Компьютерное моделирование освещения

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

     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 – фото-реалистическая 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 необходи-мые для светотехнического расчета объекты, что приводит к значительной экономии времени как самого моделирования, так и расчета.


     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.


Наибольшую выгоду данный метод позволяет получить при расчетах и моделировании (ОУ), использующих большое количество однотипных световых приборов (к при-меру: 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.