A01 Компьютерное моделирование освещения

Будак В.П., Макаров Д.Н., МЭИ (ТУ), г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Любое промышленное проектирование немыслимо без применения компьютерных технологий и системы автоматизации проектных работ (САПР). Это касается и проектирования систем освещения и осветительных установок (ОУ). Совсем недавно появилось такое понятие, как компьютерное моделирование освещения - это мощный инструмент решения светотехнических задач по повышению эффективности использования электроэнергии и ее экономии.

Естественно, что без света жить нельзя, но важен правильно спроектированный свет, отвечающий не только количественным, но и качественным требованиям. Качественное освещение на сегодня немыслимо без моделирования его на компьютере - фотореалистическая визуализация обеспечивает как всестороннюю эстетическую оценку освещения, так и является языком общения проектировщика - светотехника, архитектора (дизайнера) и заказчика.

Компьютерное моделирование основано на физически адекватном моделировании распределения светового поля по трехмерной сцене (3М) освещения на основе решения уравнения глобального освещения (ГО), строго учитывающего все факторы распространения света в лучевом приближении.

Уравнение (ГО) решается численно методами радиосити (Radiosity) и трассировки лучей (Ray tracing), которые являются реализацией общего метода конечных элементов (МКЭ). Приход (МКЭ) в практику светотехнических расчетов требует изменения классических методов проектирования (ОУ).

Основным отличием этих методик является то, что светотехнические программы, основанные на МЭК, производят расчет светотехнических величин в пространстве, а точнее в каждой точке пространства проектируемой (ОУ), в отличие от инженерной методики, основа которой точечный расчет.

Разработанные нами методы моделирования (ОУ) отвечают на следующие важные и актуальные вопросы:

  • Как правильно моделировать (ОУ) с помощью программ, используя только необходимые для светотехнического расчета объекты, что приводит к значительной экономии времени как самого моделирования, так и расчета.

 

Рисунок 1. Визуальное сравнение моделируемого распределения яркости на поверхности стены от  светового  прибора  использующего  КСС  в  формате IES и её математической  модели  

На рис. 1 продемонстрирован один из приемов моделирования КСС в светотехнических программах, использующих средства визуализации распределения яркости в 3М-сцене. В левой части рисунка показано распределение света от светового прибора в случае использования электронной КСС в формате IES. В правой части рисунка показано аналогичное распределение яркости от светового прибора, использующего математическую модель. Моделирование КСС выполняется средствами программы 3М-визуализатора. В результате моделирования сокращается расчетное время на 35% из расчета одного светильника. При этом отклонение освещенности от КСС в формате IES составляет не более 10 %, что соответствует регламентируемому значению. Расчетные данные представлены на рис. 2.    


Рисунок 2.Распределение освещенности на стене при использовании IES (слева) и математической модели (справа)

Наибольшую выгоду данный метод позволяет получить при расчетах и моделировании (ОУ), использующих большое количество однотипных световых приборов (к примеру: торговые и складские помещения, автосалоны и т.д.).

  • Как технически правильно использовать метод радиосити в светотехнических расчетах и находить баланс между точностью расчета и затраченным временем.
  • Как осуществлять взаимодействие светотехнических программ между собой, так как многие из них узко специализированы и рассчитаны на свой круг задач.

А также получен ряд научных результатов, на основе большинства которых формулируются методы моделирования освещения в (ОУ), такие как:

  • Проведен анализ теории (ГО) и показана полная адекватность светотехнического проекта (ОУ) решению уравнения (ГО).
  • Получено точное решение уравнения ГО для случая точечного изотропного источника между двумя бесконечными диффузно-отражающими плоскостями.
  • На базе полученного решения разработана универсальная методика сравнения программного обеспечения (ПО).
  • Проведено исследование влияния точности моделирования (3М) сцены освещения на характеристики распределения световых величин и сформулированы принципы создания (3М) сцен для светотехнических проектов.

На рис. 3 и рис. 4 показаны графики сравнения точности расчета освещенности в светотехнических программах.


Рисунок 3. Распределение освещенности в программах
(источник точечный, «черное» помещение)

Рисунок 4. Распределение освещенности в программах
в случае решения задачи Соболева

На рис. 5 и рис. 6 показаны итоговые изображения проекта освещения действующего автосалона. На первом рисунке представлено 3М-изображение интерьера автосалона, выполненное в программе 3D VIZ, на основе расчетных светотехнических данных, полученных в результате расчета необходимых светотехнических показателей в программе DIALux.


Рисунок 5. 3М-визуализация на основе расчетных
светотехнических данных

Рисунок 6. Фотография реализованного
проекта освещения

На втором рисунке представлена фотография после реализации системы освещения в автосалоне. Сравнивая два этих изображения можно сделать вывод об адекватности светового решения, несмотря на то, что светотехническое проектирование проходило на стадии строительства объекта, поэтому являются допустимыми некоторые отклонения в визуальном облике интерьера относительно реально существующего.      

