автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Методы компьютерного моделирования осветительных установок

На правах рукописи

МАКАРОВ Денис Николаевич

МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ

УСТАНОВОК

Специальность 05 09 07 - Светотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ173528

Москва-2007

003173528

Работа выполнена в ГОУВПО Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре светотехники

Научный руководитель

доктор техн. наук,

профессор Будак Владимир Павлович

Официальные оппоненты

доктор техн. наук, Прикупец Леонид Борисович

доктор техн. наук, Кущ Олег Константинович

Ведущая организация

Мордовский Государственный Университет им Огарева

Защита состоится « 9» ноября 2007 г в 14-00 часов в аудитории Е-603 на заседании диссертационного совета Д 212 157 12 при Московском энергетическом институте (техническом университете): 111250, Москва, Красноказарменная ул, д 17

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул, д. 14 Ученый совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан « ор » 2007 г

Ученый секретарь

Диссертационного совета __ И Г Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в светотехнической практике используется большое количество компьютерных программ по расчету осветительных установок Большинство современных светотехнических программ используют расчетное ядро, основанное на реализации решения уравнения глобального освещения (ГО) Теория глобального освещения привела к смене приближенных методов расчета осветительных установок (ОУ) к строгой краевой задаче светового поля в трехмерной сцене освещения Разработка теории ГО шла параллельно с развитием компьютерной графики развитие теории было возможно и без

Т/Л\/ГТГ ТЛггОЛЛП Т~Гучтт<тт/*Л л ггттлт^л тта?5Л'>»*лм/-ттлл1гт лттпл-таттттлтг поптттт

хч^-"^.» у х сииаии, х.ш^ллоД.пси\л/ ч^ тгдх'лч/ппи.п. ^^али"

задии (метод конечных элементов) делало ее практически невостребованной Практически одновременная разработка теории, алгоритмов и аппаратных средств, привели к революционному взрыву на рынке программного обеспечения (ПО) появилось огромное количество программ моделирования ОУ на компьютере Стала актуальной проблема сравнения программ и разработка методов их сравнения

Существуют две реализации решения уравнения ГО на компьютере - радиосити и трассировка лучей, которые делают возможным моделировать световое поле в ЗМ сценах освещения значение тела яркости и произвольной интегральной характеристики в каждой точке сцены с учетом всех влияющих факторов

Впервые в светотехнике появилась возможность оценивать не значения световых величин в выделенных точках сцены (точечный расчет), а оценивать распределения этих величин

Стало возможным перейти к подлинной оценке качества ОУ, так как качество ОУ определяется яркостной и цветовой композицией, и именно расчет этих распределений по сцене позволяет это осуществить

Визуализация распределения яркости позволяет создавать на экране дисплея компьютера виртуальное изображение освещаемой сцены, что позволяет перейти к эстетической оценке ОУ и определению языка взаимодействия светотехника-проектировщика с заказчиком и архитектором

3

Однако все современные методики проектирования, основанные на точечном расчете, не годятся для работ с современными программами

Решение уравнения ГО осуществляется на основе метода конечных элементов (МКЭ), практика применения которого в других областях инженерно-технической деятельности наглядно доказала необходимость специальной подготовки по МКЭ и изменение всей методики проектирования соответствующих систем

Цель работы. Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка методов компьютерного моделирования ОУ на основе современных светотехнических программ, использующих решение уравнения ГО на основе МКЭ Данные методы позволят поднять качественный уровень проектирования ОУ, а их использование на практике даст возможность в разы сэкономить время разработки проекта освещения

В данной работе формулируются основные математические методы - радиосити и трассировка лучей, входящие во все современные светотехнические программы

Для достижения цели диссертации в работе были решены следующие задачи

1 Разработана методика сравнения ПО моделирования ОУ,

2 Определена точность расчета показателей освещения в светотехнических программах,

3 Создана классификация программ по возможностям их использования в проектировании ОУ,

4 Разрабоганы методы моделирования ОУ всех типов с использованием светотехнических программ на основе ЗМ графики,

5 Доказана правомерность использования светотехнических программ при проектировании осветительных установок с наличием естественного света

6 Разработаны методы анализа яркостной и цветовой композиции на основе

оценки распределений световых величин по сцене наблюдения, качественные

характеристики освещения по характеристикам светового поля в ЗМ сцене

4

освещения,

Научная новизна работы:

1 Проведен анализ теории ГО и показана полная адекватность светотехнического проекта ОУ решению уравнения ГО,

2 Получено точное решение уравнения ГО для случая точечного изотропного источника между двумя бесконечными диффузно-отражающими плоскостями,

3 На базе полученного решения разработана универсальная методика сравнения ПО;

4 Проведено исследование влияние точности моделирования ЗМ сцены освещения на характеристики распределения световых величин и сформулированы принципы создания ЗМ сцен для светотехнических проектов;

