Μεθοδολογία 3Δ ακουστικής προσοµοίωσης και µετρήσεων από απόσταση σε πραγµατικό χρόνο

Transcript

1 Μεθοδολογία 3Δ ακουστικής προσοµοίωσης και µετρήσεων από απόσταση σε πραγµατικό χρόνο Στέλιος Κουζελέας 1, Κίµων Παπαδηµητρίου 2 1 GRECAU, Αρχιτεκτονική Σχολή Bordeaux Γαλλίας, 2 Τµήµα Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών, ΑΠΘ, stelios_kouzeleas@yahoo.fr, paki@topo.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η συγκεκριµένη εργασία βασίζεται σε τεχνικές της τηλεγεωεπεξεργασίας (για τη καταγραφή και απόδοση φαινοµένων του φυσικού χώρου από απόσταση). Ειδικότερα αναπτύσσεται µια µεθοδολογία οπτικοποίησης πραγµατικού χρόνου, των τιµών της στάθµης ηχητικής πίεσης (SPL), σ' ένα περιβάλλον αυτοµατοποιηµένης σχεδίασης (CAD ή GIS) και σε συνδυασµό µε γεωγραφικά χαρακτηριστικά που τον περιγράφουν. Η διαδικασία που περιγράφεται επιτρέπει την εξ αποστάσεως τροφοδότηση ενός συστήµατος 3Δ µοντελοποίησης και προσοµοίωσης µε ακουστικές µετρήσεις σε επιλεγµένες θέσεις και χρονικές στιγµές. Η απόδοσή τους σε συνδυασµό µε υπάρχοντες ηχητικούς χάρτες και 3Δ σχεδιαστικές οντότητες, δίνουν τη δυνατότητα της απόδοσης, της συνεχούς παρακολούθησης ή του επαναπροσδιορισµού της τρεχουσών ακουστικών συνθηκών ενός χώρου σύµφωνα µε τις µετρήσεις που λαµβάνονται. Remote 3D acoustic simulation and measurements methodology in real-time ABSTRACT This paper is based on telegeoprocessing techniques (for the recording and simulation of the physical environment phenomena from distance). Especially a methodology of simulation of sound pressure level (SPL) rates in real-time is developed in a graphical environment (CAD or GIS) in relation with the geographical characteristics which describe the physical environment under research. The described process permit the remote feeding of a 3D modeling and simulation system with acoustic measurements in selected positions and data time. Their simulation in relation with existing sound map and 3D modeling features give the possibility to simulate, to supervise in continue way or to redefine the current sound conditions of α space according to the taken measurements. Εισαγωγή

2 Οι υπάρχοντες ηχητικοί χάρτες αποδίδουν την ακουστική διάσταση ενός χώρου σε επιλεγµένες χρονικές στιγµές (σύµφωνα µε το χρόνο των µετρήσεων). Η ακουστικές συνθήκες όµως είναι συνεχώς µεταβαλλόµενες έτσι ώστε η οποιαδήποτε προσπάθεια απόδοσής τους εξυπηρετεί κυρίως ιστορικούς σκοπούς. Κατ' αυτή την έννοια οι στατικοί ηχητικοί χάρτες είναι αποσπασµατικοί (καθώς αποδίδουν την κατάσταση µιας δεδοµένης χρονικής περιόδου). Από την άλλη, ο συνδυασµός