авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Моделирование световых полей для расчетов осветительных установок естественного и совмещенного освещения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Смирнов Павел Александрович

Моделирование световых полей для расчетов осветительных установок естественного и совмещенного освещения

Специальность 05.09.07 – Светотехника

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва – 2010

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Будак Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Лубенченко Александр Владимирович

кандидат технических наук,

Желтов Виктор Сергеевич

Ведущая организация: Мордовский Государственный Университет им. Огарева

Защита состоится «14» декабря 2010 г. в 14 часов 00 минут в аудитории Е-603 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13

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

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан «13» ноября 2010 года.

Ученый секретарь
диссертационного совета,
Д 212.157.12 к.т.н., доцент Буре И.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Вторая половина 20-го века замечательна активным развитием мировой науки и техники, что в значительной степени отразилось в направлениях связанных с электромагнитным излучением оптического диапазона. Появилось множество новых достижений: лазеры, светодиоды, оптические сканеры, системы дистанционного зондирования, оптические системы переноса информации, устройства переноса излучения в наноструктурах и т.п.

На этом фоне серьезное продвижение получила теория диффузного светового поля, которая к настоящему времени нашла физическое обоснование (Г.В. Розенберг) и математическое описание (Л.А. Апресян, Ю.А. Кравцов), что показывает прямую связь с волновой теорией электромагнитного поля. Получено новое определение яркости Л.С. Долиным, как пространственно-временного спектра корреляционной функции поля. Показано, что диффузное световое поле квазиоднородно и это дало предпосылки к расчетам частично когерентного излучения, которые практически применимы к современным приборам и системам. Также, стало очевидным – теория переноса излучения и теория диффузного светового поля это единое целое.

Отмечены новые и важные достижения, касающиеся модели переноса излучения. Существенное развитие получили методы решения краевой задачи уравнения переноса излучения (УПИ) для плоскослоистой среды: Chandrasekhar S., Гермогенова Т.А., Karp A.H., Годунов С.К., Siewert C.E., Stamnes K., Nakajima T. и многие другие. В новом решении учтены наличие многослойной структуры среды и поляризация излучения, осуществлено выделение анизотропной части (Будак В.П., Коркин С.В.), что значительно увеличивает точность решения для солнечного излучения в атмосфере земли, применено масштабное преобразование (Karp A.H., Годунов С.К.) и матрично-операторный подход (Twomey S.). С учётом всех указанных методов решение приобрело не только точность, но и скорость его реализации на компьютере достаточна, для применения в расчетах моделей естественного освещения, в том числе и для проектирования осветительных установок.



В виду сложности расчета, до появления вычислительной техники многие задачи теории светового поля было невозможно применить в светотехнической практике. Сейчас существует такой раздел компьютерной графики как глобальное освещение (ГО), который развит из теории светового поля и применяется для расчетов многократных отражений. Модели глобального освещения заимствованы современными светотехническими программами (Lightscape, DIALux, Relux, TracePro и др.), но, тем не менее, они остаются детищем компьютерной графики.

К настоящему времени, очевидно – применение теории светового поля является в значительной степени полезным для проектирования осветительных установок, в ручном проектировании с помощью теории светового поля решались задачи расчета простейших сцен освещения, с появлением компьютерных методов стал возможен расчет сложнейших моделей глобального освещения, учитывающих цвет освещения и производящих реалистичную визуализацию. Современные положения теории светового поля показывают, что возможно значительное увеличение эффективности её применения в компьютерном моделировании осветительных установок, но для этого нужны новые, качественные и быстрые модели его расчета с применением современной вычислительной техники. В результате видится актуальным: пересмотреть теорию светового поля с целью разработки новых методов и моделей расчета освещения с использованием последних достижений позволяющих реализовать все её преимущества в задачах данного класса.

Цель диссертационной работы:

Разработка фотометрической модели диффузного светового поля искусственных и естественных источников на основе современных физических представлений на природу электромагнитного излучения и ее применение к расчету осветительных установок.

Задачи, решаемые в соответствии с поставленной целью:

  1. Определение светового поля и анализ его свойств с точки зрения статистической оптики.
  2. Разработка методики вычисления интегральных характеристик светового поля на основе положений статистической оптики.
  3. Разработка методов расчета и анализа осветительных установок на основе теории глобального освещения.
  4. Применение методов теории диффузного светового поля для решения базовых задач расчета освещенности поверхностей в 3М сценах освещения.
  5. Разработка физической модели распределения яркости небосвода на основе теории переноса излучения в мутных средах.
  6. Анализ возможностей и определение границ применимости, разработанной модели распределения яркости небосвода.

