CN105115595A - 基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法 - Google Patents

Abstract

<b>本发明公开了一种基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，包括以下步骤：将光源定义空间坐标系，并将光源进行三轴旋转得到旋转空间坐标系；根据三轴旋转的角度，利用三角函数原理推导出采样点与旋转后</b><b>x</b><b>轴的夹角</b><b>Cˊ</b><b>和</b><b>采样点与旋转后</b><b>z</b><b>轴的夹角</b><b>γˊ计算公式；</b><b>根据</b><b>路面采样点坐标，求出</b><b>光源发生旋转后的</b><b>Cˊ</b><b>和γˊ，并计算采样点的光强值</b><b>I</b><b><i>_γˊC</i></b><b><i>_ˊ</i></b><b>；</b><b>计算</b><b>照度值</b><b>E_P</b><b>。</b><b>该方法可以计算路面上任意点位照度值和亮度值，可以更好地指导实际工程。实现成本低，大大减少计算功耗和存储空间，提高效率。</b><b>在高度有变化或起伏显著路面上，会得到与真实数值更接近的拟合结果。</b>

Description

基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法

技术领域

本发明属于LED灯具光源发光强度测试领域，涉及一种基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法。

背景技术

对每种LED灯具而言，自设计定型生产出厂后，其发光强度在空间分布属性就已固定，成为其产品属性的重要组成内容。为了描述该属性信息，现有光源发光强度测试方法是测试固定离散位置点的光强来实现，且这些离散位置点从空间分布来看，是按照半球形来分布的，其中球心为发光光源，半球截面是以通过该发光光源，平行于灯具基板的平面。在IES文件中保存的数据，就是这半球空间内各测试点上的发光强度，从数据属性分析上，是一些ASCII编码且数值离散的数据点。用数学的方法来分析，这些数据点可以看作分布在半球形空间内的数值矩阵，而且数值随着位置变化而不同，在不同方向呈现出各向异性的特性。

IES文件照度数据空间分布示意图如图1所示，将IES文件中照度按照空间分布，蓝色部分数值大，红色表示数值小，横切球体的绿色平面为γ＝90度平面。可以看出，该示例IES文件对应的密集矩阵，在半球形空间中的形态为一个伞状的锥体。

随着技术的发展和社会的进步，基于空间各向异性点光源发展来的面状发光光源的需求越来越大，应用也越来越广泛，相关的设计和计算要求也越来越高，这给实现基于具体工况的精确配光带来了挑战。与传统点光源不同，面光源空间上的各向异性更加显著，在实际使用中必须考虑到倾仰、旋转、扭转等安装因素，对实际布光效果带来的显著影响。而且，随着照明工程中精确配光应用的推广普及和生产技术的进步，LED等发光特性优异的新技术新产品不断发展成熟，使得传统点光源的光学特性在空间上各向异性越发显著，并成为光源的重要产品属性。因此，如何分析其空间异性的分布规律，指导透镜设计生产，指导道路照明设计计算，将是这一领域当前及未来一段时间的热点研究领域。

针对这些需求，以dialux为代表的现有技术方案受当前工况计算限制，在空间角度布灯计算中，仅仅考虑了倾斜度和旋转角度两个指标，这为未来新型灯具和先进布灯设计施工，带来了明显的局限。例如：

现有方案实施照明计算的前提假设是假定计算环境所处的地面绝对水平，现实工况中道路、墙壁、隧道等环境计算平面的凸凹状况全部忽略，致使现有方案不能很好的计算桥梁起坡、高速公路拐弯段、环形高架桥等工况的路面照明状况。还导致在需要运用新型灯具和新设计方法时，制约了设备和工艺的进步。比如在隧道和十字路口等较复杂工况下，需要对灯具照明方向进行优化组合时，现有方案就显现出局限性。同时，现有技术方案在路面照度计算中，以满足基本规范要求中对各参数计算要求为出发点，设定路面计算点每车道3排共30个计算点，这限制了在计算分析路面平均亮度、纵向均匀度、平均照度等重要指标时的数据源，而且还限制了精细化分析路面的照度效果。

发明内容

针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，该方法可以计算复杂工况和路况环境下的路面上任意点位照度值和亮度值，获得更加与现实条件接近的照度拟合效果，可以更好地指导实际工程。同时，结合特定的插值算法，实现成本低，大大减少计算功耗和存储空间，提高效率。

本发明的技术方案是：

一种基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：将光源定义空间坐标系，并将光源进行三轴旋转得到旋转空间坐标系；

S02：根据三轴旋转的角度，利用三角函数原理推导出采样点与旋转后x轴的夹角C'和采样点与旋转后z轴的夹角γ'计算公式， 其中，x'为旋转后的x轴坐标,y'为旋转后的y轴坐标，H'为旋转后的z轴坐标的相反数；