των τηλεπικοινωνιών µε συστήµατα διαχείρισης χωρικών πληροφοριών δηµιουργεί τις προϋποθέσεις για την εξ αποστάσεως καταγραφή και παρακολούθηση χαρακτηριστικών του γεωγραφικού χώρου σε πραγµατικό χρόνο. Τα συστήµατα αυτά είναι γνωστά ως συστήµατα τηλεγεωπαρακολούθησης [1]. Στόχος είναι η εξ αποστάσεως τροφοδότηση - ενηµέρωση ενός συστήµατος µοντελοποίησης (CAD ή GIS) µε τιµές SPL, έτσι ώστε να αποδίδεται σε πραγµατικό χρόνο η στάθµη ηχητικής πίεσης. Για την πραγµατοποίηση του απαιτείται αφ' ενός µια τεχνική για την εξ αποστάσεως καταγραφή των τιµών της ηχητικής έντασης σε πραγµατικό χρόνο και στη συνέχεια µια κατάλληλη επεξεργασία των τιµών αυτών ώστε να αποδίδονται σε ένα 3Δ γραφικό περιβάλον. Η προτεινόµενη µεθοδολογία αφορά δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την καταγραφή των δεδοµένων µέσω διάταξης φορητών συσκευών, Η/Υ, ψηφιακού οργάνου καταγραφής SPL τιµών, δέκτη GPS, κλπ και την εν συνεχεία ασύρµατη αποστολή τους σε πραγµατικό χρόνο, µέσω τηλεπικοινωνιακών µέσων, σε γραφικό περιβάλλον και το δεύτερο στάδιο αφορά στην επεξεργασία στη µοντελοποίηση και στην προσοµοίωση των δεδοµένων σε γραφικό σύστηµα CAD ή GIS. 1. Μεθοδολογία Η µεθοδολογία που ακολουθείται στηρίζεται σε ένα ζεύγος διάταξης συσκευών, το οποίο φέρνει σε ζεύξη το όργανο καταγραφής στο πεδίο, µε το φυσικό χώρο του συστήµατος µοντελοποίησης, όπου λειτουργεί ένας Η/Υ για την 3Δ γραφική απόδοση των τιµών (Σχ. 1.1). Η προτεινόµενη διάταξη χρησιµοποιείται: α) αρχικά, για τον προσδιορισµό των γεωγραφικών συντεταγµένων στο πεδίο (µέσω ενός δέκτη GPS), β) για την ταυτόχρονη καταγραφή της ηχητικής πίεσης SPL (µε χρήση ενός ψηφιακού ηχοµέτρου), γ) στη συνέχεια για την ασύρµατη µετάδοση των παραπάνω τιµών από το πεδίο στο χώρο του Η/Υ (µε ειδικούς ασύρµατους τύπου VHF) και τέλος δ) για τη 3Δ απόδοση της ηχητικής έντασης σε ένα κατάλληλα διαµορφωµένο περιβάλλον αυτοµατοποιηµένης σχεδίασης (CAD ή GIS). Οι τιµές SPL που λαµβάνονται, επεξεργάζονται σε συνδυασµό µε ένα υπάρχον 3Δ γεωγραφικό υπόβαθρο και έναν χάρτη ηχητικών πιέσεων για να αποδώσουν τις τρέχουσες ηχητικές συνθήκες στον υπό µελέτη χώρο. Το γεωγραφικό υπόβαθρο περιγράφει τις γεωµετρικές µορφές του χώρου (ανάγλυφο, κτίρια, υλικά κατασκευών κτλ), ενώ ο υπάρχον ηχητικός χάρτης αποδίδει την αρχική ακουστική κατάσταση του υπό µελέτη χώρου. Οι ηχητικές µετρήσεις που λαµβάνονται συγκρίνονται µε τις αντίστοιχες που αποδίδει ο ηχητικός χάρτης και ανάλογα µε τις αποκλίσεις επαναπροσδιορίζεται ο τρόπος απόδοσης της ακουστικής κατάστασης. Η διαδικασία ολοκληρώνεται σε δυο στάδια, της καταγραφής και της ακουστικής προσοµοίωσης.