5 Разработаны методы моделирования ОУ большинства типов с использованием светотехнических программ и схемы сопряжения светотехнических программ между собой и другими инженерными и дизайнерскими приложениями,

6 Вводятся новые характеристики светового поля и критерии оценки качества освещения в ОУ,

7 Показана правомерность использования светотехнических программ и определена их погрешность расчета при проектировании осветительных установок с наличием естественного света,

Основные положения, выносимые на защиту:

• Предложенные методы моделирования и анализа ОУ с использованием светотехнических программ,

• Универсальная методика сравнения ПО моделирования ОУ,

• Алгоритм решения уравнения ГО для случая точечного изотропного источника между двумя бесконечными диффузно-отражающими плоскостями,

• Правомерность использования светотехнических программ при проектировании осветительных установок с наличием естественного света,

Практическая ценность работы: Разработанный метод сравнения свето-

5

технических программ позволит сравнивать большинство используемых или в дальнейшем написанных программ Что дает возможность, судить о целесообразности использования той или иной программы при проектировании ОУ

Предлагаемые методы моделирования освещения позволяют значительно экономить время разработки светотехнического проекта ОУ более чем в два раза без потери качества Позволяют учитывать начальные проектные данные, ориентировать проектировщика в выборе ПО и этапам необходимых проектных работ

Используемые в работе новые характеристики светового поля сводят к минимуму вероятность возникновения ошибок при проектировании ОУ Что особенно актуально при разработке ОУ спортивных и зрелищных сооружений Достоверность полученных результатов подтверждается.

• Строгим выводом основных соотношений метода глобального освещения,

• Аналитическим решением уравнения ГО для задачи Соболева,

• Совпадением результатов моделирования ОУ в переделах точности с инженерными методами расчета;

• Выполненными и реализованными проектами ОУ с использованием разработанной методики,

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2003 - 2006 г г •

• Научно - технические семинары «Молодые светотехники России» в рамках 911 специализированных выставках с международным участием по светотехнике в г Москве

• 10-11 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», Москва, 2004-2005г

• VI Международная светотехническая конференция г Светлогорск, 2006 г

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах Из них 5 статей в российских и иностранных рецензируемых журналах по светотехнике, из которых 4 статьи из списка ВАК Так же, 4 тезиса докладов и одна брошюра под редакцией Ю Б Айзенберга

6

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения Работа содержит 121 машинописную страницу, включая 39 рисунков и 6 таблиц Список используемой литературы включает в себя 48 наименований Приложение содержит 25 страниц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор научного направления и актуальность работы Приведены цель и основные задачи диссертации Кратко рассмотрены проблемы современного светотехнического проектирования и воможные пути их решения Сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту

В первой главе работы проводится аналитический обзор литературных данных по методам проектирования осветительных установок Даются необходимые сведения и определения метода глобального освещения Приводятся все необходимые аналитические выкладки и делаются выводы о его достоинствах и недостатках

Представлены светотехнические программы, использующие при расчете показателей освещения метод глобального освещения (более 7 программ) Дается их краткая характеристика и классификация, представленная в виде удобной таблицы, вынесенной в приложение Делается акцент на разные подходы к проектированию ОУ ручным методом и при помощи светотехнических программ на основе реализации ГО Формулируются проблемы и научные задачи, появляющиеся при переходе от ручных методов расчета ОУ к компьютерным

В заключении, дается описание существующей инженерной (ручной) методики проектирования осветительных установок, основанной на точечном расчете светотехнических показателей, ее плюсы и минусы В разрез с этим описываются те возможности компьютерного моделирования ОУ, которые нельзя реализовать или получить ручными методами Тем самым определяется необходимость разработки новой методики моделирования ОУ с помощью компьютерных программ

Вторая глава посвящена решению возникших научных задач компыотерно-

го моделирования ОУ В начале дается описание основных функций светотехнических программ, для наиболее эффективной работы проектировщика-светотехника Вот некоторые из них

• Программа должна иметь интуитивно понятный и привычный для проектировщика интерфейс (Graphical User Interface - GUI), что соответственно позволяло бы в достаточно малый срок обучить в ней работать большое количество проектировщиков,

• Светотехническая программа должна иметь удобную базу данных используемого светового оборудования, с возможностью внесения в нее светильников сторонних производителей, что под час играет не маловажную роль, т е база данных СП должна тем или иным образом работать со стандартными форматами описания светильников (IES, LTD, ULD, ТМ14 и т д),

• Программа должна представлять пользователю разнообразные светотехнические параметры (освещенность, яркость, показатель дискомфорта, изо-лкжсы и т д), при этом погрешность расчета не должна превышать 10%,

В результате, делается вывод о не рациональности реализации всех перечисленных функций в одной программе А переход к использованию набора программ, разделенных по мере их удобства, возможностей и заложенных в них алгоритмов расчета

Далее формулируется первое положение методики моделирования ОУ на компьютере Основой которого является правильный выбор программ под конкретный светотехнических проект (вид осветительной установки) Перечисляются основные виды светотехнических проектов . Архитектурное освещение

