Segue-se uma breve sıntese do blocode processamento audio, onde se encaixam os modulosrecentemente adicionados.

1.1 Processamento AudioCada fonte sonora origina um determinado numero

de caminhos de transmissao (som direto e reflexoes),sendo cada um deles processado de acordo com osparametros gerados pelo bloco geometrico da biblio-teca (distancia, direcao e materiais das superfıcies re-fletoras). O processamento individual de cada somencontra-se descrito na Figura 1. O buffer de cadasom anecoico e carregado com o audio da sua res-pectiva fonte. Quando a fonte e/ou o ouvinte se mo-vem, a distancia percorrida por cada som muda deforma descontınua devido a velocidade de atualizacaodas posicoes ser habitualmente muito inferior a taxa deamostragem audio adotada. O bloco reamostragem lidacom este facto reamostrando o sinal, filtrando os valo-res de distancia, e interpolando linearmente as amos-tras com o atraso correspondente, da forma descrita em[2]. Neste ponto o sinal e convertido para o domınioda frequencia atraves de uma versao otimizada do al-goritmo Fast Fourier Transform (FFT). O bloco rela-tivo a absorcao dos materiais e executado no domınioda frequencia atraves de um filtro cuja magnitude cor-responde aos coeficientes de absorcao de cada mate-rial. Atraves da aplicacao do par de HRTF correspon-dente a direcao de chegada do som ao ouvinte, o somanecoico e transformado em binaural. O movimento doouvinte reflete-se na mudanca para o par de HRTF cor-respondente a sua posicao atual. Esta mudanca causadescontinuidades que aumentam com a amplitude do

som direto e primeiras reflexões reflexões tardias

FONTE ANECÓICA

reamos t r agem 1/Dc

DFT

fil tragem absorção materiais

1 /z

fade in/out anter iorfade in/out a tualfade in/out a tual

a t e n u a ç ã odistância anterior

a t e n u a ç ã odistância atual

a t e n u a ç ã odistância atual

HRTFe s q u e r d aanter ior

HRTFdirei ta

an te r ior

HRTFe s q u e r d a

a t u a l

HRTFdirei taa t u a l

HRTFe s q u e r d a

a t u a l

HRTFdirei taa t u a l

s o m asons

s o m asons

s o m asons

s o m asons

s o m asons

s o m asons

IDFT IDFTIDFT IDFT IDFT IDFT

overlap-add overlap-addoverlap-add overlap-add

fade ou tfade in fade ou tfade in

BINAURAL (canal esquerdo) BINAURAL (canal direito)

r eve rb

Figura 1: Diagrama geral do processamento audio.

movimento. Para mascarar estas descontinuidades foiimplementado um metodo que realiza, para cada somanecoico, a convolucao dos pares de HRTF relativosa posicao anterior e atual e aplica um crossfade entreos dois. Este metodo pode ser visto como uma versaobinaural multi-fonte do algoritmo overlap - add des-crito em [3]. O fade in/out de sons e a atenuacao re-lativa a distancia fonte/ouvinte sao aplicados multipli-cando o fator adequado pela magnitude das HRTF’s.Todos os sons sao somados no domınio da frequencia,o que resulta na execucao de apenas 6 IDFT (InverseDiscrete Fourier Transforms), independentemente donumero de fontes. De acordo com o passo final doalgoritmo overlap - add [4], os sons sao convertidospara o domınio do tempo, sobrepostos e somados embloco. De salientar, nesta fase de implementacao, a pos-sibilidade do utilizador poder escolher entre 4 conjun-tos de pares HRIR (Head Related Impulse Response)[5, 6, 7, 8], cada qual com diferentes caracterısticas re-lativas a medicoes em azimute, elevacao e distancia.Esta possibilidade e uma mais valia para a realizacao detestes psicoacusticos que permitirao avaliar tanto o de-sempenho do software de auralizacao descrito como di-versos parametros acusticos que influenciam a audicaohumana.

1.2 MateriaisO impacto e reflexao de uma onda sonora em qual-

quer material altera o seu conteudo espectral. Nocaso de superfıcies solidas o som e atenuado, sendo

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esta atenuacao diferente para diferentes gamas defrequencia. Os filtros criados para simular a absorcaotiram partido do facto de os sons ja se encontraremno domınio da frequencia, o que permite a criacao eaplicacao de filtros com fase linear e respostas impul-sionais longas. Sao construıdos atraves do metodo dedesenho de filtros por amostragem de frequencia [4],sendo usada interpolacao linear na geracao da mag-nitude dos coeficientes de Fourier. Tendo por base atabela de coeficientes α de absorcao para incidenciaaleatoria [9], calcula-se o valor R correspondente aabsorcao numa das banda de oitava audio (125 Hz, 250Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz) apartir da seguinte equacao:

|R| =√1− α (1)

A Figura 2 mostra as magnitudes dos coeficientesde absorcao de diferentes materiais, e o total que seobtem para um som que tivesse sido refletido nessasequencia de superfıcies, com esses diferentes materi-ais. A Figura 3 mostra os respectivos coeficientes totaisdo filtro calculado pelo metodo descrito, para N = 128amostras, onde se pode constatar a linearidade da fasedo filtro.