3 GPS Η/Υ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΨΗΦΙΑΚΟΣ SPL MΕΤΡΗΤΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΣ + ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΣ + ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ Σχήµα 1.1 Η διάταξη που χρησιµοποιείται περιλαµβάνει: α) δέκτη GPS, β) ηχόµετρο, γ) δυο ασυρµάτους VHF και δ) σύστηµα αυτοµατοποιηµένης σχεδίασης CAD (ΗΥ). 2. Σύστηµα καταγραφής σε πραγµατικό χρόνο Ο τρόπος αυτόµατης µετάδοσης των µετρήσεων του ηχοµέτρου από το πεδίο στο περιβάλλον µοντελοποίησης βασίζεται σε τεχνικές τηλεγεωκαταγραφής, δηλαδή καταγραφή τιµών που περιγράφουν ιδιότητες του γεωγραφικού χώρου εξ αποστάσεως [2], οι οποίες αξιοποιούν ως τηλεπικοινωνιακό µέσο ειδικούς ασυρµάτους τύπου VHF [3]. Η διάταξη που προτείνεται για το πεδίο προέρχεται από τον χώρο των ραδιοερασιτεχνών και συγκεκριµένα των χρηστών του Συστήµατος Αυτόµατης Μετάδοσης Θέσης [4], γνωστό και ως APRS (από τα αρχικά Automatic Position Reporting System). Μέσω του APRS, οποιαδήποτε δεδοµένα που καταγράφονται σε ψηφιακή µορφή, σε συνδυασµό µε το γεωγραφικό στίγµα της θέσης καταγραφής, µπορούν να δηµιουργήσουν "πακέτα" δεδοµένων (data packets) µε προκαθορισµένη µορφοποίηση (format) και στη συνέχεια να µετατραπούν σε ηχητικά σήµατα (όµοια µε αυτά που χρησιµοποιούνται από τα modems) και να µεταδοθούν από οποιονδήποτε ασύρµατο [4]. Στη προκειµένη περίπτωση χρησιµοποιούνται οι τιµές που καταγράφονται από ένα ψηφιακό ηχόµετρο οι οποίες σε συνδυασµό µε το γεωγραφικό στίγµα συντάσσουν αυτόµατα µορφοποιηµένες "προτάσεις" δεδοµένων (data sentences) στην εξής µορφή: SV2BZY, ,/[,2,2,,3,522, όπου οι τονισµένοι χαρακτήρες αντιστοιχούν στο γεωγραφικό πλάτος: 38º31,75 N, το γεωγραφικό µήκος: 022º58,77 E και την ένδειξη του ηχοµέτρου: 62,2 db. Καθώς το ηχόµετρο και ο δέκτης GPS καταγράφουν συνεχώς, µε το πάτηµα ενός πλήκτρου στον ασύρµατο αποστέλλεται η σχετική "πρόταση" δεδοµένων σε µια προκαθορισµένη συχνότητα επικοινωνίας (στο APRS χρησιµοποιείται αυτή των MHz). Η εκποµπή µπορεί να γίνεται και αυτόµατα σε προκαθορισµένα διαστήµατα, δηλαδή να έχει προσυµφωνηθεί κάποιο χρονικό "βήµα" καταγραφής. Ο δεύτερος ασύρµατος (δέκτης) συνδέεται µέσω της σειριακής θύρας του Η/Υ (όπου λειτουργεί το λογισµικό αυτόµατης σχεδίασης για την ακουστική προσοµοίωση) και µε τη λήψη κάθε σχετικού σήµατος ενεργοποιείται ειδική εφαρµογή [2] η οποία εγγράφει τα δεδοµένα που λαµβάνονται (µε προκαθορισµένο τρόπο) σε αρχείο βάσης δεδοµένων. Η εφαρµογή για την αρχειοθέτηση των δεδοµένων "διαβάζει" την ολοκληρωµένη "πρόταση" από τη σειριακή θύρα και διαχωρίζει τις επιµέρους πληροφορίες στα αντίστοιχα πεδία (2 πεδία για το γεωγραφικό στίγµα, 1 για το χρόνο και ένα για την τιµή του ηχοµέτρου). Το αρχείο ενηµερώνεται αυτόµατα µε κάθε νέα λήψη δεδοµένων.

