基于視覺參照系重構的室內照明區域控制仿真

吳艷麗,揭安仝

(江西師范大學計算機信息工程學院,江西 南昌 330000)

1 引言

在人類歷史上,照明經過漫長的發展早已變成生活中不可缺失的一部分,隨著科技的不斷變遷,人類對于照明的需求也從簡單的生活必需變為了更高層次的需求,這更加能夠看出照明在生活中的重要性。在未來的技術發展之中,照明也必將更加地完善與成熟,如何將照明的價值最大化地表現出來也變得尤為重要[1]。

傅鵬有[2]等人以WiFi模塊和云端的互聯為依據,由云端和傳感器進行數據收集并傳輸給終端,通過燈控終端接收信息實現對照明的控制。許馨尹[3]等人結合用戶期望值對照度傳感器向中央控制器傳輸的信息進行分析,通過燈具耗能和照度值建立約束控制算法函數,從而完成照明的控制。張婷[4]等人通過WSN對光源進行檢測,將檢測結果傳輸到控制器進行分析,依據分析結果,建立光源分布模型,通過調節照明設備完成室內照明的控制。以上方法沒有對室內照明控制的均一性進行調節,導致出現控制精度和節電率低、動態采光水平差的問題。

針對上述問題,本文提出一種基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法。

2 基于視覺參照系重構的自然光利用

視覺參照系[5]即能夠為人提供各種視覺線索的信息總和,例如大小、顏色、對比度、明暗度、位置、運動情況等[6]。室內照明區域視覺參照系是指當人處在當前室內環境當中時,通過自身的感受對照明信息進行判斷從而得到的信息。依據馬斯洛需求層次理論,得到人們對室內照明的需求層次,如圖1所示。

圖1 人們對室內照明的需求層次圖

2.1 室內自然光衰減

因為太陽光在傳播過程中會有一定程度的衰減,所以太陽光用于室內照明時要對其衰減情況進行分析,從而得到室內各個區域的自然光照情況[7]。

2.2.1 兩種太陽光類型

可被室內照明利用的自然光有兩種,分別為太陽直射光和太陽散射光,其中,太陽直射光的光照度較強且具有方向性,太陽散射光不具有方向性且光照度低于太陽直射光。在陰雨天時,太陽直射光無法到達地球表面;在天氣晴朗時,兩種太陽光在經過衰減后都能夠到達室內,設室內某處由太陽直射光產生照度值為Ezd,由太陽散射光產生的照度值為Erd,則室內自然光的光照度Es=Ezd+Erd。

2.2.2 兩種太陽光衰減類型

因為兩種太陽光的衰減規律不同,所以在對室內自然光的光照度進行計算時要對兩種情況分別考慮[8]。以窗戶所在的墻面和與窗戶垂直的地面建立空間視覺參照系,其中選擇地面上合適點為坐標軸原點,選擇地面上與窗戶法線平行的過原點的線為x軸,選擇地面上與窗戶法線垂直的過原點的線為y軸,選擇窗戶所在墻面上與窗戶法線垂直的過原點的線為z軸。設太陽散射光在通過寬為Y、高為H的窗戶進入室內落在桌面上的目標點為T(x0,y0,z0),由此研究以下兩種太陽光衰減類型:

1)太陽直射光衰減

太陽直射光在進入室內后會在桌面留下光照度很強的一個范圍,該范圍不一定包含目標點T(x0,y0,z0),但在經過散射后會對目標點產生光照度。太陽直射光在室內留下的強光區域隨著入射角變化會產生改變,強光區域的中心點在所建視覺參照系的y軸方向移動,設太陽直射光進入室內的方向角用α表示,地球正南方與窗戶法線的夾角用αb表示,移動距離用Δy表示,經過計算得到太陽方位角和高度角分別用αs和γ表示[9],得到

(1)

其中,αs和αb均以西為正,窗戶朝向與α的關系如下

(2)

其中,Ezz為光照度,Ez為α=0時的光照度。強光區域的中心點在y軸方向移動的同時在x軸方向同樣發生移動,設桌面與窗戶下沿的垂直高度為ht,窗戶上下沿在桌面投影與窗戶所在墻面的垂直距離分別為d1、d2,對d1、d2進行計算

(3)

在實際情況中太陽會相對于地面進行運動且室內環境要更加復雜,太陽直射光不一定會按照設定完整地落在桌面上,所以還需利用以上數據進行進一步的計算。

根據太陽直射光在室內形成的強光照范圍是否包含目標點將光照度分為兩種情況討論:

①光照度范圍包含目標點

設Yw為距離z軸較近窗側沿到z軸的距離,則有d1≤x0≤d2,Yw-Δy≤y0≤Yw-Δy+Y。因為太陽直射光方向性較強,光在傳播時衰減較弱,所以設定該強光照范圍內接收到的光通量總值保持不變,由于太陽直射光與地面法線存在夾角,光照度Ezz因此發生了變化,變化后的光照度為Ezd=Ezz·sinγ。

②光照度范圍不包含目標點

在光照度范圍不包含目標點T的情況下,點T受到太陽直射光的反射影響,強光照范圍可以看作余弦輻射體,設該強光范圍的反射比用μ表示,則點T受到太陽直射光的照度為

(4)

2)太陽散射光衰減

因為太陽散射光不具有方向性,所以窗戶可以看成余弦輻射體,設輻射的強度值總和用I表示,輻射出射亮度用L表示,輻射線與平面法線夾角用θ表示,輻射方向與法線夾角用θs表示,測試點的地理緯度用φ表示,隨機選取窗戶上的一點坐標為(0,y,z),得到點光源ΔAx在距離l處的光照度E和窗戶發光處光照度Er如下

