基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制仿真

吳艷麗,揭安仝

(江西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院,江西 南昌 330000)

1 引言

在人類(lèi)歷史上,照明經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)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(lèi)對(duì)于照明的需求也從簡(jiǎn)單的生活必需變?yōu)榱烁邔哟蔚男枨?這更加能夠看出照明在生活中的重要性。在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展之中,照明也必將更加地完善與成熟,如何將照明的價(jià)值最大化地表現(xiàn)出來(lái)也變得尤為重要[1]。

傅鵬有[2]等人以WiFi模塊和云端的互聯(lián)為依據(jù),由云端和傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并傳輸給終端,通過(guò)燈控終端接收信息實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的控制。許馨尹[3]等人結(jié)合用戶(hù)期望值對(duì)照度傳感器向中央控制器傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分析,通過(guò)燈具耗能和照度值建立約束控制算法函數(shù),從而完成照明的控制。張婷[4]等人通過(guò)WSN對(duì)光源進(jìn)行檢測(cè),將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行分析,依據(jù)分析結(jié)果,建立光源分布模型,通過(guò)調(diào)節(jié)照明設(shè)備完成室內(nèi)照明的控制。以上方法沒(méi)有對(duì)室內(nèi)照明控制的均一性進(jìn)行調(diào)節(jié),導(dǎo)致出現(xiàn)控制精度和節(jié)電率低、動(dòng)態(tài)采光水平差的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法。

2 基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的自然光利用

視覺(jué)參照系[5]即能夠?yàn)槿颂峁└鞣N視覺(jué)線索的信息總和,例如大小、顏色、對(duì)比度、明暗度、位置、運(yùn)動(dòng)情況等[6]。室內(nèi)照明區(qū)域視覺(jué)參照系是指當(dāng)人處在當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中時(shí),通過(guò)自身的感受對(duì)照明信息進(jìn)行判斷從而得到的信息。依據(jù)馬斯洛需求層次理論,得到人們對(duì)室內(nèi)照明的需求層次,如圖1所示。

圖1 人們對(duì)室內(nèi)照明的需求層次圖

2.1 室內(nèi)自然光衰減

因?yàn)樘?yáng)光在傳播過(guò)程中會(huì)有一定程度的衰減,所以太陽(yáng)光用于室內(nèi)照明時(shí)要對(duì)其衰減情況進(jìn)行分析,從而得到室內(nèi)各個(gè)區(qū)域的自然光照情況[7]。

2.2.1 兩種太陽(yáng)光類(lèi)型

可被室內(nèi)照明利用的自然光有兩種,分別為太陽(yáng)直射光和太陽(yáng)散射光,其中,太陽(yáng)直射光的光照度較強(qiáng)且具有方向性,太陽(yáng)散射光不具有方向性且光照度低于太陽(yáng)直射光。在陰雨天時(shí),太陽(yáng)直射光無(wú)法到達(dá)地球表面;在天氣晴朗時(shí),兩種太陽(yáng)光在經(jīng)過(guò)衰減后都能夠到達(dá)室內(nèi),設(shè)室內(nèi)某處由太陽(yáng)直射光產(chǎn)生照度值為Ezd,由太陽(yáng)散射光產(chǎn)生的照度值為Erd,則室內(nèi)自然光的光照度Es=Ezd+Erd。

2.2.2 兩種太陽(yáng)光衰減類(lèi)型

因?yàn)閮煞N太陽(yáng)光的衰減規(guī)律不同,所以在對(duì)室內(nèi)自然光的光照度進(jìn)行計(jì)算時(shí)要對(duì)兩種情況分別考慮[8]。以窗戶(hù)所在的墻面和與窗戶(hù)垂直的地面建立空間視覺(jué)參照系,其中選擇地面上合適點(diǎn)為坐標(biāo)軸原點(diǎn),選擇地面上與窗戶(hù)法線平行的過(guò)原點(diǎn)的線為x軸,選擇地面上與窗戶(hù)法線垂直的過(guò)原點(diǎn)的線為y軸,選擇窗戶(hù)所在墻面上與窗戶(hù)法線垂直的過(guò)原點(diǎn)的線為z軸。設(shè)太陽(yáng)散射光在通過(guò)寬為Y、高為H的窗戶(hù)進(jìn)入室內(nèi)落在桌面上的目標(biāo)點(diǎn)為T(mén)(x0,y0,z0),由此研究以下兩種太陽(yáng)光衰減類(lèi)型:

