ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЯРКОСТИ И ЦВЕТНОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ СВЕТОЦВЕТОВОЙ
СРЕДЫ ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕКТОВ
С.М. Гвоздев, О.К. Кущ, А.А. Ливенцова
Московский Энергетический Институт (Технический университет),
Всероссийский научно-исследовательский светотехнический институт, г. Москва, Россия,
Рассмотрена методика расчета фотометрических параметров светоцветовой среды,
апробированная в программе МАРС-500, основанная на восстановлении распределения
яркости среды по интегральным характеристикам. Использование многоканальной модели
органа зрения позволяет определить критерии зонального управляемого освещения,
обеспечивающего работоспособность и комфортность.
В условиях длительного пребывания человека в замкнутом пространстве, таком
например, как пилотируемые космические корабли, светоцветовая среда является одним из
главных компонентов жизнедеятельности человека [1,2]. Развитие систем интеллектуального
освещения позволяет нам разработать новые технологии управления световой средой для
создания зонального освещения в космических пилотируемых аппаратах с учетом
психофизиологического состояния человека [3,4].
Для управления светоцветовой средой нами использована инженерная математическая
многоканальная модель органа зрения, учитывающая распределение яркости и цветности.
Критерием оценки освещения может служить видимость, основанная на измерении текущей
пороговой разности яркости (контрастной чувствительности) на различных цветовых
составляющих. Расчет видимости при использовании многоканальной модели органа зрения
основан на пространственно-частотном анализе распределения яркости и цветности.
При работе оператора в замкнутом пространстве в условиях длительного полета особую
важность имеет зрительная работоспособность. Огромное влияние на зрительную
работоспособность оказывает распределение яркости и цветности в объеме используемого
пространства. Для создания необходимого (рассчитанного с помощью модели) распределения
была разработана методика восстановления распределения яркости среды по интегральным
характеристикам.
В рамках программы МАРС 500 с изоляцией оператора была разработана и
апробирована методика расчета параметров светильников для обеспечения необходимых
светотехнических характеристик на рабочей плоскости. Распределение яркости и цветности
задавалось на основе экспериментальных исследований цветовых пространственночастотных характеристик органа зрения оператора и расчетной программе на основе модели
органа зрения. В соответствии с полученными расчетными данными для регулирования
фотометрических параметров светильников было подготовлено автоматическое
программное обеспечение.
Управление по программе позволяло автоматически регулировать светоцветовую
среду в соответствии с изменением пороговых характеристик органа зрения испытателей и в
зависимости от зоны деятельности оператора. Одновременно с определением контрастной
чувствительности исследовались физиологические параметры оператора и зрительная
работоспособность, что позволило получить дополнительные сведения о взаимосвязи
пороговой разности яркости с измеряемыми характеристиками световой среды.
Для этого перед регулированием освещения оператору предлагался визуальный тест на
заранее отградуированном мониторе компьютера (рис.1). Определялась пороговая разность
яркости на заданной пространственной частоте, яркости и на трех цветах с заданными
координатами цветности (красном, синем, зеленом). Результаты тестирования автоматически
292
обрабатывались по различию среднестатистических параметров, определенных в
лабораторных условиях и параметров, полученных после проведения тестирования. По
полученным индивидуальным значениям производилась автоматическая корректировка
яркости и цветности светодиодов на управляемых светильниках, что создавало наилучшие
комфортные условия зрительной работы оператора.
3
2
1
Рисунок 1. Фотография экспериментальной установки: 1 – рабочий стол, 2 – монитор
компьютера, 3 – лабораторный светильник.
Для точного расчета фотометрических параметров была разработана методика расчета,
которая позволяет, при известной КСС светильника рассчитать осветительную систему для
заданной светоцветовой среды (в зависимости от результатов тестирования оператора).
Разработанная методика восстановления яркости использует интегральные характеристики –
силы света I или освещенности E. Для расчета требуется нахождение уравнения для
определения яркости известных тел источников света (в частности – по кривой силы света).
Зададим область в 5-х мерном пространстве Ω(P,M), где P - точка на поверхности
источника света (ИС), определяемая сферическими координатами (r, θ, ψ) (рис2), M - точка,
определяющая направление наблюдения, задаваемая углами (α,β), при этом яркость по лучу
зависит как от положения точки на источнике, так и от направления луча наблюдения [5].