S03：根据路面采样点坐标，求出C'和γ'，并计算采样点的光强值I_γ'C'；

S04：计算照度值E_P，计算公式为：其中，γ为光源与路面采样点的夹角，H_L为光源与路面的距离。

优选的，步骤S02中旋转后的坐标由如下公式得到：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\&prime;}\\ y^{\&prime;}\\ z^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&psi;}& *& \sin \mathrm{\&psi;}\\ *& 1& *\\ \sin \mathrm{\&psi;}& *& \cos \mathrm{\&psi;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& *& *\\ *& \cos \mathrm{\&delta;}& \sin \mathrm{\&delta;}\\ *& -\sin \mathrm{\&delta;}& \cos \mathrm{\&delta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos v& \sin v& *\\ -\sin v& \cos v& *\\ *& *& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

其中，x、y、z为空间坐标系中的坐标值，δ为沿x轴旋转的角度，ψ为沿y轴旋转的角度，ν为沿z轴旋转的角度，*代表任意数值。

优选的，所述步骤S02中满足如下关系：

若x'>0且y'>0，则

若x'<0且y'>0，则

若x'<0且y'<0，则

若x'>0且y'<0，则

优选的，所述光源为空间异性的点光源或者空间异性的面状光源。

本发明的优点是：

1.算法可靠透明。本方法的推导基于三角函数变化和矩阵运算理念，可靠性较高，程序实现代价较小，与现有主流技术方案相比，计算流程清晰简便，有利于实际运用中的频繁调用。

2.运用潜力较大。相比现有方案局限于计算路面上30个点位的照度数值，本发明理论上可以计算路面上任意点位照度值和亮度值，对于实现进一步分析照明设计结果，评估设计方案质量，具有较大潜力。

3.计算边界严密。在灯具三轴向上旋转后，地面上计算点新的照度坐标进行了严密的逻辑分析，对于x'和y'不同的取值范围，对应的C'有不同的计算方法，形成了严密的取值计算范围。

4.紧密吻合实际。现有方案只考虑了二轴计算，但随着精确布光的逐步普及应用，灯具新的设计和安装形式将会越来越多的出现在工程实际中，现有方案的局限性将会越发明显。有鉴于此，本算法将空间因素考虑进来，可以更好地指导实际工程。

5.算法兼容性好。在能更好满足现有规范要求的30个计算点的前提下，该方法实现基础为三角函数计算，实现代价较小，在结合相关IES文件插值算法后，相比现有计算方案，可以提高效率近80％，可以大大减少计算功耗和存储空间，易于在Android、IOS、Windows、Linux等计算环境间跨平台部署。同时，还能根据实际数据分析要求，加密计算点数量，依托X86和Power架构强大的计算能力，计算整个路面任一点照度值，为实现各种复杂工况更科学的量化、分析和评估提供客观的计算结果。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有IES文件照度数据空间分布示意图；

图2为本发明基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法的光源旋转示意图；

图3为本发明基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法的坐标旋转示意图；

图4为本发明基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法的计算点P平面直角坐标系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

本发明以LED路灯为例。

按照LED路灯安装常见规则，定义空间坐标系如图2所示。

如图3所示，灯具沿x轴旋转定义为δ，沿y轴旋转定义为ψ，沿z轴旋转定义为ν。在(x、y、z)坐标系统中，O点为光源，路面上一点P(x、

y、-z)，当O点旋转(δ、ψ、ν)后，P点新坐标为(x'、y'、-z')。

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\&prime;}\\ y^{\&prime;}\\ z^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&psi;}& *& \sin \mathrm{\&psi;}\\ *& 1& *\\ \sin \mathrm{\&psi;}& *& \cos \mathrm{\&psi;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& *& *\\ *& \cos \mathrm{\&delta;}& \sin \mathrm{\&delta;}\\ *& -\sin \mathrm{\&delta;}& \cos \mathrm{\&delta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos v& \sin v& *\\ -\sin v& \cos v& *\\ *& *& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

在上述算式中，根据三角函数原理，将*取值为0，可推到如下坐标转换公式：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\&prime;}\\ y^{\&prime;}\\ z^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&psi;}& 0& \sin \mathrm{\&psi;}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\&psi;}& 0& \cos \mathrm{\&psi;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&delta;}& \sin \mathrm{\&delta;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&delta;}& \cos \mathrm{\&delta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos v& \sin v& 0\\ -\sin v& \cos v& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

经计算可得以下算式：

x'＝x(cosνcosψ-sinνsinδsinψ)+y(sinνcosψ+cosνsinδsinψ)-z(cosδsinψ)

y'＝-xsinνcosδ+ycosνcosδ+zsinδ

z'＝x(cosνsinψ+sinνsinδcosψ)+y(sinνsinψ-cosνsinδcosψ)+zcosδcosψ

上式中，令H＝-z，H'＝-z'，则上式可改写为：

x'＝x(cosνcosψ-sinνsinδsinψ)+y(sinνcosψ+cosνsinδsinψ)+H(cosδcosψ)

y'＝-xsinνcosδ+ycosνcosδ-Hsinδ

H'＝-x(cosνsinψ+sinνsinδcosψ)-y(sinνsinψ-cosνsinδcosψ)+Hcosδcosψ

根据上式，即可求出灯具旋转后P点新坐标，从而进一步可以求出C'和γ'。其中，

$C^{\&prime;}={\tan }^{-l}\frac{y^{\&prime;}}{x^{\&prime;}},{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}={\tan }^{-l}\frac{\sqrt{{\left(x^{\&prime;}\right)}^2+{\left(y^{\&prime;}\right)}^2}}{H^{\&prime;}}.$