• Интерьерное освещение

• Спортивное освещение Дорожное, парковое освещение

По каждому перечисленному виду проекта делается краткая характеристика и приводится блок-схема, по использованию светотехнических программ для их наилучшего использования Примером может служить блок схема для проекта

8

интерьерного освещения, представленная на рис 1 На рисунке представлен весь цикл проектных светотехнических работ по освещению интерьеров

Второе положение методики моделирования ОУ, заключается в подходах по созданию и/или адаптации под светотехнических расчет ЗМ объектов Приводятся соответствующие примеры и принципы построения ЗМ моделей для использования их в светотехнических программах

Рис 1 Блок - схема интерьерное освещение (световой дизайн)

Далее формулируется третье положение методики моделирования ОУ, основанное на описании взаимосвязей (сопряжении) расчетных светотехнических программ между собой, CAD приложениями и дизайнерскими программами с возможностью визуализации

В следующей части работы описывается методика сравнения светотехнических npoipaMM по точности расчета Методика основывается на

1 Моделировании ЗМ тестовых помещений (с одинаковыми габаритными размерами, но с разными коэффициентами отражения),

2 Разработке (как минимум) двух типов тестовых кривых сил света (КСС) в электронном формате доступном для использования в программах

3 Создании трех типов источников света точка, линия и поверхность

4. Расчете значений освещенности в контрольных точках точечным методом (без

9

учета многократных отражений)

Для того чтобы стало возможным сравнивать программы не между собой, а в сравнении с точным математическим решением, было получено точное решение так называемой, задачи Соболева, заключающейся в расчете распределения освещенности от точечного изотропного источника единичной силы света, расположенного между двумя бесконечными плоскостями При этом освещенность на одной из поверхностей Е\(г) рассчитывается по формуле

г — расстояние до исследуемой точки в плоскости от основания перпендикуляра на плоскость из источника, к, - расстояние от источника до г-той поверхности р, - коэффициент отражения г-той поверхности, г = 1,2- индексы плоскостей сцены, 1о(х) - функция Бесселя первого рода 0 порядка, К](х) - функция Мак Дональда 1 порядка

В результате, ручных расчетов и в светотехнических программах, полученные данные сводятся в таблицы, по значениям которых были построены графики — сравнения расчетных значений освещенностей В заключении, используемым программам дается субъективная оценка по десятибалльной системе

Следующая часть работы направлена на моделирование и расчет естественного освещения при помощи светотехнических программ Расчет естественного освещения занимает отдельное место в светотехнической практике В отличие от других направлений в данной тематике специалистам приходиться работать с большими объектами дома, улицы, небосвод и т д Учитывать не только количественные характеристики освещения, но что не мало важно, и качественные характеристики, регламентируемые в российских и зарубежных нормативных доку-

ю е

(1)

где Ф(к) представляется в виде-

(2)

ментах Одной из основных проблем, так и не решенной до сих пор, данного направления является учет многократных отражений В настоящее время эта тема актуальна в связи с увеличением плотности жилой застройки городов

Основной целью проводимых исследований является обоснование использования светотехнических программ основанных на решении уравнения ГО в расчете и анализе естественного освещения Для этого проводятся сопоставления используемых математических моделей небосводов в программах с известным выражением МКО для облачного неба, при котором отношение его яркости на высоте О над горизонтом к яркости в зените равно (1 + 2ип0)/3 Исследования показали, что во всех исследуемых программах используется одинаковая модель облачного небосвода, отвечающая стандарту МКО и DIN 5035 Незначительные флуктуации зависимостей объясняются выбором стандартной расчетной сетки и параметрами решения метода конечных элементов (МКЭ) Но даже в этом случае относительная погрешность полученных результатов не превышает 4% Таким образом, используемая в программах модель облачного неба подходит для проведения расчетов естественного освещения

Дальнейшие рассуждения приводят нас к расчету коэффициента естественной освещенности (КЕО) в импровизированной модели помещения со стандартными параметрами (коэффициенты отражения поверхностей, габаритные размеры помещения и светового проема) Расчеты проводились в программах и по методике МГСН 2 06-99 Все полученные необходимые значения и графики-сравнения представлены в приложении На основании которых, делается заключение, что разброс расчетных значений КЕО полученных в программах и по МГСН в среднем составляет не более 5%, что само собой является допустимым

Основываясь на исследованиях предыдущего параграфа, в данной части работы, проводятся исследования влияния многократных отражений на значение КЕО в помещении на модели, состоящей из двух противостоящих домов (60 х 48 м), прилегающей территории и дороги

В процессе исследований изменялись коэффициенты отражений дороги, помещения и зданий, варьировались расстояния между зданиями и размеры подсти-

11

лающей поверхности. В результате чего были получены зависимости влияния многократных отражений при изменении коэффициентов отражения.

