安 軍，范勁松，王淦鵬

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可視化照明分析的設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究

安 軍1，范勁松2，王淦鵬1

(1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000； 2. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000)

在照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中光學(xué)性能是非常重要的一個(gè)因素，當(dāng)前照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中主要關(guān)注于外形、結(jié)構(gòu)、材料和宜人性等因素，缺少在設(shè)計(jì)過程中充分考慮產(chǎn)品照明效果和光學(xué)性能的有效辦法。為此，提出一種基于DIALux光學(xué)仿真分析的照明產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)產(chǎn)品的虛擬使用環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，根據(jù)特定光源的配光參數(shù)和照明屬性，進(jìn)行照明效果的仿真計(jì)算和分析，以確定最佳的光源位置與角度，從而構(gòu)建一個(gè)可以指導(dǎo)照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品原型。依據(jù)該原型，可以保證后續(xù)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案在照明特性方面合理性。該設(shè)計(jì)方法還可以用來對(duì)已有的設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品進(jìn)行照明性驗(yàn)證分析，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題并提出改進(jìn)建議。

設(shè)計(jì)創(chuàng)新；照明分析；產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

人們?cè)谌粘Ｉ钪卸茧x不開照明，許多科學(xué)研究證明，照明的性質(zhì)會(huì)在很大程度上影響人的心理甚至是生理反應(yīng)[1]。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，市場(chǎng)上的照明產(chǎn)品已從傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈向更加綠色環(huán)保的LED發(fā)展，大多數(shù)的燈具產(chǎn)品已經(jīng)普遍采用LED發(fā)光器件。但是相應(yīng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平仍然需要進(jìn)一步提高[2-3]。

目前，照明產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)可歸納為[4-6]：

(1) 設(shè)計(jì)的思路與方法仍然沿襲著傳統(tǒng)光源的方式。圖1(a)為L(zhǎng)ED產(chǎn)品，其不僅采用了與傳統(tǒng)白熾燈泡(圖1(b))相同的接口方式，也模仿了其外觀形態(tài)。

圖1 LED球形燈與傳統(tǒng)白熾燈泡

(2) 沿襲一般的產(chǎn)品開發(fā)流程。對(duì)新光源產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，該流程在照明設(shè)計(jì)方面缺乏足夠的研究與探索，對(duì)于光源的照明特性和照明效果沒有做深入的研究[7]。

(3) 設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造嚴(yán)重脫節(jié)。由于LED產(chǎn)品的特殊屬性，工業(yè)設(shè)計(jì)師需要對(duì)照明設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)、散熱結(jié)構(gòu)等有所了解，但遺憾的是目前國(guó)內(nèi)工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)缺乏對(duì)上述知識(shí)的了解。從而導(dǎo)致不少設(shè)計(jì)方案未能與實(shí)際生產(chǎn)制造接軌，淪為“紙上的設(shè)計(jì)”。

中國(guó)科學(xué)院、工程院兩院院士路甬祥[8]指出創(chuàng)新的內(nèi)涵已經(jīng)不僅僅是核心技術(shù)的創(chuàng)新，還包括以工業(yè)設(shè)計(jì)為代表的集成式設(shè)計(jì)創(chuàng)新。由于照明產(chǎn)品特殊性，照明性能也是產(chǎn)品功能的重要方面。目前國(guó)家對(duì)于不同類別燈具的照明性能都有規(guī)范性的要求，因此產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新也應(yīng)該考慮產(chǎn)品的照明要求[9-10]。

1 照明分析和照明設(shè)計(jì)

1.1 照明分析與設(shè)計(jì)的作用和意義

國(guó)際照明協(xié)會(huì)(Commission Internationale de L'Eclairage，CIE)對(duì)燈具的定義為：燈具是對(duì)一個(gè)或多個(gè)光源發(fā)出的光線進(jìn)行重新分配、過濾或轉(zhuǎn)化的器具。因此在設(shè)計(jì)中充分考慮光源的光學(xué)性質(zhì)，開展照明分析與設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