Figura 2: Resposta em frequencia de superfıcies de ma-terial vidro, madeira (contraplacado), carpete, e o totalda sequencia das tres superfıcies.

Figura 3: Coeficientes do filtro total de absorcao dosmateriais calculado.

O resultado audiovisual de uma simulacao com di-ferentes materiais pode ser consultado online [10].

1.3 Reverberacao ArtificialO metodo das imagens virtuais nao e aplicavel

quando o objetivo e simular integralmente e em temporeal a reverberacao de um som em determinado espaco.Isto deve-se ao facto de o aumento da ordem de re-flexoes geradas aumentar exponencialmente o custocomputacional do algoritmo que testa a visibilidade decada som. Torna-se entao necessario gerar de umaforma computacionalmente menos exigente a caudade reverberacao tardia. Foi implementado numa pri-meira fase o algoritmo de reverberacao de Datorro [11]que, embora possuısse uma qualidade subjetivamenteaceitavel, foi abandonado devido a impossibilidade deconfigurar do seu tempo de duracao. Posteriormente foiimplementado o algoritmo de reverberacao baseado emfeedback delay networks (FDN) descrito em [12], quepermite configurar o tempo de reverberacao em funcaoda frequencia.

1.3.1 Algoritmo

A Figura 4 mostra o diagrama deste algoritmo:

Figura 4: Diagrama do algoritmo implementado.

A implementacao do algoritmo foi realizada deacordo com [13], tendo sido parametrizado da se-guinte forma: N = 64 e a ordem da matriz decirculacao, bN e um vetor unitario e cN,2 e uma ma-triz de duas colunas cuja funcao e anular a correlacaoentre o canal esquerdo e direito do retorno. A matrizde circulacao aN,N , do tipo Householder, foi escolhidadevido a sua implementacao eficiente (2 ·N operacoespor multiplicacao) e ao facto de maximizar a densidadetemporal das reflexoes devido a nao possuir valores nu-los. Pode ser representada da seguinte forma:

aN,N = jN,N −2

N· uN · uTN (2)

sendo jN,N uma matriz de permutacao e uN um ve-tor coluna unitario. A atenuacao em amplitude efrequencia em cada linha de circulacao e efetuada porum atraso e um filtro passa baixo. O atraso mi decada linha, em numero de amostras, e escolhido en-tre um conjunto de N numeros mutuamente primos(300 < mi < 2000). O ganho gi de cada filtro passabaixo hi(z) e calculado de acordo com a Equacao (3):

20 · log10(gi) =−60 · T ·mi

Tr(ω)(3)

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NUNO SILVA ET AL. AURALIZACAO EM TEMPO REAL

onde T corresponde ao perıodo de amostragem e Tr(ω)e o tempo de reverberacao da frequencia ω. Jot et al [12]propoe o filtro passa baixo IIR de primeira ordem:

hi(z) = gi · δki(z), δki(z) =1− bi

1− biz−1(4)

onde

bi = 1− 2

1 + g1+ 1

αi

, α =Tr(π)

Tr(dc)

O parametro α permite estabelecer uma relacao entreo tempo de reverberacao da frequencia de Nyquist e oda frequencia dc. No entanto, a insercao do filtro passabaixo hi(z) em cada linha de atraso faz com que a res-posta em frequencia geral deixe de ser uniforme. O fil-tro passa alto t(z) descrito pela Equacao 5 implementaa correcao necessaria para que a resposta em frequenciageral da reverberacao seja uniforme e independente dotempo de reverberacao de cada frequencia [13]:

t(z) =1− β · z−1

1− β, β =

1−√α

1 +√α

(5)

O retorno y e posteriormente somado aos restantes sonsproduzidos da forma descrita de seguida.