Положения, выносимые на защиту, и их научная новизна

  1. Полученное в работе выражение формулы Фока отличается векторной формой, которая легче интегрируется в компьютерные модели освещения, где проще и быстрее скалярной, аналитически точно, может применяться в моделях ГО, а также в качестве опорного для тестирования методов расчета освещения.
  2. Решение задачи Соболева произведено на основе модели глобального освещения с применением преобразования Фурье и выделением прямого излучения, что повышает скорость и точность решения, в следствие чего растет его эффективность в анализе светотехнических программ с моделями больших поверхностей конечных размеров.
  3. Разработанная модель полусферы Гершуна отличается векторной формой, которая позволяет легко внедрить её в модели глобального освещения, проведенный анализ показал, что в решениях задач освещения с многократными отражениями, она значительно (в 10 раз и более) быстрее и точнее модели полукуба Коэна.
  4. Модель распределения яркости небосвода на основе теории переноса излучения в мутных средах, в отличие от существующих имеет физически обоснованную базу, и при этом воспроизводит результаты статистических измерений небосвода и наиболее реалистичные модели небосвода МКО с максимальным относительным отклонением по яркости 10-20%.
  5. Проведенный в работе анализ моделей распределения яркости в условиях естественного освещения помещения показывает, что пренебрежение формой распределения яркости небосвода (выбором модели небосвода) недопустимо, поскольку приводит к отклонениям более 200% при расчетах освещенности в помещении.

Практическая значимость работы

  1. Выражение решения Фока на основе положений глобального освещения, аналитически упрощает решение простейших сцен и их элементов, за счет двукратного применения теоремы Стокса и перехода от четырёхкратного интегрирования к двукратному, легко включается в существующие модели глобального освещения, что в итоге повышает скорость и качество решения задач проектирования освещения.
  2. Приведенное в работе решение задачи Соболева на основе преобразования Фурье с выделением прямого излучения, с погрешностью менее 5% аппроксимирует решение для поверхностей, размеры которых в 50 раз больше расстояния между ними, при коэффициентах отражения поверхностей менее 0.9, задача решается очень быстро (несколько секунд) на современном компьютере, а также присутствует совместимость полученного решения с моделями глобального освещения, что удобно практически применить для анализа моделей расчета глобального освещения и компьютерных программ.
  3. Векторная модель полусферы Гершуна легко интегрируется в современные модели глобального освещения, где показывает себя примерно в 10 раз быстрее и точнее альтернативной модели полукуба, в том числе имеется преимущество независимости решения от ориентации полусферы в пространстве, следовательно предложенная модель эффективна в решениях задач ГО естественного и искусственного света и может применяться в проектировании осветительных установок совмещенного освещения.
  4. Применение выбранных начальных параметров решения задач глобального освещения для методов Фока и полусферы, позволяет значительно сократить время их определения при проектировании помещений большой площади.
  5. Разработанная модель небосвода дает возможность моделировать естественное освещение в заданных условиях атмосферы, в том числе и нестандартных, прогнозировать его изменение и моделировать усредненные годовые циклы для расчета систем управления освещением.

Достоверность результатов

Подтверждается математической строгостью всех преобразований, а также сравнениями с простейшими аналитическими методами решения (в основном c решениями по закону квадратов расстояний, условием освещения прямым излучением, аналитическим решением для диффузной сферы) и результатами расчетов известных компьютерных программ, таких как Lightscape и 3D Studio MAX, а также сравнением с результатами расчётов других авторов (на основе публикаций Бахарева Д.В.).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

  • Научно – технический семинар "Молодые светотехники России" в 2000, 2002-2005 г.
  • Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов VIII-XI "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2002-2005 г.

Основные результаты работы также опубликованы в 5-ти статьях российских и иностранных рецензируемых журналов, из них 3 статьи в журнале из списка ВАК, также есть публикации по теме работы в 9-ти статьях сборников тезисов и докладов научно-технических конференций и семинаров.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, списка литературы и двух приложений из которых: в первое вынесены рисунки, во второе таблицы. Объём глав диссертации, включая выводы и список литературы - 134 страницы. Список литературы содержит 133 позиции. Приложения включают 64 страницы, где расположены 92 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе производится исторический анализ теории светового поля и демонстрируется её связь с волновой теорией электромагнитного поля на основе выражения яркости через корреляционную функцию электромагнитного поля, как это описано в работе Г.В. Розенберга "Луч света. К теории светового поля.":

, (1)

где - корреляционная функция поля, - фазовое время, - разностная координата, - координата центра тяжести, - волновое число, - вектор элементарного телесного угла (крышечка –«^» над вектором обозначает, что вектор единичный).





На основе квазиоднородности диффузного светового поля выявляется связь уравнения переноса излучения с уравнением Бете-Солпитера, и далее переход от УПИ к уравнению ГО.

При отсутствии собственного излучения - и ослабления - из УПИ (2) получается уравнение ГО (3):

, (2)

где - показатели ослабления и рассеяния, - индикатриса рассеяния, - объёмная плотность собственного излучения объёма среды

, (3)

где - коэффициент яркости точки при направленном освещении, - разрешающее ядро форм-фактор (в светотехнике часто аналогично коэффициенту использования прямого светового потока точки относительно точки ).