Z
n̂
n̂
â
β
α
α
â
М
γ
θ
lˆ
P
β
r
Y
∞
X1
ψ
X
Рисунок 2. Иллюстрация к выводу уравнения для определения индикатрисы яркости для всего
источника или распределения яркости по поверхности
293
Y1
Тогда сила света в направлении M определяется выражением
J ( M ) = ∫ K ⋅ L( P)ds( P )
(1),
где под интегралом стоит скалярное произведение вектора
нормали в точке P- nˆ( P)
наблюдения â(M) и вектора
K = (nˆ ( P ), aˆ ( M ))
(2)
L (P) – яркость элемента поверхности источника
d s ( P ) – площадь элемента поверхности ИС
Уравнение (1) – однородное интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода с ядром
K(P,M), решаемое относительно яркости L(P) [6].
Уравнение (1) можно также переписать в виде
J ( M ) = ∫ K ⋅ L( P ′)ds ( P ′)
(3),
где - в соответствии с принципом Максвелла (или законом Манжена) [7] интегрирование
производится по площади выходного зрачка Ω' и яркость L(P') относится к соответствующей
точке выходного зрачка P'.
В общем случае яркость элемента определяется как
L( P) = L0 ( P) ⋅ l ( P)
(4),
где L0(P)- распределение яркости по поверхности источника, l(P)- индикатриса яркости в точке
P.
Из уравнения (1) или (3) можно [6] получить значение яркости (4), из которого можно
определить индикатрису яркости для всего источника или распределения яркости по
поверхности.
В работе [4] приведено выражение, которое характеризует взаимосвязь интегральной
характеристики Е светового поля и функцией распределения освещенности или яркости в
пространстве. Для всего пространства, не ограниченного зональной симметрией оно может
быть записано как:
E (r , p0 ) =
∫ L( p ) ⋅ f ( p ⋅ p
0
)dω
(5)
4π
f ( p ⋅ p 0 ) - пространственная функция ценности излучения, по произвольному
направлению единичного вектора p с освещенностью L( p ) по направлению
фиксированного единичного вектора p0 или другими словами фотометрическая поверхность
(при наших расчетах она задана).
Важный частный случай, когда наша осветительная установка состоит из одинаковых
светильников с известными КСС расположенными периодически с неким шагом (который
нам необходимо определить при проектировании). Тогда мы можем представить суммарное
распределение яркости в пространстве Ls как
где
N
Ls ( x, y , z ) = ∑ δ ( x − b ⋅ j , y − c ⋅ j ) L ( x, y , z )
(6)
j =0
где b,c – шаг между светильниками по х и у, L( x, y, z ) - тело яркости одного светильника.
К распределению яркости на любой поверхности, учитывая восприятие объектов и
уровень видимости (на основе распределения яркости и показателя видимости можно
уточнить расчет) можно перейти как
294
LRGB ( x, y ) = ( E s ( x, y, z ) ∗ β R ( x, y ) + E s ( x, y, z ) ∗ β G ( x, y ) + E s ( x, y, z ) ∗ β B ( x, y ))π −1 (7)
где β R ( x, y ), β G ( x, y ), β B ( x, y ) - коэффициент яркости красного, зеленого и синего света
для выбранной поверхности; * - знак свертки; E s - суммарное распределение освещенности в
пространстве (задается по результатам тестирования). Полученное распределение яркости
определяет характеристики поля адаптации наблюдателя.
Из совокупности выражений (5, 6, 7), задавая КСС светильника, коэффициенты яркости
поверхностей в данном помещении (стен, потолка, пола) для трех цветов (красного, зеленого и
синего), светотехнические характеристики на заданной рабочей поверхности, видимость
необходимую для данного вида деятельности и т.д. мы можем узнать параметров
осветительной системы для обеспечения высокого уровня работоспособности и
комфортности.
По данным же полученными в 105 суточном этапе МАРС-500, цветности освещения
смещались в красную область и для каждого наблюдателя образовывали зону «комфорта», в
которой у операторов увеличивалась работоспособность. В свою очередь, случайно заданные
координаты цветности освещения при проведении тестирования, не попадающие в область
«комфорта» для данного наблюдателя, приводили к снижению его работоспособности. Это
свидетельствовало о необходимости (для поддержания работоспособности операторов)
приближения освещения замкнутого пространства в части цветности излучения
к
естественному, содержащему большой объем излучения в красной области спектра [4].