4 3. Μοντελοποίηση, απόδοση και ακουστική προσοµοίωση Οι τιµές και τα δεδοµένα που λαµβάνονται ασύρµατα και σε πραγµατικό χρόνο (τιµές SPL, γεωγραφικές συντεταγµένες, χρόνος, κλπ) συµµετέχουν στη συνεχή παραµετροποίηση ενός µοντέλου που προσοµοιώνει ένα 3Δ γεω-αναφορικό ηχητικό χάρτη SPL τιµών σε περιβάλλον 3Δ προϋπάρχοντος µοντέλου το οποίο έχει πραγµατικές γεωγραφικές συντεταγµένες. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια ενός ειδικά αναπτυγµένου εργαλείου αυτόµατης µοντελοποίησης και προσοµοίωσης σε σύστηµα CAD. Το σύστηµα προσοµοίωσης είναι αναπτυγµένο σε γλώσσα προγραµµατισµού Visual BASIC και Visual LISP, και προσαρµόζεται στο σύστηµα σχεδιασµού AutoCAD. 3.1 Μοντελοποίηση Το προτεινόµενη σύστηµα χρησιµοποιεί µεθοδολογία και τεχνικές προσαρµογής όσον αφορά την µοντελοποίηση, µερικές από τις οποίες περιγράφονται σε προηγούµενη µελέτη και αφορούν βασικούς µετασχηµατισµούς και τροποποίηση συντεταγµένων σε συστήµατα CAD µε σκοπό τη προσαρµογή των τιµών του δέκτη GPS σε απόλυτες συντεταγµένες του προϋπάρχοντος µοντέλου του πραγµατικού χώρου [5]. Παράλληλα υπάρχει η δυνατότητα 3Δ ψηφιοποίησης του πραγµατικού χώρου από απόσταση και σε πραγµατικό χρόνο µέσα στο γραφικό περιβάλλον του AutoCAD γεγονός που µπορεί να επιτρέψει την απόδοση χωρίς την ύπαρξη προϋπάρχοντος µοντέλου αφού αυτό σχεδιάζεται σε πραγµατικό χρόνο µαζί µε τα υπόλοιπα δεδοµένα [6]. Η αναφερόµενη 3Δ δηµιουργία του µοντελοποιηµένου χώρου σε πραγµατικό χρόνο µπορεί να εφαρµοστεί και στα δύο επίπεδα λειτουργίας του προτεινόµενου συστήµατος προσοµοίωσης και τα οποία αναλύονται στη συνέχεια. 3.2 Απόδοση ηχητικού χάρτη Το πρώτο επίπεδο λειτουργίας του συστήµατος προσοµοίωσης αφορά την 3Δ απόδοση ενός χάρτη SPL τιµών προσαρµοσµένο γεω-αναφορικά στις επιφάνειες του µοντελοποιηµένου περιβάλλοντος. Ανακτά τα χωρικά δεδοµένα δηµιουργώντας Σχήµα 3.2 Απόδοση ηχητικού χάρτη µε SPL τιµές σε 3Δ σε πρώτη φάση ένα 3Δ ορθογωνικό πλέγµα σε σχέση µε τον προϋπάρχοντα µοντελοποιηµένο χώρο, δεσµεύοντας στη συνέχεια χώρους πλέγµατος στους οποίους οι γεω-αναφορικές SPL τιµές καθορίζουν αποχρώσεις χρωµάτων που µεταφράζονται σε ύψη SPL τιµών σε db (σχ. 3.2)

5 3.3 Ακουστική προσοµοίωση Το δεύτερο επίπεδο λειτουργίας του συστήµατος προσοµοίωσης αφορά την 3Δ ακουστική προσοµοίωση. Το σύστηµα δεν αποδίδει µόνο χάρτη µε µεταβολές των SPL τιµών του πραγµατικού περιβάλλοντος σε πραγµατικό χρόνο, αλλά έχει τη δυνατότητα µέσω προσαρµογής µιας ανάπτυξης εφαρµογής ακουστικής προσοµοίωσης σε γραφικό σύστηµα CAD [7] να ανακτήσει ασύρµατα, σε πραγµατικό χρόνο, SPL τιµή ακουστικής µέτρησης σε πραγµατικό σηµείο του χώρου και να την χρησιµοποιήσει ως τεχνητή ακουστική πηγή σε ακουστική προσοµοίωση µοντελοποιηµένου χώρου. Με αυτό τον τρόπο το σύστηµα βασιζόµενο σε πραγµατικές µετρήσεις ηχητικού πεδίου έχει τη δυνατότητα να υπολογίσει και να προβλέψει ηχητικό χάρτη µε SPL τιµές σε µοντελοποιηµένο χώρο µε χαρακτηριστικά πραγµατικού αστικού χώρου υπό δηµιουργία ή κατασκευή. