Введение 3
1. Актуальность темы 3
2. Цель работы 3
Постановка задачи 4
1. Обзор литературы 6
1.1. Метод конечных разностей и метод конечных элементов 6
1.2. Метод мнимых источников (метод отражений) 8
1.3. Метод трассировки лучей 9
1.4. Efficient and accurate sound propagation using adaptive rectangular decomposition 11
1.5. Project Triton и Planeverb 13
1.6. NVIDIA VRWorks Audio и AMD TrueAudio Next 14
2. Модель программирования CUDA ядра 14
3. Описание используемых алгоритмов 19
3.1. Метод трассировки лучей 20
3.2. Метод отражений 22
4. Метод конечных разностей и сравнение производительности 24
4.1. Описание программы 24
4.2. Описание используемых алгоритмов 28
4.3. Результаты 31
5. Проектирование нового алгоритма 50
Заключение 54
Перспективы развития 55
Список использованных источников: 56
ПРИЛОЖЕНИЕ 60
1. Актуальность темы
Задача моделирования акустики помещений актуальна при проектировании зданий и сооружений, особенно для концертных и лекционных залов. Также, с развитием технологий виртуальной реальности и с увеличивающийся реалистичностью виртуальных пространств растет потребность в качественном интерактивном звуке. В то же время растет интерес к использованию более мощных звуковых чипов с широкими возможностями в потребительской электронике. Так, например, компания Sony выпустила игровую приставку PlayStation 5 со звуковым чипом собственной разработки Tempest Engine, который осуществляет аппаратное ускорение в операциях со звуком, таких как применение свёрточной реверберации и HRTF (Head-related transfer function) - функций. Интерес представляет архитектура данного чипа, который состоит из множества SPU (Synergistic Processing Unit) - векторных со-процессоров в архитектуре Cell (Cell Broadband Engine Architecture), применявшихся в PlayStation 3. SPU является многоядерным векторным процессором класса SIMD (single instruction, multiple data), то есть обеспечивает параллелизм на уровне данных, что роднит принцип его работы с работой GPU. Данный факт показывает, что в настоящее время высокопроизводительные параллельные вычисления на процессорах с GPU-подобной архитектурой становятся актуальными не только для задач моделирования распространения звука с помощью точных, но не интерактивных методов, но и для интерактивных решений, работающих в реальном времени.
2. Цель работы
Цель работы - изучение потенциала использования вычислений на видеокарте для эффективного ускорения алгоритмов моделирования акустики помещений. Основными задачами являются
• изучение существующих методов решения задачи моделирования акустики,
• реализация прототипов программ для наиболее популярных методов,
• формулирование предложений по улучшению существующих методов в виде нового метода для достижения перцептивно реалистичной реверберации в помещении в реальном времени.
Входными данными для алгоритма являются положение источника звука, положение и ориентация слушателя, геометрия помещения. На выходе алгоритм представляет импульсную характеристику помещения.
Были изучены современные подходы к решению задачи моделирования акустических свойств помещений, а также были реализованы некоторые из этих алгоритмов. Было проведено прямое сравнение производительности метода конечных разностей на CPU и GPU. Сделан вывод, что задача хорошо подходит для распараллеливания вычислений на видеокарте. Для звуковой системы на основе алгоритма Ray Marching был создан графический прототип, реализующий только основной алгоритм шагания по лучу.
На сегодняшний день нет единого подхода к решению данной задачи, который бы был одновременно быстрым, интерактивным и высокоточным. Даже самые высокоточные методы не справляются с симуляцией на частоте 44100 Гц и требуют восстановления и увеличение частоты дискретизации вычисленной импульсной характеристики и их постобработку, иначе такая IR имеет свойства фильтровать частоты, которые выше половинной частоты симуляции. Поэтому существует подход комбинировать результаты волновых методов для низких частот и геометрических методов для высоких.
