RU EN
lrg rst sml

Авторизация

Запомнить

OS

34%Windows 7
34%Windows XP
8%Windows NT
7%Mac OS X
5%Linux
Svetotechnika N3 2005fig_7.png

Экспорт новостей

 
О визуализации спектральной модели безоблачного неба и солнца Печать E-mail
Автор Д.В. Бахарев, Л.Н. Орлова, А.Ф. Широбоков (Светотехника, 2000, №4, с.30-34 + 1 стр. обложки журнала)   
11:07:2008 г.

Image Естественный свет — случайное и непредсказуемое явление природы. Поэтому естественное освещение невозможно рассчитать, но можно смоделировать на компьютере как случайный стохастический объект с вероятным состоянием облачности. Для этого прежде всего следует построить спектрально-колориметрическую модель безоблачной атмосферы, а затем рассмотреть перенос излучения в случайном облачном слое и, ниже, — в пространствах городской застройки и помещений. В предлагаемой статьте дается приближенное решение первой задачи моделирования естественного освещения — расчет и визуализация яркости безоблачного Неба и Солнца.

С этой статьи мы начинаем размещение на сайте наших прошлых публикаций, на которые встречаются и будут часто встречаться ссылки в наших новых работах.

В [1,2] были продемонстрированы первые, синтезированные компьютерной программой LARISA, реальные изображения идеального объекта, строго заданного своими оптико-геометрическими параметрами и условиями освещения. Несмотря на простоту модели синтезированные изображения оказались довольно близкими к натурным фотографиям интерьеров прямоугольного помещения. Только опытным взглядом можно обнаружить, что яркость и цветность освещаемых поверхностей помещения на синтезированном программой рис.1 не соответствует изображенным источникам света — окнам и видимым через них объектам внешней среды. Перевернутое размытое оптическое изображение голубого неба, зеленых газонов и оконных откосов на его поверхностях отсутствует [3-5]. В действительности помещение освещается диффузным светом белых равноярких прямоугольников, расположенных в контурах условно изображенных светопроемов [2].

Image
Рис.1. Синтезированные программой LARISA реальное изображение прямоугольной полости, приближенно имитирующей типичное административное или учебное помещение с привычной для нашего зрительного опыта казенной окраской при диффузном освещении

Строгое фотометрическое решение задачи компьютерного синтеза реальных изображений объектов при естественном освещении чрезвычайно сложно. Для этого прежде всего требуется построить спектральную и колориметрическую модель первичного источника естественного света — Солнца и безоблачной атмосферы. Далее возможно моделировать прохождение и отражение света в облачном покрове при его различных вероятностных состояниях и световые поля в пространствах застройки. Световое поле в помещениях будет засвеченным многократными отражениями оптическим изображением конструкций окон и светящих объектов внешней среды, проецируемых светопроемами на поверхности помещения. В настоящей статье сообщается о первых результатах приближенного решения исходной задачи синтеза реальных изображений идеальных объектов при естественном освещении — спектральных расчетов и визуализации безоблачного неба и Солнца.

Для колориметрических расчетов и визуализации неба и Солнца была использована разработанная ранее [7-11] простейшая спектральная радиационная модель однослойной безоблачной атмосферы, основанная на приближенном решении интегро-дифференциального уравнения переноса излучения в атмосфере, предложенном В.В.Соболевым [6]. Подробное описание математической модели дано в [6-11], поэтому остановимся здесь в основном на обсуждении задач и результатов ее визуализации.

Для решения поставленных задач была разработана программа ClearSky для ОС Windows 95. Программа рассчитывает спектральную энергетическую яркость излучения неба и спектральные потоки прямой солнечной радиации в видимом диапазоне спектра при любых вариациях атмосферного давления — p, содержания озона — w и аэрозоля - b в атмосфере, метеорологической дальности видимости — S_{\small m} и спектрального альбедо земной поверхности. По удельным координатам цвета монохроматического излучения в системе RGB определяются RGB-яркости неба и RGB-потоки прямой радиации, необходимые для последующих расчетов начальных RGB-освещенностей объектов светом неба и Солнца. В исследовательских целях программа синтезирует цветные изображения неба и диска Солнца на равноугольной горизонтальной проекции небосвода (рис.2-6), а для изображения освещаемых объектов на фоне неба и для его привычной зрительной оценки — на вертикальной плоской проекции 140-градусного сектора небосвода, ограниченного 60-градусным альмукантаратом, т.е. в пределах отчетливого бинокулярного поля зрения наземного наблюдателя (рис.7-9).

