Материалы

Макаров Д.Н., Методы компьютерного моделирования осветительных установок. Диссертационная работа

Актуальность работы.

В настоящее время в светотехнической практике используется большое количество компьютерных программ по расчету освети-тельных установок. Большинство современных светотехнических программ используют расчетное ядро, основанное на реализации решения уравнения глобаль-ного 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 компьютеров (Yamauti, Moon, Поляк), однако невозможность ее численной реализации (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 3М 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.
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. Разработаны методы моделирования ОУ всех типов с использованием светотехнических программ на основе 3М 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 3М сцене 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 3М сцены освещения на характеристики распределения световых величин и сформулированы принципы создания 3М сцен для светотехнических проектов;
5. Разработаны методы моделирования ОУ большинства типов с использованием светотехнических программ и схемы сопряжения светотехнических про-грамм 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 светотехнических 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 пределах точности с инженерными методами расчета;
• Выполненными и реализованными проектами ОУ с использованием разработанной методики;

Апробация работы.

Основные материалы работы докладывались на сле-дующих конференциях и семинарах в период с 2003 – 2006 г.г.:
• Научно – технические семинары «Молодые светотехники России» в рамках 9-11 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 док-ладов и одна брошюра под редакцией Ю.Б. Айзенберга.
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.

Скачать Макаров Д.Н., Методы компьютерного моделирования осветительных установок. Диссертационная работа

Для скачивания файла нажмите на ссылку правой кнопкой и выберите "Сохранить объект как..."

Метки: проектирование освещения