考虑到边界值的处理，对以下情况做如下计算处理：

若x'>0且y'>0，则

若x'<0且y'>0，则

若x'<0且y'<0，则

若x'>0且y'<0，则

由此，可以根据路面采样点坐标，求出C'和γ'，并可从灯具IES文件中读取或者插值得到P点相应光强值I_γ'C'，测量一系列角度上的光强数值，并将数值记录到IES文件中，为下一步数值计算提供依据。

如图4，基于上述分析结果，可以开展P点照度计算。假设灯杆相对路边沿线的悬臂长度为h，灯杆高度H_L，建立路面坐标系，以车行方向为x轴正方向，垂直x轴朝向行车道方向为y轴正方向。

此时，路灯与P点的夹角为γ，且有进而求出 $cos\mathrm{\&gamma;}=\frac{H_L}{\sqrt{{(y_1-h)}^2+x_1^2+{H_L}^2}}.$

将以上过程中计算求得的I_γ'C'、cosγ、H_L代入下列算式求得P点的照度值E_p， $E_P=\frac{I_{{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}{C}^{\&prime;}}}{{H_L}^2}{\cos }^3\mathrm{\&gamma;}.$

此时，若进一步考虑路面起伏等因素，设路面计算点p比上述各点在同一水平面上的理想状态高出H_i的高度，则在上述计算过程中，减去该H_i的数值，即可以得到该点准确的照度值。

假定任意点i的起伏高度为H_i，则该i点的空间坐标(x_i,y_i,z_i)变为(x_i,y_i,(z_i-H_i))。

此时，将该点新坐标(x_i,y_i,(z_i-H_i))代入上述x'、y'、z'算式中重新计算，则可得到该点在考虑起伏高度H_i后新的照度值数据。在此基础上，当把道路上每一个计算点的高度都考虑进来后，则能得到该路面上道路空间照度值的分布情况。这对于在高度有变化或起伏显著路面上，会得到与真实数值更接近的拟合结果。

该计算方法对实际工况全面，可以在起坡、山路、旋转路等路况下进行模拟合计算，而且可以计算分析路面平均亮度、纵向均匀度、平均照度等重要指标时数据源的获取。

可以模仿真实的灯具姿态，将对这一领域中设计、生产、调试、安装及现场效果测试评估，具有积极的意义。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：将光源定义空间坐标系，并将光源进行三轴旋转得到旋转空间坐标系；

S02：根据三轴旋转的角度，利用三角函数原理推导出采样点与旋转后x轴的夹角C'和采样点与旋转后z轴的夹角γ'计算公式， 其中，x'为旋转后的x轴坐标,y'为旋转后的y轴坐标，H'为旋转后的z轴坐标的相反数；

S03：根据路面采样点坐标，求出C'和γ'，并计算采样点的光强值Iγ'C'；

S04：计算照度值E_P，计算公式为：其中，γ为光源与路面采样点的夹角，H_L为光源与路面的距离。

2.根据权利要求1所述的基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，步骤S02中旋转后的坐标由如下公式得到：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\&prime;}\\ y^{\&prime;}\\ z^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&psi;}& *& \sin \mathrm{\&psi;}\\ *& 1& *\\ \sin \mathrm{\&psi;}& *& \cos \mathrm{\&psi;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& *& *\\ *& \cos \mathrm{\&delta;}& \sin \mathrm{\&delta;}\\ *& -\sin \mathrm{\&delta;}& \cos \mathrm{\&delta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos v& \sin v& *\\ -\sin v& \cos v& *\\ *& *& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

其中，x、y、z为空间坐标系中的坐标值，δ为沿x轴旋转的角度，ψ为沿y轴旋转的角度，ν为沿z轴旋转的角度，*代表任意数值。

3.根据权利要求1所述的基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，所述步骤S02中满足如下关系：

若x'>0且y'>0，则

若x'<0且y'>0，则

若x'<0且y'<0，则

若x'>0且y'<0，则

4.根据权利要求1所述的基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，所述光源为空间异性的点光源或者空间异性的面状光源。

5.根据权利要求1所述的基于三轴旋转的空间异性光源照度值计算方法，其特征在于，路面上的任意点i的起伏高度为H_i，则该i点的空间坐标(x_i,y_i,z_i)变为(x_i,y_i,(z_i-H_i))，计算该点新坐标(x_i,y_i,(z_i-H_i))旋转后的坐标值，则可得到该点在考虑起伏高度H_i后新的照度值数据。