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Page de résumé pour ULgetd-10212013-104607

Auteur : Lesoinne, Stephane
E-mail de l'auteur : slesoinne@student.ulg.ac.be
URN : ULgetd-10212013-104607
Langue : Français/French
Titre : Méthodes d'accélération du tir de rayons sonores pour la simulation en acoustique des salles/Acceleration methods of acoustical ray tracing in room acoustics
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences de l'ingénieur
Département : FSA - Département d'électricité, électronique et informatique
Jury :
Nom : Titre :
Botteldooren, Dick Membre du jury/Committee Member
Geuzaine, Christophe Membre du jury/Committee Member
Picaut, Judicaël Membre du jury/Committee Member
Van Droogenbroeck, Marc Président du jury/Committee Chair
Embrechts, Jean-Jacques Promoteur/Director
Mots-clés :
  • visibilité/visibility
  • récepteurs adaptatifs/adaptive receivers
Date de soutenance : 2013-12-18
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

La thèse développée dans ce document traite de l'accélération du tir de rayons sonores, une méthode de simulation numérique en acoustique des salles. Ce domaine occupe une position importante en analyse et en conception architecturale ainsi que dans la reproduction spatialisée d'ambiances sonores dénommée « auralisation ».

Pour analyser ou simuler l'acoustique d'une salle, les techniques numériques calculent sa réponse impulsionnelle entre un point d'émission et un point de réception. Cette réponse modélise les modifications sonores apportées par la salle durant la propagation du son entre la source et le point d'audition. Elle est solution de l'équation de propagation de l'onde sonore dont la résolution analytique n'est en général pas possible excepté pour les salles très simples. La résolution est dès lors le plus souvent approchée numériquement par diverses techniques dont le tir de rayons sonores qui suit la propagation dans la salle de rayons énergétiques issus d’une source et détecte leurs intersections avec un récepteur.

L’algorithme initial (ou « de base ») utilisé dans cette thèse est celui d’un tir de rayons :

• stochastique ;

• brut et séquentiel ;

• prenant en compte aussi bien les réflexions spéculaires que diffuses ;

• traitant des surfaces planes convexes quadrilatères;

• traitant toutes les surfaces lors de la recherche d'intersection ;

• utilisant des récepteurs sphériques de taille fixe.

La majeure partie du coût en temps de calcul des algorithmes de tir de rayons est réparti dans la recherche d'intersections entre les rayons et les surfaces. Ce temps de calcul peut être réduit par quelques méthodes d'accélération existantes qui visent pour la plupart la partie précoce de la réponse impulsionnelle. Cependant, plusieurs points peuvent être améliorés :

• Ces méthodes ne permettent pas d'accélérer avec une précision suffisante la simulation des salles dont le temps de réverbération est élevé (de 500 ms à plusieurs secondes).

• La recherche d'intersection entre les rayons et les surfaces est accélérée en utilisant un partitionnement de la salle suivant différents types d'arbres dont les plus efficaces ne permettent pas d'utiliser simultanément les jeux d'instructions vectoriels et une mise à jour rapide en cas de modification de la géométrie de la salle.

L'objectif de cette thèse est, à travers le développement de trois approches complémentaires, d'obtenir rapidement la simulation de l'acoustique d'une salle dont la géométrie peut subir de petites modifications et dont le temps de réverbération peut être élevé.

Accélération des tests d'intersection entre les rayons et les surfaces

Le test d'intersection entre les rayons et les surfaces est classiquement effectué pour un rayon et une surface à la fois. En exploitant les capacités de calcul vectoriel des processeurs actuels, les réflexions des rayons peuvent être traitées pour plusieurs surfaces à la fois (par paquets de surfaces) en un nombre d'instruction réduit.

Réduction du nombre de surfaces testées

Le nombre de surfaces testées pour la recherche d'intersections est réduit en exploitant la visibilité inter-surfaces ainsi que la probabilité d'intersections entre les rayons et les surfaces. Les informations de visibilité peuvent être mises à jour partiellement en cas de modification d'une partie de la géométrie de la salle. Cette méthode peut être parallélisée sur un nombre quelconque de processeurs et exploiter les instructions vectorielles.

Réduction du nombre de rayons par la technique des récepteurs de taille variable

La diminution du nombre de rayons s'effectue sans augmentation drastique des erreurs statistique de la réponse impulsionnelle grâce à l'utilisation de récepteurs de taille variable. En effet, l'augmentation de la taille des récepteurs compense la perte de précision induite par la diminution du nombre de rayons. Ces récepteurs prennent en charge l'inclusion d'obstacles dans leur volume.

Résultats

Les trois techniques développées dans le cadre de cette thèse sont complémentaires l'une de l'autre et apportent un gain total compris entre 12 et 15 par processeur tout en conservant des résultats acoustiquement équivalents. De plus, elles autorisent les mises à jour partielles de la géométrie pour autant que le nombre de surfaces modifiées reste faible (modification d’une « petite » dizaine de surfaces pour les salles complexes). Ce gain se répartit entre les trois méthodes de la façon suivante :

1. Un facteur d'accélération compris entre 2,5 et 5 pour le traitement vectoriel des surfaces par paquets lors de la recherche d'intersections avec les rayons. Cette méthode permet en outre de traiter des surfaces planes convexes avec un nombre quelconque de sommets.

