可听化（Auralisation）在城市设计中的探索性应用

文 | 蒋力克

编辑 | 贰沐 子鱼

VR在建筑景观城市设计中的应用并不算新鲜。通过VR，尤其是线上VR，可以方便直观互动性地和客户、政府和公众交流设计意向和成果。但过去的十几二十年来，这些应用基本只涉及到视觉要素，只提供可视化，或只是配上和虚拟场景并不严格相符的示意性的声音信息。声音信息，包括噪声和更宽泛的声景，作为城市的重要环境要素，应当被加入到相关的VR应用中，实现更加有效的设计展示和公众参与。

要实现这一点，可听化（Auralisation）是必不可少的技术（关于可听化，戳声学发展史之——可听化 (Auralization)）。可听化在规划设计和公众参与中的应用，无论是独立应用还是和可视化相结合，跟单独的可视化相比不多，但还是有一些的，基本可以分四类：线下-非实时渲染；线上-非实时渲染；线下-实时渲染；线上-实时渲染。非实时渲染的可听化已经比较成熟了，比如欧盟DESTINATE项目团队做的铁路噪声的可听化和可视化[1]。实时渲染，无论是线上还是线下，相对来说少很多。要做到高质量的可听化实时渲染还是挺有难度的，不同于可视化中的光，可听化中声的速度慢很多，复杂空间多个声源直达声到达人耳有延迟，又会在物体表面之间多次反射和衰减，声传播很难精确又快速的模拟。这还是不考虑声音波的本质，声源的指向性以及双耳效应的前提下。所以，线上实时渲染更是难上加难。但是，如果做不到可听化的实时渲染，就无法把可听化加入到可交互的VR中了。

不过其实，早在2016年，还在意大利的我和还在德国的子鱼就做了线上实时渲染可听化+可视化的尝试。当然，我们做的只是一个展示性、概念性的尝试。这个项目是欧盟玛丽居项目里下面的SONORUS – Urban Sound Planning的一个子项目（SONORUS成果汇编成的一本书[2]）。

当时我想要做线上实时渲染可听化+可视化的初衷非常质朴：首先项目规定必须是VR，所以要实时渲染；然后我不想线下找人做实验，因为当时所在的意大利的大学不允许拿科研经费找人做实验，经历了第一个课题找人做线下实验的噩梦后（需要参与者自行开车前往位于乡间的实验室，然后在30多度的天气下在没有空调电扇密不通风的消音室带着VR头盔听各种交通噪声。这里要感谢当时的意大利同事们帮我找到了大部分参与者），我决定一定不能再做线下实验了。作为曾经沉迷《魔兽世界》的少年，我想为什么不做一个类似网游的应用呢？当时Unity和Unreal Engine等游戏设计软件已经能够实现简单的线上实时声音渲染了，不过这算不上可听化，因为不涉及声源的合成。我自己其实并没有合成声源的技能，我们当时意大利的项目团队里也没有，不过机缘巧合，后来去葡萄牙开会认识了子鱼，赶紧邀他入坑。

当时我们拿那不勒斯的Piazza Vittoria作为案例场地。现实场景和VR中的场景对比如图1、图2所示。基本的思路框架、工序、软件、硬件以及素材如图3所示。这里主要讲讲声音素材的生成、获取和渲染。

图1：现实场景和VR中的场景对比a

图2：现实场景和VR中的场景对比b

图3：那不勒斯Web-based VR的基本思路框架、工序、软件、硬件以及素材

在我们这个项目中，声音素材按照获取方式主要分四种：

1. 合成的声音信号。每一辆汽车作为一个移动的点声源，他们各自产生的位于声源位置的噪声是合成的（具体见后期子鱼要发的声源合成的文章）。有条件的也可以录制不同行驶条件下位于声源位置的汽车噪声，不过我们没有这种条件。。。

2. 消声室录音。意大利人的对话声，包括2人，3人和5人以上对话声是在消声室录的，可以作为点声源加入到VR场景中。

3. 现场录音。我们去Piazza Vittoria现场以及附近地区采集了一些录音，作为背景音加入到VR场景中。

4. 来自网上或自己的音频素材库的音频文件。包括鸟叫声，喷泉声，潮水声等等，作为点声源或背景音加入到VR场景中。

声音渲染的话，因为要实现网页版VR实时渲染，所以非常基本。首先整个VR场景当作free field处理，所有点声源都按 logarithmic volume-distance rolloff (相当于1/r) 进行音量衰减。所有背景音都按 linear volume-distance rolloff 进行音量衰减。效果戳以下视频。

当时模拟了：2种街道设计 x 2种交通管制 = 4种场景（图4&5）。公众可以通过我们的网页版VR体验不同的街道设计和交通管制方案下Piazza Vittoria的景观和声景。当然，就跟我之前提到的，我们这个项目是展示性概念性的，VR质量尤其是可听化部分还需要提高。当时我们找了大概100人做网上问卷，对VR质量的反馈如图6。整体来说，我们的VR场景声音太单薄太单调了，完全不像是在闹哄哄的那不勒斯。

图4：两种街道设计：现状街道 & 共享街道

图5：两种交通管制：无管制 & 机动车禁行

图6：VR质量评分

遗憾的是，2016年以后我就没有再继续相关方面的工作。高质量实时渲染的可听化成本还是很高的，要做到城市设计中的广泛应用可能还不够成熟。不过随着软件硬件条件以及可听化技术的不断进步，以及规划设计中对声环境的不断重视，希望在不久的将来，可听化也会像可视化一样得到普遍应用，助力更好的公众参与和决策制定。