近日，美国专利商标局正式授予苹果一项与听觉化领域有关的专利。更特别的是，这项专利还涉及到虚拟3D环境的实时听觉化技术，包括优化声学射线追踪过程。
苹果公司在其专利背景中指出，在过去的几十年里，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术已经成为各种应用的有力工具，例如在科学、设计、医学、游戏和工程领域，以及在更有远见的应用中，例如创建旨在模拟现实世界环境对应的外观和声音 "虚拟空间"。
然而，近年来的大部分创新都集中在创建虚拟视觉效果上（例如，VR头显和电子游戏系统等）。为了增加这种虚拟环境的沉浸感，使之成为尽可能真实地进行模拟，重要的是要考虑多种感官刺激，而不仅仅是模拟视觉刺激，还可以模拟声音刺激，甚至嗅觉和/或触摸刺激。
与可视化类似，虚拟环境的"听觉化"描述了声音传播的模拟，其中几何声学（GA）的方法可用于模拟声波的某些现实行为。在这种模拟中，可以考虑到三维环境中的各种声波反射模型以及声波混响模型来生成空间音频信号。这种空间音频可以使用例如数字音频工作站(DAW) 等软件生成，并且可以用于各种应用，例如房间规划和/或音乐或建筑声音模拟。
目前的空间音频合成软件通常可以管理实时模拟移动接收器周围移动声源的计算负荷，这些模拟往往是基于静态混响的。然而在现实世界的场景中，声波和反射性/阻碍性表面之间存在着显著的相互作用，例如，在进入或离开房间的时候会有不同的声音效果。此外，当用户（或虚拟用户）听着合成的音频信号浏览真实世界（或虚拟）环境时，房间里的各种门户（如门、窗、屋顶）可能动态地打开和/或关闭。房间建筑或场景构成中的每一个变化都会对房间里的声波在任何给定瞬间的实时模拟方式产生重大影响。
现在需要改进虚拟三维环境的实时物理精确听觉化技术。这包括其中任何（或全部）的环境：声源、声音接收器和虚拟环境中的几何/表面可能在声源被模拟时产生的动态变化。这样的技术也可以应用于AR场景，例如，将额外的声音信息添加到听众的真实环境中，以准确模拟听众真实环境中不存在的 "虚拟"声源，以及混合现实场景、声音可视化应用、房间规划和/或3D声音混合应用。
苹果公司的授权专利描述了一些方法，这些方法被配置为在复杂环境中产生物理准确听觉化的声音传播方法，包括重要的波效应，如吸声、声音散射和房间之间的空气声隔离。
这种技术不仅可以支持逼真的声场渲染，还可以实时模拟空间分布、可自由移动的声源和接收器，以及对环境本身的修改和操作。
可以利用技术来确定更准确的"声学有效"房间容积，特别是对于某些很难确定房间容积的三维房间模型。这项技术对于迂回的空间、孔洞（例如，打开的窗户）甚至是 "半开放"的空间（例如，体育场）来说尤其有用。许多声学方程或算法需要对房间（如环境）的体积进行准确的估计。
具有声学效果的房间容积估算技术可以处理开放和半开放的空间、打开的窗户、有无法到达的角落的曲折空间，甚至可以检测出在非常小的开口后应该考虑的容积量。这样一来，在本领域已经使用的相同的声学方程或算法可以通过使用本文描述的声学有效房间容积估算技术（相对于简单的三维模型容积计算）而得到显著的改善。
使用声学有效房间容积估算技术将使这些声学方程更加准确，此外，可以利用技术来优化声学射线追踪。在图形/光学领域已经存在快速和优化的射线追踪算法，但对声学来说要么缺乏性能，要么缺乏物理精度。因此，通过考虑声学波的传播和人类听众的心理声学特征，本文所述的改进射线追踪过程适应于声音（而不是光）传播的问题。改进后的射线追踪器提高了对声学目的的适用性，同时也提升了性能。
苹果公司的专利图1显示了一个示例性的声学房间模型和房间模型的相应规范；图2是一个流程图，说明了一种估算声学有效房间容积的方法。
图源：patentlyapple
苹果公司的专利图6是一个虚拟三维环境的房间声学示范性可视化。各种射线路径代表了从源头（例如，在房间里的第602号位置）发出的反射路径，这些反射路径在检测器（例如，在房间里的第604号位置）被接收。
图源：patentlyapple
欲了解更多细节，请查阅苹果公司的授权专利11,197,119。
文章来源：VR陀螺
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