1)太陽(yáng)直射光衰減

太陽(yáng)直射光在進(jìn)入室內(nèi)后會(huì)在桌面留下光照度很強(qiáng)的一個(gè)范圍,該范圍不一定包含目標(biāo)點(diǎn)T(x0,y0,z0),但在經(jīng)過(guò)散射后會(huì)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生光照度。太陽(yáng)直射光在室內(nèi)留下的強(qiáng)光區(qū)域隨著入射角變化會(huì)產(chǎn)生改變,強(qiáng)光區(qū)域的中心點(diǎn)在所建視覺(jué)參照系的y軸方向移動(dòng),設(shè)太陽(yáng)直射光進(jìn)入室內(nèi)的方向角用α表示,地球正南方與窗戶(hù)法線的夾角用αb表示,移動(dòng)距離用Δy表示,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到太陽(yáng)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(hù)朝向與α的關(guān)系如下

(2)

其中,Ezz為光照度,Ez為α=0時(shí)的光照度。強(qiáng)光區(qū)域的中心點(diǎn)在y軸方向移動(dòng)的同時(shí)在x軸方向同樣發(fā)生移動(dòng),設(shè)桌面與窗戶(hù)下沿的垂直高度為ht,窗戶(hù)上下沿在桌面投影與窗戶(hù)所在墻面的垂直距離分別為d1、d2,對(duì)d1、d2進(jìn)行計(jì)算

(3)

在實(shí)際情況中太陽(yáng)會(huì)相對(duì)于地面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)且室內(nèi)環(huán)境要更加復(fù)雜,太陽(yáng)直射光不一定會(huì)按照設(shè)定完整地落在桌面上,所以還需利用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。

根據(jù)太陽(yáng)直射光在室內(nèi)形成的強(qiáng)光照范圍是否包含目標(biāo)點(diǎn)將光照度分為兩種情況討論:

①光照度范圍包含目標(biāo)點(diǎn)

設(shè)Yw為距離z軸較近窗側(cè)沿到z軸的距離,則有d1≤x0≤d2,Yw-Δy≤y0≤Yw-Δy+Y。因?yàn)樘?yáng)直射光方向性較強(qiáng),光在傳播時(shí)衰減較弱,所以設(shè)定該強(qiáng)光照范圍內(nèi)接收到的光通量總值保持不變,由于太陽(yáng)直射光與地面法線存在夾角,光照度Ezz因此發(fā)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(biāo)點(diǎn)

在光照度范圍不包含目標(biāo)點(diǎn)T的情況下,點(diǎn)T受到太陽(yáng)直射光的反射影響,強(qiáng)光照范圍可以看作余弦輻射體,設(shè)該強(qiáng)光范圍的反射比用μ表示,則點(diǎn)T受到太陽(yáng)直射光的照度為

(4)

2)太陽(yáng)散射光衰減

因?yàn)樘?yáng)散射光不具有方向性,所以窗戶(hù)可以看成余弦輻射體,設(shè)輻射的強(qiáng)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(cè)試點(diǎn)的地理緯度用φ表示,隨機(jī)選取窗戶(hù)上的一點(diǎn)坐標(biāo)為(0,y,z),得到點(diǎn)光源ΔAx在距離l處的光照度E和窗戶(hù)發(fā)光處光照度Er如下

(5)

(6)

結(jié)合式(6),得到整個(gè)窗戶(hù)在目標(biāo)點(diǎn)處的光照度Erd和窗戶(hù)上點(diǎn)(0,y,z)在目標(biāo)點(diǎn)處的光照度Erd0如下

(7)

2.2 百葉角度對(duì)室內(nèi)自然光的調(diào)節(jié)

百葉窗通過(guò)對(duì)自身的調(diào)節(jié)改變自然光到達(dá)室內(nèi)的總量,結(jié)合太陽(yáng)直射光的方向計(jì)算控制百葉的遮擋[10],設(shè)太陽(yáng)直射光與墻面法線夾角用h1表示,sinh1=sinγs/cosα,葉片數(shù)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(kāi)度用β表示,H1=H·cosβ·|tanh1|-H·sinβ,室內(nèi)受到太陽(yáng)直射光的有效照射面積為S1=n·L·(H-H1),受到太陽(yáng)散射光的有效照射面積為S2=n·L·H·(1-|sinβ|),將太陽(yáng)直射光平均化后得到在目標(biāo)點(diǎn)T處的照度E1=S1/S·Ezd,太陽(yáng)散射光在目標(biāo)點(diǎn)T處的照度E2=S2/S·Erd。