  • Разработаны методы моделирования (ОУ) большинства типов с использованием светотехнических программ и схемы сопряжения светотехнических программ между собой и другими инженерными и дизайнерскими приложениями.
  • Вводятся новые характеристики светового поля и критерии оценки качества освещения в (ОУ).
  • Показана правомерность использования светотехнических программ и определена их погрешность расчета при проектировании осветительных установок с наличием естественного света.

Предлагаемые нами методы по расчету разнообразных светотехнических характеристик в светотехнических программах, позволяют  сделать выводы не только о том, как их использовать в анализе (ОУ), но и предлагать новые специальные светотехнические характеристики.

Отдельной частью работы является разработка обучающих пособий по наиболее распространенным в России светотехническим программам: DIALux, Relux, OXYTech и Lightscape. Пособия представляют собой пошаговое обучение основным подходам к моделированию освещения в программах. В отличие от существующих учебных пособий, прилагаемых к программам (как правило, на английском языке), мы концентрируем свое внимание не на изучении возможностей и функций программ, а на анализе параметров моделируемой осветительной установки.

Обучающий процесс значительно упрощается за счет специально разработанных «заготовок» (файлов для самоконтроля), выполненных в данных программах. Подробная теоретическая информация по теории (ГО), описанная в работе, позволяет нам строить обучающий материал по программам именно со стороны теории светового поля, максимально используя ресурсы и возможности светотехнических программ.

Благодаря тому, что в основе расчета всех рассматриваемых программ лежит метод (Radiosity), построение обучающего материала проводится ступенчатым путем - от простого к сложному (DIALux → Lightscape), таким образом, читатель, дойдя до наиболее сложной программы Lightscape, начинает свою работу с ней имея практические навыки работы с (Radiosity), полученные в предыдущих программах, без повторов и максимально информативно.

На основе разработанных методов моделирования нами проводится анализ и расчет наиболее распространенных видов (ОУ), таких как: торговые залы, офисы, спортивные сооружения, дорожное, ландшафтное и архитектурное освещение. Все виды (ОУ) рассматриваются и рассчитываются с применением светотехнических программ, опираясь на новейшие подходы к освещению, описанные в работе. В результате моделирования освещения создаются 3М модели в тех или иных программах, наиболее подходящих для данного вида (ОУ), на основе которых возможно проводить дополнительные светотехнические исследования и изменять концепции освещения в целом.

Тематика:

Комментариев: 5


» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:56 }

Если есть такая возможность, не могли бы авторы дать ссылочку на доступное изложение МКЭ в светотехнике.

» Рыжкина Наталья (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 04:06:36 }

Хотелось бы знать, каковы прогнозы авторов на применение разработанной методики. Планируется ли выпуск программы или патча для Mathlab, доступных для проектировщиков и светодизайнеров?
Включен ли этот метод моделирования в программу обучения студентов в МЭИ?

» Макаров Денис (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 10:06:46 }

Рыжкина Наталья: “Каковы прогнозы авторов на применение разработанной методики?” Одним из основных направлений нашей деятельности в области методики проектирования осветительных установок было и есть популяризация и обучение ей как можно больше светотехников и дизайнеров. Естественно, вопрос о включении методики в образовательный процесс решен уже давно (еще до полного её появления). Существуют: лекции, семинары и учебное пособие для студентов МЭИ кафедры светотехники. В качестве дальнейших перспектив развития темы моделирования ОУ на компьютере мы можем обозначить, в качестве выхода книги, посвященной данной тематике. Книга написана и готова, сейчас ведутся переговоры с издательствами.

” Планируется ли выпуск программы или патча для Mathlab”. В настоящее время не планируется. Возможно в недалеком будущем.

» Макаров Денис (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 10:06:55 }

Ракутько Сергей: Сергей к сожалению “доступное изложение МКЭ в светотехнике” лично мне не известно, и вообще, есть сомнения, что есть такое направление, развитое на сегодняшний день до открытого доступа. Единственное, что можно посоветовать, так это обратиться к справочникам по численным методам. Открытая информация по МКЭ есть здесь: http://www.wikipedia.org

» Будак Владимир Павлович (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 12:06:32 }

Ракутько С. - по мне, лучшее что есть в мировой литературе:
Cohen M., Wallace J. Radiosity and Realistic Image Synthesis, Academic Press Inc., New York, 1993.
(есть на Либрусеке)
Отличный сайт с массой статей одного из лидеров этого направления Heckbert P.S.
http://www.cs.cmu.edu/~ph/
Sillion F., Puech C. Radiosity and Global Illumination, Morgan Kaufmann Publishing Co., San Francisco, 1994. - лучшая книга, в Инете не нашел, можно заказать в amazon

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
31 queries. 0.549 seconds.