Аналогично [1,2] в ClearSky использована линейная (циркульная) закраска элементов изображений. Цветность линий определяется координатами цветности в системе RGB

r = \int\limits_{\lambda=380}^{780} L(\lambda)\bar r(\lambda)d\lambda / L; g = \int\limits_{\lambda=380}^{780} L(\lambda)\bar g(\lambda)d\lambda / L;

b = \int\limits_{\lambda=380}^{780} L(\lambda)\bar b(\lambda)d\lambda / L, (1)

где L(\lambda) — спектральная энергетическая яркость элемента, \bar r(\lambda), \bar g(\lambda), \bar b(\lambda) — удельные RGB-координаты цвета [12, табл.П1], L = r+g+b — суммарная (не корректированная яркостными коэффициентами основных цветов) яркость элемента. Для визуализации цветности неба и диска Солнца (рис.2,3) аргументы функции RGB (red, green, blue) нормируются по максимальному значению координаты цветности, т.е. red = 255r/(rgb)_{max}, ... и т.д., где (rgb)_{max} - наибольшая из трех координат цветности данного элемента неба или диска Солнца. При визуализации яркости неба (рис.4) нормирование ведется по абсолютному максимуму координат цвета всех элементов неба при данной высоте Солнца, т.е. {red) = 255Lr / L(rgb)_{max} ... и т.д., где L(rgb)_{max} — максимальное значение RGB-матриц координат цвета.

Image
Рис.2. Цвет, RGB-координаты цветности солнечного диска (потока прямой солнечной радиации) и освещенности горизонтальной поверхности (в клк) при различных высотах Солнца в замутненной (слева), стандартной и прозрачной (справа) атмосферах. Вверху показан заатмосферный диск Солнца и световая солнечная постоянная, вычисленная по RGB-координатам цвета
 
Image
Рис.3. Визуализированная цветность неба для стандартной атмосферы при различных высотах Солнца. На проекциях неба даны максимальные и минимальные значения RGB-координат цветности и их соотношения

Как видно на рис.2 и 3, радиационная модель [7-11] дает довольно близкие к наблюдаемым картины цветности неба и диска Солнца при любых его высотах h_\otimes. Существенные расхождения обнаруживаются только в околосолнечной области, где бледно-голубой цвет неба и диска обычно не наблюдаются в натуре, поскольку их яркость выходит за верхний порог цветоразличения, где любой цвет воспринимается белым. Наибольшие изменения цветности происходят при подъеме Солнца до 40°. Далее картина неба стабилизируется и стремится к симметричной по мере приближения Солнца к зениту. Распределение цветности качественно верно выражает известные зависимости рассеяния и ослабления излучения от длины волны, массы атмосферы и формы спектральной атмосферной индикатрисы рассеяния На рис.3 хорошо видны выцветание и покраснение неба в околосолнечной области и у горизонта. Визуализация цветности неба и диска Солнца при варьировании h_\otimes, p, w, b и S_{\small m} показала, что цветовые тона, их чистота и насыщенность сильно зависят от значений этих параметров и их различных сочетаний.

Image
Рис.4. Визуализированная яркость цветного неба для стандартной атмосферы при различных высотах Солнца. На проекциях неба даны максимальные и минимальные значения RGB-координат цвета и их соотношения. Справа приведены яркости зенита (в ккд/мІ) и освещенности горизонтальной поверхности (в клк), вычисленные по RGB-координатам цвета

Как и следовало ожидать, визуализация яркости неба (рис.4) дала картины, далекие от его обычного зрительного восприятия. Даже без учета солнечного ореола значительная неравномерность яркости неба L_{max}/L_{min}, превышающая в красной области 60-кратную величину, не позволяет получить удовлетворительные изображения неба при нормировании функции RGB по максимуму его яркости и, тем более, по яркости солнечного диска. Показанные на рис.4 изображения скорее соответствуют небу, видимому через неселективный ослабляющий светофильтр (закопченное стекло). Изображение солнечного диска воспроизводит только его цветность. Действительная яркость диска значительно превосходит яркость околосолнечного участка неба и поэтому воспроизвести его изображение на фоне неба без искажения цветности невозможно. Не намного ближе к зрительному опыту оказалась и ахроматическая картина распределения абсолютной яркости безоблачного неба (рис.5), хорошо согласующаяся со стандартным безоблачным небом МКО. Здесь перепады яркости не превышают 40-кратной величины.