2. Un facteur d'accélération compris entre 4 et 5 pour la minimisation du nombre de surfaces traitées lors de la recherche d'intersections avec les rayons en tenant compte des occlusions entre les surfaces et en tenant compte des probabilités d'intersections entre les rayons et les surfaces. Ces gains sont obtenus en couplant cette technique au traitement vectoriel des surfaces. Les informations de visibilité peuvent être mises à jour en un temps court lors d'une modification partielle de la géométrie.

3. Un facteur d'accélération compris entre 3 et 6 pour la diminution dynamique du nombre de rayons parcourant la salle lors du calcul de la partie tardive de la réverbération. L'augmentation des erreurs statistiques provoquée par cette diminution du nombre de rayons est compensée par l'augmentation de la taille du récepteur. De plus, cette méthode gère l'inclusion d'obstacles dans les récepteurs tout en restant conforme à la théorie du tir de rayons./The thesis of this paper deals with the acceleration of the sound ray tracing, a method of digital simulation in room acoustics. This area holds an important position in analysis and architectural design as well as the spatial reproduction of sound environments called "auralization."

To analyze or simulate the acoustics of a room, digital techniques calculate its impulse response between a transmission point and a receiving point. This response models the sound changes in the room during the sound propagation between the source and the point of hearing. It is a solution of the equation of propagation of the sound wave whose analytical solution is generally not possible except for very simple rooms. The resolution is therefore usually approximated numerically by various techniques including sound ray tracing which follow the propagation of energy rays in the room from a source and detects their intersections with a receiver.

The original algorithm (or "basic") used in this thesis is that of a ray tracing:

• Stochastic;

• Gross and sequential;

• Taking into account both specular and diffuse reflections;

• Dealing with convex quadrilaterals planar surfaces;

• Treating all surfaces during the search for intersection with rays;

• Using fixed size spherical receptors.

Most of the time cost of the algorithms shooting rays is distributed in the search for intersections between rays and surfaces. This computation time can be reduced by some existing acceleration methods that aim for most early part of the impulse response. However, several points can be improved:

• These methods cannot accelerate with sufficient precision simulation rooms with high reverberation time (from 500 ms to several seconds).

• Search for intersections between rays and surfaces is accelerated by using a partitioning of the room by various types of trees that do not allow simultaneous use of vector instructions and a quick update in case of modification of the geometry of the room.

The objective of this thesis is, through the development of three complementary approaches to quickly obtain the acoustical simulation of room whose geometry can undergo small changes and whose reverberation time can be high.

Acceleration of intersection tests between rays and surfaces

The intersection test between the ray and the surface is conventionally performed for a ray and a surface at a time. By leveraging the vector calculus capabilities of current processors, the reflections of rays can be treated for several surfaces at a time (packet of surfaces) in a reduced number of instructions.

Reducing the number of tested surfaces

The number of surfaces tested for finding intersections is reduced by exploiting the inter-surface visibility and the likelihood of intersections between rays and surfaces. Visibility information can be partially updated in case of a partial modification of the geometry of the room. This method can be parallelized on any number of processors and exploit vector instructions.

Reduction of the number of rays by the technique of the adaptive size receptor

The decrease in the number of rays occurs without drastic increase in statistical errors of the impulse response through the use of variable size receivers. Indeed, increasing the size of the receptor compensates for the loss of precision induced by the decrease in the number of rays. These receivers support the inclusion of obstacles in their volume.

Results

The three techniques developed in this thesis are complementary to one another and provide a total gain between 12 and 15 per processor while maintaining acoustically equivalent results. In addition, they allow partial updates of the geometry provided that the number of modified surfaces is low (modification of a "small" ten surfaces for complex rooms). This gain is divided between the three methods as follows:

1. An acceleration factor of between 2.5 and 5 for the vector processing of packet of surfaces when searching intersection. This method also helps to treat flat convex surfaces with any number of vertices.

2. An acceleration factor of between 4 and 5 for minimizing the number of processed surfaces when searching for ray intersections by taking into account occlusions between the surfaces and by taking into account the probability of intersections between rays and surfaces. These gains are achieved by combining this technique with vector processing of surfaces. Visibility information can be updated in a short time during a partial modification of the geometry.

3. An acceleration factor of between 3 and 6 for dynamically reducing the number of rays around the room during the calculation of the late part of the reverberation. The increase in statistical errors caused by the decrease in the number of rays is compensated by the increase in the size of the receiver. In addition, this method handles the inclusion of obstacles in receivers while remaining consistent with the theory of ray tracing.

Autre version :
Fichiers :
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Modem 56K ADSL
[Public/Internet] TheseFinale.pdf 1.75 Mb 00:04:09 00:00:09

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