Таблица 1 Влияние многократных отражений при естественном освещении

Изменение коэффициента отражения Ар=10% объектов Влияние многократных отражений на значение освещенности АЕ

Дорога 2-5 %

Здание 10-15 %

Помещение 20-30 %

Полученные результаты свидетельствуют о том, что

• Методика расчета естественного освещения методом Radiosity дает хорошие результаты и имеет ряд преимуществ перед традиционным расчетом по МГСН,

• В результате проделанной работы было экспериментально подтверждена целесообразность использования программ Lightscape 3 2, DtaLux 4 2 и Relux 2005 для расчета и исследования естественного освещения, хотя существуют определенные ограничения

• В условиях современного мегаполиса большое внимание стоит уделять отделочным материалам зданий, и по возможности стараться доводить коэффициент отражения зданий до уровня 40%

Третья глава работы посвящена практическому применению методики моделирования освещения с помощью светотехнических программ

В начале главы рассматривается моделирование осветительной установки для интерьера Описывается правильность выбора программного обеспечения, основываясь на схемах второй главы

Проектирование осветительной установки интерьера разбивается на части

1 Подготовительная часть, в которой помещение разбивается на зоны, выбираются нормировочные значения освещенности, определяется концепция освещения

2 Расчетная часть - использование исходных чертежей для моделирования интерьера в программе (выбранной по схеме), моделирование источников света, расстановка их на модели и расчет светотехнических параметров ОУ

3 ЗМ моделирование - описываются этапы построения ЗМ модели помещения для последующей визуализации и расчета качественных показателей освещения

Основными этапами ЗМ моделирования служат

• Этап №1 «Геометрические построения»

• Этап №2. «Фурнитура и элементы интерьера»

• Этап №3 «Материалы и текстуры»

• Этап №4 «Свет и визуализация»

В результате проведенного ЗМ моделирования станет возможно.

1 Визуально оценить качество освещения в помещении, что весьма важно проектировщику при выборе цветовой температуры источников света и дизайна светового прибора,

2 Провести анализ качественных характеристик освещения, так как в результате расчета у нас имеется полная информация по распределению излучения в сцене,

3 Решить вопрос об органическом слиянии интерьера помещения с ОУ — эстетическая сторона освещения,

4 Получить максимально приближенные виды (фотореалистические изображения) будущей ОУ для показа заказчику, а не набор цифр и распределений,

5 Создавать анимационные ролики, положительное воздействие которых на заказчика трудно переоценить, при этом с минимальными трудозатратами,

Второй параграф главы рассматривает методы проектирования архитектурного освещения, основываясь на схеме второй главы Определяются два метода

проектирования архитектурного освещения

Первый метод - стал уже традиционным, заключается в представлении ви-

13

зуальной картины будущей осветительной установки на двухмерном изображении (фотографии), рисуется распределение света от световых приборов, что можно осуществить в любом 2D редакторе (Photoshop, Adobe Illustrator) Достоверность и светотехничность такого подхода весьма условна, так как не возможно нарисовать достаточно точное светораспределение (световое пятно) на поверхности фасада здания и учесть всевозможные затенения, а о светотехнических показателях, которые необходимо учитывать при архитектурном освещении, стоит и вовсе забыть Такая псевдо-светотехническая визуализация на сегодняшний день среди проектировщиков распространена весьма широко И тому есть весьма веские основания во-первых, метод в первом приближении достаточно прост, во-вторых, временные затраты на выполнения такого рода визуализации минимальны

С другой стороны, мы предлагаем светотехнический метод проектирования архитектурного освещения основанный на ЗМ моделировании - именно он в дальнейшем и описывается Формулируются набор отличий ЗМ моделирования от традиционного проектирования

1 Способность рассчитывать распределения освещенности/яркости на всем фасаде здания или его участках и представлять фотореалистические изображения,

2 Возможно, учитывать затенения и многократные переотражения, возникающие в случаях, когда здание имеет большую часть стеклянных поверхностей,

4 В светотехническом расчете и визуализации учитывается точное распределение света от приборов на основе заданных КСС,

5 Существует возможность изменять видимые ракурсы здания, масштабировать отдельные его участки, моделировать его окружающее пространство,

6 Использование в совокупности 2D и 3D графики позволяет получить фотореалистические изображения показывающие, как еще реально не построенное здание вписывается в вечерний облик города или прочей застройки,

7 Возможно создавать анимационные и видео ролики будущей ОУ Это особенно важно при проектировании динамического цветного освещения и/или архитектурного освещения с применением спецэффектов,

14

Далее мы рассматриваем случай, когда недостаточно исходных данных для построения полноценной 3D модели При этом требуется выполнить светотехнический проект освещения и провести все необходимые расчеты показателей освещения