3 室內(nèi)照明區(qū)域控制

3.1 配燈數(shù)選擇

自然光通常無(wú)法完全滿(mǎn)足室內(nèi)的照明需求,所以還需對(duì)室內(nèi)燈具進(jìn)行考慮?；谝曈X(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法利用系數(shù)法對(duì)室內(nèi)的配燈數(shù)進(jìn)行選擇,系數(shù)法將室內(nèi)墻面與棚頂作為反射面的照明場(chǎng)景[11],設(shè)配燈數(shù)用u表示,照度維護(hù)系數(shù)用K表示,每盞配燈的光源光通量和用Φ表示,該場(chǎng)景照度Eav=ΦunK/S,由此得到所需配燈數(shù)的取值。

將房間分為室內(nèi)、地板和棚頂三個(gè)空間,設(shè)室內(nèi)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(nèi)空間比、地板空間比以及棚頂空間比分別為

(8)

照明燈發(fā)出的光有一部分被棚頂所吸收,另外部分由照明燈發(fā)光面射出。設(shè)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(shù)平均數(shù),得到頂棚空間的有效反射系數(shù)計(jì)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(lèi)似,利用棚頂空間有效反射系數(shù)計(jì)算方法結(jié)合實(shí)際情況可以得到地板空間和墻面的有效反射系數(shù)[12]。

3.2 配燈照度計(jì)算

因?yàn)檎彰鳠舻某叽缗c其照射表面的距離相差較大,所以照明燈可以看成是一個(gè)點(diǎn)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(jié)合圖2得到照明燈在法向面上的照度En=1/d2,依據(jù)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(dāng)在任意面W與法向面N之間的夾角為β時(shí),任意面W上的照度EW=Encosβ。

3.3 室內(nèi)照明控制算法

分別通過(guò)光學(xué)傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識(shí)別方法對(duì)照明均一性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)節(jié)和輸出調(diào)節(jié),獲取能量譜特征量以及透射峰值。

通過(guò)光學(xué)傳感器跟蹤識(shí)別進(jìn)行均一性調(diào)節(jié)計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矩陣Rx(γ0)。

在室內(nèi)照明分布均勻的情況之下,以單條窄光所在空間建立坐標(biāo)系,通過(guò)透射能帶譜方式對(duì)照明均一性進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,結(jié)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(guò)上述過(guò)程,完成基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域的智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法的有效性,需要對(duì)基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法進(jìn)行測(cè)試。

4.1 控制精度測(cè)試

對(duì)基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行不同迭代次數(shù)條件下的控制精度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖3所示:

圖3 控制精度檢測(cè)結(jié)果

由圖3可以看出,所提方法的控制精度在不同迭代次數(shù)條件下均高于文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法,因?yàn)樗岱椒ㄍㄟ^(guò)光學(xué)傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識(shí)別方式對(duì)室內(nèi)照明控制的均一性進(jìn)行了調(diào)節(jié),有效地提高了室內(nèi)照明控制精度。

4.2 動(dòng)態(tài)采光水平測(cè)試

對(duì)基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的動(dòng)態(tài)采光水平進(jìn)行測(cè)試,計(jì)算一個(gè)月內(nèi)不同測(cè)試點(diǎn)的不同照度出現(xiàn)的概率,其中,300lx以上為有效照度。測(cè)試結(jié)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(duì)自然光的有效利用量高于方法2和方法3,說(shuō)明所提方法在保持優(yōu)質(zhì)的照明體驗(yàn)感同時(shí)踐行了綠色環(huán)保的理念。

4.3 節(jié)電率測(cè)試

利用基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法分別對(duì)該室內(nèi)照明區(qū)域進(jìn)行控制,分別計(jì)算在連續(xù)一周內(nèi)三種方法的節(jié)電率,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 節(jié)電率檢測(cè)結(jié)果

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

5 結(jié)束語(yǔ)

照明在科技進(jìn)步中逐漸走向成熟,在未來(lái)的照明發(fā)展中,挖掘照明的潛在價(jià)值、追求照明更高層次體驗(yàn)、讓照明與人類(lèi)共生將成為更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。在感性化的社會(huì)之中,室內(nèi)照明控制更要從人的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),所以視覺(jué)參照系重構(gòu)在室內(nèi)照明區(qū)域控制中是必不可少的一環(huán)。

目前室內(nèi)照明區(qū)域控制方法存在控制精度和節(jié)電率低、動(dòng)態(tài)采光水平差的問(wèn)題。提出基于視覺(jué)參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法,首先研究分析自然光的衰減情況,結(jié)合研究結(jié)果合理地調(diào)節(jié)百葉窗角度,然后通過(guò)計(jì)算選定合適的配燈數(shù),最后根據(jù)配燈照度值調(diào)節(jié)室內(nèi)照明控制的均一性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提方法可以有效地提高控制精度、節(jié)電率和動(dòng)態(tài)采光水平,為室內(nèi)照明區(qū)域控制在未來(lái)能夠有更好地發(fā)展奠定基礎(chǔ)。