Image
Рис.5. Визуализированная яркость ахроматического неба для стандартной атмосферы при различных высотах Солнца. На проекциях неба даны максимальные и минимальные значения яркости (в ккд/мІ) и их соотношения. Справа приведены яркости зенита (в ккд/мІ) и освещенности горизонтальной поверхности (в клк), вычисленные по функции относительной спектральной световой эффективности МКО

Нормированные по максимуму яркости (в том числе с искажением колориметрической цветности, моделирующим психофизиологию цветоразличения) полные картины неба представляют в основном исследовательский интерес. При синтезе реальных изображений объектов, освещаемых небом и Солнцем, нормирование изображений видимых участков неба приходится вести по яркости инсолируемой поверхности объектов, которая обычно превышает яркость неба. В этих случаях восприятие яркости и цветности неба на изображениях существенно зависит от яркостного и цветового контрастов с освещаемыми объектами, которые всякий раз определяются конкретным характером изображения. Если освещаемые объекты выравнивают яркость поля зрения, то соответствующую зрительному опыту картину вполне можно получить нормированием функции RGB по максимуму яркости. Если же панорама солнечной части неба является единственным объектом изображения, то получить ее зрительно привычную картину можно только на основе светлотных соотношений.

Image
Рис.6. Светлота неба для стандартной атмосферы при различных высотах Солнца. На проекциях неба даны максимальные и минимальные значения суммарной яркости L и их соотношения. Справа приведены значения коэффициента адаптации и освещенности горизонтальной поверхности (в клк)
 
Image
Рис.7. Панорамы солнечной части неба в навигационных (h_\otimes= -12°) и гражданских (h_\otimes= -6°) сумерках (заря) и при восходе Солнца в замутненной атмосфере

Изображения неба, нормированные по максимумам координат цветности и логарифмов яркости, показаны на рис.6-9. Здесь аргументы функции RGB

red = 255\frac{ r \ln(K_\alpha L) }{ (rgb)_{max} \ln(K_\alpha L_{max}) }... и т.д., (2)

где в качестве функции адаптации принята светлота по В.В.Мешкову [12], т.е.

K_\alpha = 780 + 6000 (L_\small{cp}^{0,02} - 1,05), (3)

где L_\small{cp} — средняя ахроматическая яркость неба. Как видно на рис.6, выбранный способ нормирования функции RGB дает светлотные картины полного небосвода без искажения его колориметрической цветности, однако, как и при визуализации яркости, околосолнечная область неба выглядит при этом менее яркой и белесой, чем это воспринимается в натурных наблюдениях. Привычная для земного наблюдателя картина изменения цветовых зон неба при восходе (заходе) Солнца в атмосфере различной прозрачности показана на плоских панорамах солнечного сектора неба (рис.7-9). Цвета и форма зон хорошо согласуются с приведенными в [13] графическими схемами и словесным описанием процесса восхода Солнца.

Image
Рис.8. Панорамы солнечной части неба в сумерках и при восходе Солнца в стандартной атмосфере
 
Image
Рис.9. Панорамы солнечной части неба в сумерках и при восходе Солнца в прозрачной атмосфере

Радиационная модель [7-11] дневного неба оказалась также работоспособной и при h_\otimes<0. В этом случае атмосфера освещается Солнцем через нижнюю (земную) границу, которая в модели предполагается прозрачной извне и отражающей внутрь слоя атмосферы. Приведенные на верхних кадрах рис.7-9 панорамы солнечного сектора небосвода в навигационных (h_\otimes = -12°) и гражданских (h_\otimes = -6°) сумерках качественно верно воспроизводят околосолнечные зоны зари, вполне соответствующие их описанию в [13], так как при малом погружении Солнца за горизонт земная тень не оказывает существенного влияния на яркость солнечного сектора. Абсолютные значения яркости неба и освещенности при этом на порядки превышают наблюдаемые, поскольку модель не учитывает погружения в цилиндрическую тень Земли противосолнечной части вырезанного плоскостью горизонта шарового сегмента атмосферы и поворота его инсолируемой части. Учет этих факторов позволит, видимо, в дальнейшем получить и количественно удовлетворительные и полные (т.е. с изображением земной тени и противосолнечных зон зари) картины яркости сумеречного и ночного неба в рамках простой однослойной модели атмосферы. Следует также отметить, что хорошее качество изображений зари удалось получить только после аппроксимации использованной в модели полуэмпирической атмосферной индикатрисы рассеяния [7] кубическими сплайнами, сгладившими случайные погрешности измерений. Человеческий глаз оказался весьма чувствительным даже к незначительным нарушениям гладкости функций яркости и цветности неба.