Предлагаемый нами метод основан на том, что вы имеете хотя бы одну дневную фотографию (изображение) объекта или здания Это изображение импортируется в любую светотехническую программу, где с помощью внутренних настроек выставляется такой ракурс, чтобы линия визирования камеры была перпендикулярна плоскости изображения В нашей работе мы использовали программу 3D Vi7 2006, при этом предлагаемый нами метод универсален и с незначительными изменениями может быть применен в любой светотехнической программе, работающей с 3D графикой

Достоинства представленного метода по сравнению с традиционным "рисованием" световых пятен на фотографии в программе Photoshop

1 Мы используем при проектировании все достоинства 3D моделирования проводим точный светотехнический расчет, учитывается реальное светораспреде-ление от приборов и затенения,

2 Значительно возрастает гибкость выполнения визуализации При переходе от одной световой концепции к другой достаточно внести необходимые изменения в проект, а не начинать его сначала,

3 Простота и время выполнения визуализации значительно превосходят традиционный метод,

Далее нами рассматривается применение методов моделирования естественного освещения

Формулируются необходимые исходные данные для моделирования Подробно описываются подходы к построению расчетных ЗМ-сцен На основе расчетного ЗМ помещения показываются возможности программ по расчету и анализу естественного освещения и инсоляции

Описываются новые результаты и аналитические данные, полученные с помощью светотехнических в отличие от традиционной методики

15

1 Расчет КЕО в помещениях со сложной геометрией, в условиях затенений противостоящими зданиями и с учетом расположения мебели и элементов декора внутри помещения;

2 Программы позволяют проводить комплексный расчет естественного освещения в помещениях всей жилой застройки единовременно,

3 Такие программы как ВтЬих и Ке!их2005, позволяют рассчитывать вероятность появления солнечного света, строить графики инсоляции по месяцам и в течение суток, дают рекомендации на основании нормативных данных по возможности проведения работ в помещении без искусственного света,

4 Возможно, проведение совместного расчета естественного и искусственного освещения в помещении и получение экономического обоснования по использованию светового оборудования в течение заданного времени,

5 Скорость расчета и получение выходных данных на порядки выше, чем при традиционном методе расчета,

Также рассматриваются подходы к проектированию осветительных установок с совмещенным освещением Предлагаются результаты оценки рентабельности ОУ и рассчитываются затраты на электроэнергию и эксплуатацию электрооборудования в помещении в течение всего года

В заключительном параграфе работы, нами описываются методы получения качественных характеристик светового поля на примере проектирования спортивных сооружений Проводится анализ нормативной базы по проектированию освещения в спортивных сооружениях Определяются необходимые исходные данные для проведения проектирования Решается вопрос, по выбору используемых светотехнических программ основываясь на специфике проектирования освещения в зрелищных сооружениях

1 Проектирование освещения в спортивных сооружениях всегда сопряжено с большим количеством световых приборов различных типов, поэтому в программе должно быть хорошо продуманное управление их массивами,

2 Для получения итогового положительного результата проектирования требуется многовариантность, а это как следствие изменение и переориентирование

16

десятков световых приборов за вариант, 3 Светотехническая программа должна быстро и качественно проводить расчет

на рабочих плоскостях объекта, 4. В программе должны быть средства по расчету качественных показателей освещения и возможность изменения шага расчетной сетки,

Описываются подходы к получению традиционных качественных характеристик освещения, таких как вертикальная освещенность, цилиндрическая освещенность, сферическая освещенность, показатель дискомфорта/ЦХЖ и т п

Предлагается новый метод оценки характеристик светового поля, основанный на фиктивных поверхностях Фиктивные поверхности — это поверхности не участвующие в перераспределении излучения в сцене, имеют коэффициент отражения (0%), пропускания (100%) и не участвуют в визуализации, при этом на них рассчитываются значения освещенности Установка таких поверхностей в продольном и поперечном сечении сцены с определенным шагом позволит получить численно или в псевдоцветах значения освещенности внутри освещаемого пространства В первом приближении суммарные распределения на таких поверхностях дадут нам тело освещенности адекватное телу яркости (при диффузных поверхностях) Благодаря чему, мы однозначно можем оценить насыщенность светом помещения, произвести прогноз тенеобразования, выявить слабо освещенные или переосвещенные области в пространстве Другими словами, такое тело освещенности/яркости дает проектировщику полную информацию о проектируемой осветительной установке

В заключении приведены основные выводы и результаты диссертационной работы

1 Применение теории ГО к проектированию ОУ позволяют перейти от ручных методов расчета к моделированию ОУ, основанному на расчете распределения световых величин по сцене наблюдения,

2 Основой оценки качества ОУ является оценка яркостной и цветовой композиции в ЗМ сцене освещения по моделированию распределений световых величин Наиболее эффективна оценка распределений в псевдоцветах с использо-

17

ванием фиктивных плоскостей,

3 Аналитическое решение уравнение ГО позволяет проводить однозначную оценку эффективности и точности моделирования ОУ на компьютере различными программами,