Предварительные данные эксперимента МАРС-500 (таблица 1) показали, что у всех
наблюдателей показатели зрительной работоспособности значительно не изменились, так же
им не понадобилось и изменение спектральных характеристик освещения. Это объясняется
тем, что первое исследование проводилось в первые недели эксперимента и у операторов еще
не наблюдалось ни физической, ни психологической усталости.
Таблица 1
Оператор
предъявление
5001
белый
контрастная
чувствительность, r, g, b,
кд/м2
5002
цветной
8.6; 5.8; 6.4
белый
5003
цветной
10.9; 7.2; 7.3
белый
цветной
11.9; 8.1; 9.6
координаты цветности
освещения, x, y
0.33, 0.34
0.31, 0.32
0.33, 0.34
0.3, 0.32
0.33, 0.34
0.31, 0.33
показатель точности
работы А
средний
средний
высокий
средний
выше
среднего
выше
среднего
показатель скорости
переработки информации S
высокий
высокий
выше
среднего
высокий
выше
среднего
выше
среднего
показатель продуктивности
работы P
средний
средний
низкий
средний
средний
средний
зрительная
работоспособность
3
3,1
2,6
3
2,5
2,6
По описанной выше методике был проведен расчет геометрических характеристик
установки (расстояние от стола до светильника, расстояние между светильниками, расстояние
до монитора и т.д.), так что бы обеспечивалось равномерная постоянная яркость экрана 60
кд/м2, с заданными в зависимости от результатов тестирования координатами цветности (при
этом учитывался спектр и яркость постоянно работающего дежурного освещения) (рис.3). Так
же в результате расчетов была получена индикатриса яркости светодиодного светильника
(рис. 4).
295
Светильник
светильник
Уровень глаз
оператора
34 см.
100 см.
Линия зрения
Поверхность рабочего
стола
56 см.
65 см.
Кресло оператора
Монитор
оператор
монитор
Поверхность рабочего
стола
Рисунок 3. Схема расположения настольных светильников на основе светодиодов для
проведения экспериментальных исследований.
I, кд
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
γ , град.
индикатриса яркости
Рисунок 4. индикатриса яркости настольного светильника на основе светодиодов
Исследования показали, что по интегральным характеристикам возможно
восстановление распределения яркости среды. А на базе математической многоканальной
модели органа зрения можно создать энергоэффективное зональное управляемое освещение,
позволяющее в рабочей зоне увеличить зрительную работоспособность космонавтов.
Методика позволила осуществить индивидуальную психофизиологическую настройку
светоцветовой среды, обеспечивая тем самым комфортное состояние в зоне отдыха и
повышение работоспособности в рабочей зоне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Воут Ван Боммель, Динамичное освещение рабочих помещений - по уровню
1.
освещенности и цвету, Светотехника, №6, стр. 15-18, 2006г.
Беляев Р.И., Леонов А.В., Оптимизация параметров внутреннего освещения
2.
орбитальных космических станций, Светотехника, № 4, стр. 12-15, 2007г.
Гвоздев С.М. Интеллектуальное освещение, Коммунальный комплекс России, №5 (59),
3.
стр. 64-69, 2009 г.
Богатова Р.И. и др. Влияние пространственно-частотных характеристик органа зрения на
4.
психофизиологическое состояние человека и его работоспособность, Авиакосмическая и
экологическая медицина, №3 стр. 24 -28, 2009 г
Kusch O. Computer-aided optical design of illuminating and irradiating devices, "ASLAN",
5.
Moscow, 1993, 192 с.
А. Б. Васильева, Н. А. Тихонов, Интегральные уравнения, М, Физматгиз, 2004 г, 159 с.
6.
Карякин Н.А., Световые приборы, М, Высшая школа,1975 г, 335 с.
7.
Швецов С.Г. , автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
8.
технических наук «Исследование и разработка осветительных установок на заданную
структуру светового поля для селекции растений», Москва, МЭИ, 1983, 20 с.
296