(5)

(6)

結合式(6),得到整個窗戶在目標點處的光照度Erd和窗戶上點(0,y,z)在目標點處的光照度Erd0如下

(7)

2.2 百葉角度對室內自然光的調節

百葉窗通過對自身的調節改變自然光到達室內的總量,結合太陽直射光的方向計算控制百葉的遮擋[10],設太陽直射光與墻面法線夾角用h1表示,sinh1=sinγs/cosα,葉片數量為n的百葉窗遮擋的有效寬度用H1表示,面積用S表示,S=n·L·H,百葉窗葉片開度用β表示,H1=H·cosβ·|tanh1|-H·sinβ,室內受到太陽直射光的有效照射面積為S1=n·L·(H-H1),受到太陽散射光的有效照射面積為S2=n·L·H·(1-|sinβ|),將太陽直射光平均化后得到在目標點T處的照度E1=S1/S·Ezd,太陽散射光在目標點T處的照度E2=S2/S·Erd。

3 室內照明區域控制

3.1 配燈數選擇

自然光通常無法完全滿足室內的照明需求,所以還需對室內燈具進行考慮。基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法利用系數法對室內的配燈數進行選擇,系數法將室內墻面與棚頂作為反射面的照明場景[11],設配燈數用u表示,照度維護系數用K表示,每盞配燈的光源光通量和用Φ表示,該場景照度Eav=ΦunK/S,由此得到所需配燈數的取值。

將房間分為室內、地板和棚頂三個空間,設室內空間高度用hRC表示,地板空間高度用hFC表示,棚頂高度用hCC表示,得到室內空間比、地板空間比以及棚頂空間比分別為

(8)

照明燈發出的光有一部分被棚頂所吸收,另外部分由照明燈發光面射出。設Sb表示棚頂空間表面積之和,S0表示棚頂空間敞口面積,ρ表示棚頂空間反射系數平均數,得到頂棚空間的有效反射系數計算公式

ρp=ρS0/Sb-ρSb+ρS0

(9)

地板空間及墻面的情況與棚頂空間類似,利用棚頂空間有效反射系數計算方法結合實際情況可以得到地板空間和墻面的有效反射系數[12]。

3.2 配燈照度計算

因為照明燈的尺寸與其照射表面的距離相差較大,所以照明燈可以看成是一個點光源,建立照明燈照射示意圖如圖2所示。

圖2 照明燈照射示意圖

結合圖2得到照明燈在法向面上的照度En=1/d2,依據法向面N和水平面H接收到的照明燈光通量一致的原則得到

EhH=EnN

(10)

其中,Eh為照明燈在水平面的照度,cosθ=N/H,由此得到Eh=Encosθ,同理得到照明燈在垂直平面上的照度Ev=Ensinθ。當在任意面W與法向面N之間的夾角為β時,任意面W上的照度EW=Encosβ。

3.3 室內照明控制算法

分別通過光學傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識別方法對照明均一性進行光強調節和輸出調節,獲取能量譜特征量以及透射峰值。

通過光學傳感器跟蹤識別進行均一性調節計算得到旋轉矩陣Rx(γ0)。

在室內照明分布均勻的情況之下,以單條窄光所在空間建立坐標系,通過透射能帶譜方式對照明均一性進行調節控制,結合變換矩陣0T7(q1)得到齊次變換矩陣IT7(θ)如下

IT7(θ)=IT0(θ1,θ2,θ3)·0T7(q1)

(11)

通過上述過程,完成基于視覺參照系重構的室內照明區域的智能調節與優化控制。

4 實驗與結果

為了驗證基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法的有效性,需要對基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法進行測試。

4.1 控制精度測試

對基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法進行不同迭代次數條件下的控制精度測試。測試結果如下圖3所示:

圖3 控制精度檢測結果

由圖3可以看出,所提方法的控制精度在不同迭代次數條件下均高于文獻[2]方法和文獻[3]方法,因為所提方法通過光學傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識別方式對室內照明控制的均一性進行了調節,有效地提高了室內照明控制精度。

4.2 動態采光水平測試

對基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的動態采光水平進行測試,計算一個月內不同測試點的不同照度出現的概率,其中,300lx以上為有效照度。測試結果如下圖4所示:

圖4 采光照度分布

由圖4可以看出,所提方法對自然光的有效利用量高于方法2和方法3,說明所提方法在保持優質的照明體驗感同時踐行了綠色環保的理念。

4.3 節電率測試

利用基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法分別對該室內照明區域進行控制,分別計算在連續一周內三種方法的節電率,測試結果如圖5所示。

圖5 節電率檢測結果

由圖5可以看出,所提方法節電率均高于文獻[2]方法及文獻[3]方法,說明所提方法可以有效降低照明能耗。

5 結束語

照明在科技進步中逐漸走向成熟,在未來的照明發展中,挖掘照明的潛在價值、追求照明更高層次體驗、讓照明與人類共生將成為更加長遠的目標。在感性化的社會之中,室內照明控制更要從人的角度出發進行設計,所以視覺參照系重構在室內照明區域控制中是必不可少的一環。

目前室內照明區域控制方法存在控制精度和節電率低、動態采光水平差的問題。提出基于視覺參照系重構的室內照明區域控制方法,首先研究分析自然光的衰減情況,結合研究結果合理地調節百葉窗角度,然后通過計算選定合適的配燈數,最后根據配燈照度值調節室內照明控制的均一性。實驗結果表明,所提方法可以有效地提高控制精度、節電率和動態采光水平,為室內照明區域控制在未來能夠有更好地發展奠定基礎。