4 При создании ЗМ сцен, используемых для проектирования и анализа ОУ, необходимо использовать объекты простейшей геометрии (параллелепипеды, цилиндры, конусы и т д ) и объекты стандартных библиотек, заменяя сложные объекты текстурами карт отражения Это позволяет сократить на порядок время подготовки и расчета сцен, сохраняя точность вычислений,

5 Программы, реализующие теорию ГО, не только применимы для расчета и анализа естественного освещения, но и позволяют включить в расчет многократные отражения, доля которых составляет не менее 20 %,

В приложении представлены сравнительные графики распределения освещенности в программах, фотореалистические изображения будущих ОУ и их изображения в процессе проектирования, таблица классификации программ, графики распределения КЕО в помещении, изображения распределений освещенности на объектах проектирования освещения в цветовых градациях

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Макаров Д Н, Смирнов П А Сопоставление компьютерной и лабораторной моделей установки естественного освещения / Тезисы докл НТС Мол Светотехники России Москва, 2003

2 Будак В П, Макаров Д Н Сравнение программ расчета осветительных установок / Тезисы докл НТС Мол Светотехники России Москва, 2004

3 Будак В П, Макаров Д Н, Смирнов П А Компьютерные программы для светотехнических расчетов осветительных установок / Светотехника — 2004 -№6 - с 75-79

4 Будак В П, Макаров Д Н Программы расчета и визуализации осветительных установок/Новости светотехники Выпуск 1 (41)//Под редакцией Ю Б Айзенберга / М Дом Света, 2004 , 56 стр

5 Макаров Д Н, Будак В П Роль многократных переотражений при естественном освещении улиц / Вестник МЭИ №2 2005

6 Будак В П , Макаров Д Н Возможности использования ЗМ моделирования для светотехнического проектирования / Светотехника - 2005 -№6 - с 36-39

7 Budak V Р . Makarov D N , Smirnov Р A «Computer programmes for lighting design» / Light & Engineering Vol 13, No 2, pp 18-24,2005

8 Будак В П, Макаров Д Н Качественные показатели освещения при моделировании тела яркости / Тезисы XI НТК студ и асп ВУЗов РФ Радиэл,электр и энергет М МЭИ, 2005

9 Будак В П , Макаров Д Н Проектирование светотехнических установок с использованием трехмерного моделирования / Тезисы докл НТС Мол Светотехники России Москва, 2005

10 Budak V Р, Makarov D N, Smirnov Р A Prehled a porovnani pocitacovych programu pro navrhovani osvetlovacich soustav! S VETLO, No 1, pp 51-54, 2006

Подписано в печать _г Зак М-^ Тир (С£> П л ш

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул , д 13

Введение

1. Применение теории глобального освещения в светотехническом проектировании.

1.1. Уравнение глобального освещения и методы его решения.

1.2. Реализация метода глобального освещения в современных светотехнических программах.

1.3. Основные методики проектирования осветительных установок

Выводы по первому разделу:.

2. Современные программы проектирования осветительных установок

2.1. Требования и новые методы светотехнического проектирования

2.2. Возможности использования ЗМ моделирования для светотехнического проектирования.

2.3. Классификация и точность расчета светотехнических программ.

2.4. Моделирование и расчет естественного освещения в программах.

2.5. Качественные показатели освещения при компьютерном проектировании ОУ.

Выводы по второму разделу:.

3. Практическое применение методик проектирования осветительных установок.

3.1. Методы компьютерного светотехнического проектирования искусственного освещения в интерьере.

3.2. Проектирование архитектурного освещения. Совмещение 2D и 3D визуализации.

3.3. Моделирование естественного освещения и инсоляции.

3.4. Некоторые методы анализа светового поля в ЗМ сценах.

Выводы по третьему разделу:.

Настоящая диссертационная работа посвящена проблемам повышения качества освещения при светотехническом проектировании и методам компьютерного моделирования осветительных установок.

Современная светотехника не мыслима без использования в качестве основного инструмента - компьютера, или вернее светотехнических программ по расчету показателей освещения (освещенность, яркость, блескость, неравномерность и т.п.) В настоящее время на рынке существует огромное количество светотехнических программ, как российского, так и западного производства. Из-за этого появляется ряд проблем:

1. Разработка методики моделирования осветительных установок на основе светотехнических программах;

2. Определение степени точности расчета показателей освещения в программах;

3. Определение области применения той или иной программы и их классификация;

4. Вопросы сопряжения программ между собой, для осуществления комплексного подхода к светотехническому проектированию;

В настоящей работе рассматривается наиболее часто встречаемое в проектной светотехнической практике программное обеспечение, на основе которого формулируются основные методы и подходы светотехнического проектирования. Решаются проблемы использования светотехнических программ в проектировании ОУ такие как:

• Сравнение точности расчета показателей освещения в программах;

• Составление классификации светотехнических программ по 15-ти критериям;

• Формулируются методы выбора светотехнических программ в зависимости от конкретной светотехнической задачи;

• Расчет естественного освещения и инсоляции методом радиосити;

• Описываются методы получения качественных показателей освещения и анализа светового поля;

Так же отдельная часть работы посвящена теоретической обоснованности использования светотехнических программ в проектировании ОУ, основанных на методе глобального освещения т.е. методах радиосити (Radiosity) и трассировки лучей (Ray tracing).