Далее рассматриваются основные методы компьютерного и ручного расчёта освещения в проектировании осветительных установок с применением элементов теории светового поля, выявляются их достоинства и недостатки, связь и различие между ними. В итоге, очевидно, что компьютерные методы расчёта значительно превосходят ручные по скорости и качеству, позволяют осуществить визуализацию распределений качественных и количественных характеристик. К сожалению, эти новые возможности пока не используются в светотехнике, кроме как для определения старых, как правило, ранее стандартизованных, качественных характеристик освещения. Очевидно, что при появлении новых возможностей моделирования должны появиться как новые качественные характеристики, так и новые методы оценки качества освещения.

Ввиду того, что в последнее время методы компьютерной графики нашли своё применение в светотехнике, видится актуальным их анализ в области светотехнического расчёта и анализ светотехнических методов расчёта светового поля в теории ГО.

Третий параграф первой главы посвящён краткому описанию наиболее известных моделей распределения яркости небосвода, определяются их достоинства и недостатки.

Выявляется общий недостаток моделей – они основаны на статистических измерениях распределения яркости небосвода и не содержат в себе физической модели переноса излучения.

Предлагается применить новую эффективную модель переноса излучения в мутной среде, на основе решения УПИ с выделением анизотропной части (В.П. Будак, С.В. Коркин). Эта модель решает задачу достаточно точно и быстро (доли секунды на современном компьютере), и удовлетворяет требованиям применения в расчётах распределения яркости небосвода для проектирования естественного освещения.

Включение теории переноса излучения в модель распределения яркости небосвода дает возможность создать общую модель расчета естественного освещения на физической основе для всех этапов распространения излучения от солнца до расчетной точки, чего ранее не существовало. Другим достоинством физической модели переноса излучения, является расширение для учета поляризации, что позволит в дальнейшем рассчитывать не только распределения яркости, но и распределения цвета небосвода с учетом физико-химического состава атмосферы. В настоящей диссертации мы ограничились оценкой возможностей модели в рамках расчёта распределения яркости небосвода.

Таким образом, в первой главе обосновывается актуальность работы, выводится её основная цель и определяются задачи диссертации.

Во второй главе рассматривается применение элементов теории глобального освещения в решениях светотехнических задач расчёта поверхностей. В частности, приведен новый вывод формулы Фока, для расчёта диффузных поверхностей произвольной формы, на основе приёмов теории глобального освещения, получены простые и удобные в компьютерном моделировании выражения для светового потока:

, (4)

и форм-фактора:

, (5)

где 12 – световой поток от поверхности 1 проходящий через поверхность 2, F12 – коэффициент использования или форм-фактор поверхности 1 по отношению к поверхности 2.

Новизна и достоинство полученных выражений заключаются в их простоте и векторной форме, удобной для компьютерной реализации.

Приведен новый вывод формулы Соболева для точечного источника между двумя параллельными плоскостями, вывод сделан на основе теории ГО и преобразования Фурье. Замечательно, что после применения к системе уравнений ГО преобразования Фурье, она переходит к системе линейных уравнений, решив систему, после обратного преобразования Фурье получим выражение для освещённости:

, (6)

где K1(k) – модифицированная функция Бесселя чисто мнимого аргумента или функция Мак Дональда первого порядка.

При численном интегрировании наибольшая погрешность возникает при расчете освещённости от прямого света, мы вынесли её из под интеграла и получили окончательное выражение для определения распределения освещённости:

. (7)

Выражение (7) учитывает все переотражения, кривая силы света источника должна быть осесимметричной, но не обязательно изотропной.

Полученное решение удобно было бы использовать для тестирования методов компьютерного моделирования освещения, но в отличие от оригинальных условий задачи в компьютерных моделях все плоскости имеют конечные размеры. Следовательно, нужно определить условия, при которых большие параллельные поверхности можно принять бесконечными, а также ограничение точности метода связанное с конечностью членов ряда Фурье при компьютерном решении задачи.

Для этого в первом случае мы сравнили систему двух плоскостей с решением для диффузной сферы с таким же коэффициентом отражения. Разница потока установившегося внутри сферы и полученного при интегрировании задачи Соболева даст долю потока, распределившуюся за пределами заданного радиуса, она и будет определять верхний предел средней относительной погрешности при расчёте освещённости в условиях ограниченных поверхностей. Принимая коэффициенты отражения поверхностей высокими (мы приняли 0.9) и делая сравнение мы получили общее для моделирования реальных ситуаций в проектировании осветительных установок решение. В итоге, при коэффициентах отражения поверхностей 0.9, верхний предел относительной погрешности обусловленной конечными размерами поверхностей оказался ниже 5%, при отношении радиуса поверхностей к расстоянию между ними R/h более 22,5.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.