Расчетный модуль «Свет-в-ночи»
26 2025
Авторы: Будак В.П., Желтов В.С., Гримайло А.В.
Введение
В наши дни на рынок выходит отечественная система светотехнического автоматизированного проектирования «Свет в ночи», предназначенная для проектирования внутреннего, архитектурного, спортивного, дорожного и других видом освещения в соответствии с действующими российскими нормативными документами. «Свет в ночи» является логическим продолжением развития хорошо известного отечественного продукта Light-In-Night. Новым этапом с точки зрения технологий в продукте стал учёт многократных отражений света и возможность работать с произвольными сценами, что основывается на решении хорошо известного уравнения глобального освещения [Kajiya, 1986]
Как и в DIALux Evo уравнение решается методом фотонных карт [Jensen, 1996] с использованием финального сбора. В расчетное ядро заложена произвольная модель отражения, позволяющая моделировать самые разные материалы с учётом различных законов пропускания и отражения.
Отметим, что фотонные карты с финальным сбором имеют большое число параметров регулирующих точность расчета. В «Свет в ночи» предусмотрен как экспертный режим работы, позволяющий непосредственно управлять параметрами расчета, так и стандартный режим, где пользователю доступно плавное изменение качества расчета. Как показывает практика LightScape и DIALux отсутствие тонкой настройки параметров расчета в DIALux представляет изрядные неудобства при проведении различных исследований и экспериментов, в то время как излишне сложное управление адаптивной сеткой и параметрами метода конечных элементов [Ashdown, 1994], лежащего в основе LightScape стало вероятно одной из ключевых причин краха продукта. «Свет в ночи» в этом смысле вобрал в себя лучшие качества.
Как и для любого нового продукта, для «Свет в ночи» открыт вопрос о точности. Отметим, что любой численный метод может быть оценен на основе сравнения с
1. точным аналитическим решением;
2. другим численным методом с известной точностью;
3. экспериментом.
Безусловно, самым лучшим способом является сравнение с аналитическим решением, но увы, в большинстве случаев для сложных уравнений оно отсутствует. Однако в случае уравнения глобального освещения, в диффузном приближении есть два частных случая, для которых аналитические решения известны – это фотометрическая сфера и задача Соболева.
Далее рассмотрим сравнение по точности, как с аналитическим решением, так и с существующими программами расчета освещения.
Сравнение с задачей Соболева
Для подтверждения корректности расчетного ядра в первую очередь было проведено сравнение с точным аналитическим решением задачи Соболева, представляющей собой точечный изотропный источник между двумя параллельными диффузными плоскостями, впервые сформулированная еще 1944 году [Соболев, 1944], но нашедшая свое решение много позднее.
На рисунке 1 представлено сравнение распределений освещенности по одной из плоскостей для задачи Соболева с коэффициентами отражения 0.5 для обеих поверхностей, а на рисунке 2 показана визуализация распределения освещенности для коэффициента отражения
Рисунок 1. Сравнение «Свет в ночи» с задачей Соболева
Рисунок 2. Визуализация распределения освещенности в задачи Соболева
Точность совпадения зависит от настроек метода и может варьироваться в широких пределах, в данном случае расчет велся на высоком качестве и погрешность составляет в среднем не более 1%.
Сравнение с DIALux 4.13, DIALux Evo, LightScape
Графики на рисунке 1 получены непосредственно с расчетного модуля с высокими настройками качества. В рамках работы мы также провели сравнение на примере задачи Соболева с DIALux 4.13, DIALux Evo и LightScape для стандартных настроек, используя при этом непосредственно пользовательский интерфейс всех трех программ. Результаты расчетов приведены на рисунке 3.
Рисунок 3. Сравнение программ с задачей Соболева
Как показано в работе [Макаров, 2007], проведение корректного сравнения программ методологически крайне сложный процесс, связанный в частности необходимостью учитывать внутренние подробности реализации расчетной сетки. В данном случае мы не ставили целью провести точное сравнение, скорее важен факт, что в целом программы показывают схожие результаты.
Также мы провели сравнение с двумя версиями DIALux и LightScape на примере простого прямоугольного помещения с двумя светильниками, показанного на рисунке 4.
Рисунок 4. Визуализация помещения
Результаты распределения освещенности приведены на рисунке 5.
Рисунок 5. Распределение освещенности в помещении
Отметим, что как уже ранее упоминалось, проведение сравнения для различных программ даже на простейших сценах крайне сложный методологически процесс, а задача создания идентичных сложны сцен требует изрядных усилий.
Заключение
Выход на российский рынок новой системы автоматизированного светотехнического проектирования «Свет в ночи» знаменуют собой новый этап в развитии отечественной светотехники, теоретические [Budak, 2017] и экспериментальные изыскания [Желтов, 2021] находят свое отражение в практической плоскости, переходя от НИОКР в реальный продукт. Сравнение с точным аналитическим решение и другими программами позволяет с уверенностью говорить о корректности светотехнических расчетов «Свет в ночи».
Список литературы:
[Kajiya, 1986] Kajiya J.T. The rendering equation // Computer Graphics (Proc. SIGGRAPH’86), 1986. V.20, N4. P.143-150.
[Jensen, 1996] Henrik Wann Jensen Global Illumination using Photon Maps // In Rendering Techniques'96. Springer-Verlag, pp. 21-30, 1996
[Ashdown, 1994] Ashdown I. Radiosity. A Programmer’s perspective. – JOHN WILEY & SONS, 1994. -496P.
[Соболев, 1944] Соболев В.В. Точечный источник света между параллельными плоскостями // ДАН СССР, 1944. Т.42, №4. – С.176-177.
[Макаров, 2007] Макаров Д. Н. Методы компьютерного моделирования осветительных установок. Диссертационная работа // Кандидатская диссертация, МЭИ, 2007
[Budak, 2017] Budak, V.P., Zheltov, V.S., Mathematical simulation of lighting installations using a computer // Light and Engineering, 2017. Vol. 25, No 2, P.113-120
[Желтов, 2021] Желтов В. С. Теоретические основы моделирования пространственно-углового распределения яркости в осветительных установках // Докторская диссертация, МЭИ, 2021