Актуальность проделанной работы подтверждается многочисленными публикациями по этой тематике появившиеся в настоящее время, как в светотехнической литературе, так и в интернете [30,34,41,47,48].

Главной целью настоящей диссертационной работы является разработка методов компьютерного моделирования ОУ на основе современных светотехнических программ. Данные методы позволяют поднять качественный уровень проектирования ОУ, а их использование на практике даст возможность в разы экономить время разработки проекта освещения.

В данной работе формулируются основные математические методы -радиосити и трассировка лучей, входящие во все современные светотехнические программы.

Для достижения цели диссертации в работе были решены следующие задачи:

1. Приводится теоретическая обоснованность использования светотехнических программ, на основе метода глобального освещения в проектировании ОУ;

2. Определена точность расчета показателей освещения в светотехнических программах;

3. Разработаны методы моделирования ОУ всех типов с использованием светотехнических программ;

4. Вводятся новые критерии оценки освещения в ОУ;

5. Доказана правомерность использования светотехнических программ при проектировании осветительных установок с наличием естественного света;

6. Разработаны методы и схемы сопряжения светотехнических программ между собой и другими инженерными и дизайнерскими приложениями;

Методы исследований: Решение задачи распределения освещенности в ЗМ сцене, на основе методов глобального освещения. При сравнении точности расчета программ использовались: классический метод расчета, основанный на законе квадрата расстояния [1] и метод расчета распределения освещенности от изотропного источника, находящегося между двумя бесконечными диффузными поверхностями, предложенный Соболевым В.В. [43]. Расчет естественного освещения проводился на основе действующих нормативных документах МГСН 2.06-99 и СНиП 23-05-95.

Достоверность результатов приведенных в диссертационной работе определяется:

• Строгим выводом основных соотношений метода глобального освещения;

• Аналитическим решением уравнения ГО для задачи Соболева;

• Совпадением результатов моделирования ОУ в переделах точности с инженерными методами расчета;

• Выполненными и реализованными проектами ОУ с использованием разработанной методики;

Результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработаны методы проектирования осветительных установок при помощи светотехнических программ;

2. Определена погрешность расчета светотехнических показателей освещения в исследуемых программах;

3. Обоснована правомерность использования светотехнических программ при расчете естественного света и инсоляции;

4. Определена роль многократных переотражений в условиях естественного освещения жилой застройки;

5. Вводятся новые критерии оценки светового поля в ЗМ сценах; 6

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные выводы из работы:

1. Применение теории ГО к проектированию ОУ позволяют перейти от точечных методов расчета к моделированию ОУ, основанному на расчете распределения световых величин по сцене наблюдения;

2. Основой оценки качества ОУ является оценка яркостной и цветовой композиции в ЗМ сцене освещения по моделированию распределений световых величин. Наиболее эффективна оценка распределений по псевдоцветам с использованием фиктивных плоскостей;

3. Аналитическое решение уравнение ГО позволяет проводить однозначную оценку эффективности и точности моделирования ОУ на компьютере различными программами;

4. При создании ЗМ сцен, используемых для проектирования и анализа ОУ, необходимо использовать объекты простейшей геометрии (параллелепипеды, цилиндры, конусы и т.д.) и объекты стандартных библиотек, заменяя сложные объекты текстурами карт отражения. Это позволяет сократить на порядок время подготовки и расчета сцен, сохраняя точность вычислений;

5. Программы, реализующие теорию ГО, не только применимы для расчета и анализа естественного освещения, но и позволяют включить в расчет многократные переотражения, доля которых составляет порядка 20 %;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе разработаны новые методики проектирования осветительных установок при использовании светотехнических программ. Методики реализованы в виде общих положений (шагов) и рекомендаций по проектированию ОУ и претендует на учет в нормативных документах и рекомендациях к проектированию. А так же проведен сравнительный анализ современных светотехнических программ по их точности расчета в сравнении с аналитическими решениями. Рассмотрены актуальные вопросы расчета и моделирования естественного освещения и инсоляции, и аналитически доказана правомерность их использования в данной области светотехники.

1. Мешков В.В., Епанешников М.М. Осветительные установки. М.: Энергия, 1972.

2. Нюберг Н.Д. Теоретические основы цветной репродукции. М.: Советская наука, 1948.

3. Ferwerda J. A. Fundamentals of Spatial Vision // Program of Computer Graphics, Cornell University, 1996

4. Blakemore C, Campbell F. W. On the existence of neurones in the human visual system selectively sensitive to the orientation and size of retinal images. J. Physiol. 1969, 203, 237-260.