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια του προσαρµοσµένης εφαρµογής που χρησιµοποιεί τη µέθοδο της αποστολής ηχητικών ακτινών (ray tracing) µε αντίστοιχες αντανακλάσεις ακτινών από επιφάνειες στις οποίες έχουν αποδοθεί πραγµατικοί συντελεστές απορρόφησης [8] (σχ. 3.3) 4. Συµπεράσµατα Η συνεχιζόµενη καταγραφή τιµών οδηγεί στη διαχρονική παρακολούθηση της ηχητικής κατάστασης ενός χώρου, ενώ ακόµη και σε περιοχές όπου δεν υπάρχει σχετική χαρτογράφηση της ηχητικής στάθµης επιτυγχάνεται µια εκτίµηση της ηχητικής κατάστασης. Το αποτέλεσµα σε κάθε περίπτωση είναι η δυνατότητα διαρκούς ενηµέρωσης επικαιροποίησης ενός χαρτογραφικού επιπέδου που περιγράφει τις ακουστικές συνθήκες ενός χώρου. Mε τη λήψη µετρήσεων σε διαδοχικές θέσεις και µε κατάλληλη επεξεργασία τους, µπορούν να εντοπίζονται θέσεις µε συγκεκριµένες ακουστικές συνθήκες (π.χ. µε πολύ υψηλές ή χαµηλές στάθµες θορύβου), ακόµη και για χώρους στους οποίους δεν έχουν προηγηθεί ακουστικές µετρήσεις. Σχήµα 3.3 Ακουστική προσοµοίωση για πρόβλεψη SPL τιµών («ray tracing»). 5. Αναφορές [1] Laurini, R., «A Short Introduction to TeleGeoProcessing and TeleGeoMonitoring», in 2 nd International Symposium On Telegeoprocessing, p.1-12, Sophia-Antipolis, France (2000).

6 [2] Παπαδηµητρίου, Κ., «Σύστηµα ασύρµατης ανταλλαγής και διαχείρισης χωρικών δεδοµένων για τη στήριξη αποφάσεων σε έκτακτες καταστάσεις», Διδακτορική Διατριβή, Τ.Α.Τ.Μ./Α.Π.Θ., Ελλάδα (2004) [3] KENWOOD Corporation, "TH-D7 IN DEPTH MANUAL" (1999) [4] APRS Homepage, (2006) [5] Papadimitriou, K., Kouzeleas, S., «A method for real time spatial analysis of sound via modeling in a CAD environment based on acoustical measurements», in 14th Europenq Colloquium on Theorethical and Quantitative Geography, E-Proc, September 9-13, Tomar Portugal, Pages (2005). [6] Kouzeleas, S., Papadimitriou, K., «Real time remote 3D digitizing and modeling» in 24 th ecaade International Conference Proceedings, September 6-9, Volos Greece, Pages (2006). [7] Κουζελέας, Σ., «Εφαρµογές ακουστικές και γεωµετρικής προσοµοίωσης αίθουσας µε τη βοήθεια πλατφόρµας ακουστικής προσοµοίωσης προσαρµοσµένης σε σύστηµα CAD», στο συνέδριο Ακουστική 2004, ΕΛΙΝΑ, Σεπτεµβρίου, Α.Π.Θ. (2004). [8] Kouzeleas, S., «Surfaces properties management via geometrical ray tracing simulation in a cad system», in 2 nd International Conference IC-SCCE, E-Proc, July 5-8, Athens Greece, (2006)