1.3.2 Acoplamento entre Reverberacao Especulare Difusa

A juncao entre a reflexoes geradas pelo metodo dasimagens virtuais e a reverberacao gerada pelo rever-berador artificial e realizada com base no conceito dedistancia crıtica Dc [14]. Dc corresponde a distanciana qual a energia do som direto radiado por uma fonteomnidirecional e igual a energia do som reverberanteque e refletido por todas as superfıcies. Calcula-se daseguinte forma:

Dc =

(A · α16 · π

)0.5

(6)

em que A e a area total das superfıcies da sala e αo coeficiente de absorcao medio da sala. Partindo doprincıpio que a energia do som reverberante e cons-tante [14], o fator de atenuacao Gr do reverberador ar-tificial e calculado utilizando a lei inversa da distanciapara a distancia crıtica. Desta forma garante-se que aamplitude do retorno do reverberador artificial, calcu-lada com base em parametros da sala, e coerente coma amplitude do som direto e das restantes reflexoes es-peculares. O atraso inicial da cauda de reverberacao ecalculado com base na densidade temporal de reflexoesDe, de acordo com a Equacao 7 [15]:

De(t) ≈ 4πc3t2

V(7)

onde c (em m/s) corresponde a velocidade do som e V(em m3) ao volume da sala. Partindo do criterio que ummınimo de 10 reflexoes se sobrepoem na resolucao do

sistema de audicao humano (24 ms), a Equacao 7 podeser simplificada da seguinte forma:

tmixing ≈√V (ms)

onde tmixing aproxima o instante de transicao entreas reflexoes nao difusas e a reverberacao tardia. NaFigura 5 mostra-se a forma como esta juncao resultaatraves das respostas impulsionais de uma sala rectan-gular simples. O pre-atraso tmixing gerado foi de 40.0(ms) e a atenuacao da reverberacao e de 0.24 sobre oganho unitario inicial.

Figura 5: Em cima: Som direto e reflexoes ate a or-dem 7. Ao centro: Reverberacao gerada pelo impulso.Em baixo: Juncao das duas com atenuacao e atraso dareverberacao.

2 APLICACOESPara demonstrar as funcionalidades deste motor de

auralizacao foi desenvolvida uma aplicacao 3D que per-mite visualizar uma sala ampla onde o utilizador podenavegar. A geometria modelada possui 13 superfıcies,cada uma delas com um material associado. A salapossui aproximadamente 11150 (m3) de volume e umasoma total das areas das superfıcies de 3590 (m2).

A resposta impulsional deste espaco foi parame-trizada de acordo com a resposta impulsional gravadanuma sala com caracterısticas geometricas semelhantes[16]. A aproximacao do tempos de reverberacao simu-lados aos parametros reais encontra-se descrita na Ta-bela 1.

Tabela 1: Tempos de reverberacao RT60 T30 (s)

Real (Elveden Hall) Simulacao125 Hz 2.714 4.095250 Hz 3.562 4.028500 Hz 4.199 4.060

1000 Hz 4.091 3.9082000 Hz 3.859 3.5594000 Hz 2.951 2.7028000 Hz 1.580 1.560

O algoritmo de reverberacao permite aproximarcom sucesso o decaımento do tempo de reverberacaonas altas frequencias. No entanto, o tempo dereverberacao estabiliza na gama de frequencia de 1

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Figura 6: Acima: Vista 3D do ambiente simulado coma fonte anecoica omnidirecional representada por umaesfera vermelha. Abaixo: Vista 2D correspondente comrepresentacao visual das reflexoes especulares ate a 4ªordem.

KHz devido ao facto de nao ser possıvel, atraves doalgoritmo implementado, especificar o decaımento dotempo de reverberacao nas gamas de frequencia maisgraves. O resultado audiovisual desta simulacao podeser consultado online [10].

3 CONCLUSAO E TRABALHO FUTURO

Com a introducao dos mais recentes modulos, a bi-blioteca de auralizacao AAVE possui a capacidade desimular a resposta impulsional integral de salas con-vexas simples com um grau de realismo convincente.A possibilidade de simular ambientes dinamicos emtempo real torna-a uma alternativa na area do desen-volvimento de aplicacoes para realidade virtual.

O trabalho a desenvolver no futuro tem como ob-jetivo aumentar o grau de realismo do resultado daauralizacao. Envolve a otimizacao do metodo de juncaoentre as primeiras reflexoes e a reverberacao tardia ea implementacao do metodo das imagens virtuais deforma a serem geradas todas as reflexoes possıveis du-rante um intervalo de tempo pre-estabelecido. Sera in-vestigada a inclusao um reverberador artificial de qua-lidade superior, que permita configurar o tempo dereverberacao por gama de frequencia. Serao tambemcriados casos de estudo para comparacao acustica en-tre ambientes reais e as suas simulacoes. Relati-vamente ao desempenho, por se tratar de um fatorcrucial nesta aplicacao, pretende-se introduzir parale-lismo no processamento individual de cada fonte so-nora e no modulo que executa os calculos necessarios aimplementacao do metodo das imagens virtuais.

4 AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi financiado pelo Estado Portuguesatraves da FCT - Fundacao para a Ciencia e Tecnolo-gia - no ambito do projeto AcousticAVE: Modelos eAplicacoes de Auralizacao em Ambientes de RealidadeVirtual (PTDC/EEA-ELC/112137/2009).

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