5. HoodD.C, Finkelstein M.A. Visual sensitivity. In K.Bojf, L. Kaufman, J. Thomas (Eds.), Handbook of Perception and Human Performance (V. 1) 1986.6. van Nes F., Bouman M.A. Spatial Modulation Transfer in the Human Eye //JOSA, 1967, V.57, p.401-406.

6. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики // М.: Мир, 1989.- 512С.

7. Foley J.D., van Dam A., Feiner S.K, Hughes J.F. Computer graphics: principles and practice. Addison-Wesley, 1997. - 1176P.

8. Льоци M. История физики. -M.: Мир, 1970. 464С.

9. Ю.Будак В.П. Визуализация распределения яркости в трехмерных сценах наблюдения. М.: МЭИ, 2000. - 136С11 .Sillion F.X., Puech С. Radiosity and global illumination. San Francisco: Morgan Kaufman Pub., 1994. - 252P.

10. Ashdown I. Radiosity. A Programmer's perspective. JOHN WILEY & SONS, 1994. -496P.

11. Kajiya J.T. The rendering equation //Computer Graphics (Proc. SIG-GRAPH'86), 1986. V.20, N4. -P. 143-150.

12. Поляк Г.Л. Лучистый теплообмен тел с произвольными индикатрисами отражения поверхностей/в кн.: Конвективный и лучистый теплообмен.-М. АН СССР, I960. С. 118-132.

13. Moon P. On Interreflections //JOSA. 1940 Vol 30. N2. P. 195-205.

14. Yamauti Z. The light flux distribution of a system of interreflecting surfaces//JOSA, 1926. К13, N5. -P.561-571.

15. Heckbert P.S. Simulating Global Illumination Using Adaptive Meshing. Diss. PhD. University of California, 1991

16. Hoowell J.R., Monte Carlo solution of thermal transfer through radiant media between gray walls // J. Heat Transfer, 1964. V.C86. P. 116-122.

17. Cook R., Porter Т., Carpenter L. Distributed ray tracing. Computer Graphics, 18(4), 1984. ACMSiggraph'84 Conference Proceedings.

18. Shirley P., Wang C. Distribution Ray Tracing: Theory and Practice. Indiana University.21. www.dialux.de22. www.relux.biz23. www.oxytech.it24. www.lightscape.com25. www.usa.autodesk.com26. www.svetosrv.ru21. www.cad.ru

19. БудакВ.И, Макаров Д.Н. Возможности использования ЗМ моделирования для светотехнического проектирования / Светотехника. — 2005.-№6. с. 36-39

20. БудакВ.И, Макаров Д.Н., Смирнов И А. Компьютерные программы для светотехнических расчетов осветительных установок / Светотехника. 2004. - №6.-с. 75-79

21. В.П. Будак, Д.Н. Макаров « Программы расчета и визуализации осветительных установок» Новости светотехники. Выпуск 1 (41) // Под редакцией Ю.Б. Айзенберга /М.: Дом Света, 2004г., 56 стр.119

22. МГСН2.06- 99 Естественное, искусственное и совмещенное освещение.

23. СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение.

24. Нормы электрического освещения спортивных сооружений. ВСН-1-73. Спорткомитет СССР, Вильнюс, 1975.

25. В Geebelen, Mvan der Voorden «Fast and accurate simulation of long-term daylight availability using the Radiosity method» Lighting Res. Technol. 37,4 (2005)pp.295-312

26. Д.Н. Макаров, В.П. Будак «Роль многократных переотражений при естественном освещении улиц» Вестник МЭИ. №2. 2005г.

27. Дарула С., Киттлер Р. Метод расчета естественного освещения и современные тенденции оценки естественного света / Светотехника.-2006. №1.-с. 28-35

28. ГЦепетков Н.И. О некоторых недостатках норм и методик расчета инсоляции и естественного освещения / Светотехника. 2006. - №1. -с. 55-57

29. Бахарев Д.В. О методике расчета естественного освещения / Светотехника. 2006. - №1. - с. 57-60

30. Справочная книга по светотехнике /под ред. Ю.Б. Айзенберга 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1995г.- 528 е.

31. Кнорринг Г.М. Светотехнические расчеты в установках искусственного освещения. Я.: Энергия, 1973.- 200с.41.www.alware.de

32. В. Ван Боммель. Зрительные, биологические и эмоциональные аспекты освещения. Результаты последних исследований и их назначение для светотехнической практики / Светотехника. 2005. - М4. -с. 4-6

33. Соболева В.В. Точечный источник света между параллельными плоскостями"'//ДАН СССР, 1944. Т. 42, М4. С. 176-177.

34. Пекарев J1. Д. Самоучитель 3D Studio Мах 4.0. Спб.: BHV- Петербург, 2001. - 668.

35. Царьков В.М. Нормы освещения спортивных сооружений / Светотехника. 2005. - №1. - с. 23-28