Опыт визуализации спектральной модели безоблачного неба показал, что воспроизводимые ею картины яркости и цветности неба при -18° ≤ h_\otimes ≤ 6°, т.е. от конца астрономических сумерек и до полного восхода над горизонтом солнечного диска, являются наиболее показательными для оценки полноты, достоверности и точности математической модели источника естественного освещения. Имеющиеся в светотехнической литературе данные натурных спектральных и световых измерений и расчетов яркости неба и освещенности в этом диапазоне высот Солнца очень скудны, хотя потребность в них для оценки зрительной работы на транспорте и при проектирования наружного освещения очевидна. Колориметрические исследования и визуальное моделирование зорь, восходов (заходов) Солнца и сумеречного освещения следует считать полноправными и актуальными задачами светотехники. Современная цифровая видео и вычислительная техника открывают здесь широкие возможности для фиксации и натурных исследований яркости и цветности неба (как, впрочем, и любых других ИС и СП) и численно-визуального сопоставления их результатов с расчетно-теоретическими моделями.

Программа ClearSky предназначена для включения во вторую версию программы LARISA [1,2] в качестве модуля, задающего источник естественного освещения. Вычисляемые ею матрицы RGB-яркостей неба и значения RGB-освещенностей перпендикулярной солнечному лучу площадки используются для расчета начальных RGB-освещенностей объектов светом неба и Солнца, а также для синтеза изображений видимых наблюдателем участков неба. Матрицы и освещенности вычисляются на заданной географической широте в указанные день года и время суток и при заданных высоте местности над уровнем моря (p) и других упомянутых выше параметрах атмосферы, а также для выбранного покрова (спектрального альбедо) земной поверхности. В частности, изображения на рис.2-9 рассчитаны при спектральном альбедо травяного покрова.

Синтезированные ClearSky изображения неба и Солнца дают лишь предварительное представление о степени соответствия модели [7-11] нашему зрительному опыту. Окончательную вывод о ее визуальной натуральности можно будет сделать после завершения разработки второй версии программы LARISA на основе комплексной зрительной оценки соотношений яркости и цветности инсолируемых участков, теней, рефлексов и небесного фона при контрастном солнечной освещении изображаемых объектов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бахарев Д.В., Орлова Л.Н., Широбоков А.Ф. Компьютерный синтез реальных изображений идеальных объектов. "Строительный комплекс - 98". Тезисы докладов. ч.3. ННГАСУ. Нижний Новгород. 1998. С.31-32.
  2. Бахарев Д.В., Орлова Л.Н., Широбоков А.Ф. О визуализации расчета световых полей // Светотехника. 1999. №5. С.25-32.
  3. Бахарев Д.В. Естественное световое поле в помещении как оптическое изображение внешней среды // Светотехника. 1992. №4. С.11-14.
  4. Бахарев Д.В. Геометрия размытого оптического изображения // Светотехника. 1993. №8. С.10-13.
  5. Бахарев Д.В. Оптический метод расчета естественного освещения помещений // Светотехника. 1996. №7. С.28-32.
  6. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. М.: Гостехиздат. 1956. 392 с.
  7. Орлова Л.Н. Атмосферная индикатриса рассеяния в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра // Светотехника. 1980. №9. С.13-14.
  8. Орлова Л.Н. Универсальная компьютерная модель яркости безоблачного неба. // Светотехника. 1982. №4. С.21.
  9. Orlova L.N. Multipurpouse Model for clear sky Radiations. International Daylighting Conference. 1990. Moscow. General Preceeding 1.
  10. Орлова Л.Н. Радиационная модель безоблачной атмосферы в оптическом диапазоне спектра. // Светотехника. 1993. №2. С.1-4.
  11. Orlova L.N. Radiation model for a cloudless atmosphere in the optical range. // Light & Engineering. Allerton press. Inc. / New York. 1993. Vol 1. Num 3. P. 49-54.
  12. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники. Часть 2. Физиологическая оптика и колориметрия. М.:Энергоатомиздат. 1989. с.432.
  13. Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: "Наука", 1969 с.344.

Обсудить новость в форуме. (0 сообщений)

 
« К теоретическому анализу эмпирической яркости фасадов   О методике расчета естественного освещения »