照明分析與設(shè)計(jì)就是利用光學(xué)原理對(duì)光源的光線傳播、亮度、顯色等特性進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算與分析，使照明產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)的光照環(huán)境和舒適的視覺照明需求。

1.2 照明分析與設(shè)計(jì)的作用和意義

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助照明設(shè)計(jì)成為了越來越成熟的手段。借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，設(shè)計(jì)師能快速的對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行照明計(jì)算，還能實(shí)現(xiàn)基于照明效果的仿真場(chǎng)景渲染。

德國(guó)DIAL公司的DIALux是一款應(yīng)用廣泛的集專業(yè)光學(xué)分析、場(chǎng)景建模、數(shù)據(jù)輸出于一體的光學(xué)仿真分析軟件。其可以輸入外部軟件構(gòu)造的照明環(huán)境模型，也可以自行搭建照明場(chǎng)景，利用軟件自帶的大量照明產(chǎn)品的光學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行照明分析與仿真。DIALux的仿真計(jì)算準(zhǔn)確，可以輸出多種形式的分析數(shù)據(jù)，比如計(jì)算點(diǎn)清單、工作面清單、灰階/彩色等照度圖、點(diǎn)照度圖、燈具資料、家具配置圖等大量圖表數(shù)據(jù)等。該分析工具的另一大特點(diǎn)是開放性強(qiáng)，各個(gè)制造廠家都可以將自己產(chǎn)品的光學(xué)數(shù)據(jù)以IES文件格式導(dǎo)入DIALux進(jìn)行分析與仿真[11]。

利用DIALux軟件的分析結(jié)果可以很好地為照明產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和科學(xué)的依據(jù)，使創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以和照明分析深入地結(jié)合起來，保證后續(xù)的設(shè)計(jì)方案在光照特性方面的合理性。

2 基于照明數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程研究

基于照明分析的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 基于照明分析的產(chǎn)品開發(fā)流程

該流程的主要環(huán)節(jié)要完成以下任務(wù)：

(1) 虛擬照明環(huán)境的建立?；跓艟弋a(chǎn)品的使用場(chǎng)所構(gòu)建基本物理環(huán)境，確定虛擬人的工作姿勢(shì)，以及燈具具體的使用位置。通過光度學(xué)方面各項(xiàng)要求和標(biāo)準(zhǔn)確定出各計(jì)算元件及計(jì)算參數(shù)。

(2) 照明分析與產(chǎn)品原型。導(dǎo)入燈源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件，計(jì)算構(gòu)建環(huán)境的光度學(xué)數(shù)據(jù)，并篩選出符合設(shè)定條件的空間位置，依此確定照明產(chǎn)品光源的合適范圍，最終完成對(duì)產(chǎn)品原型的構(gòu)建。

(3) 基于產(chǎn)品原型的概念設(shè)計(jì)與樣機(jī)構(gòu)建。在產(chǎn)品原型指導(dǎo)下完成創(chuàng)意和概念設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品概念在結(jié)構(gòu)、功能、色彩、材料以及表面處理工藝等方面進(jìn)行深入設(shè)計(jì)，得到產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)。

(4) 光學(xué)仿真分析與評(píng)價(jià)。將產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)模型導(dǎo)入虛擬照明環(huán)境中，根據(jù)產(chǎn)品的光度學(xué)要求進(jìn)行仿真分析與評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)的結(jié)果反饋到產(chǎn)品概念開發(fā)等各階段，并找出問題的原因，對(duì)產(chǎn)品數(shù)字模型反復(fù)修改直至滿足光學(xué)性能需求。

3 讀寫臺(tái)燈產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)開發(fā)流程以讀寫臺(tái)燈的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例，研究和探討了基于光學(xué)分析的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，獲得了可以用于指導(dǎo)照明產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本方法。

3.1 照明性能要求

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《讀寫作業(yè)臺(tái)燈性能要求》(GB/T 9473-2008)[12]對(duì)臺(tái)燈的各項(xiàng)性能指標(biāo)都做了詳細(xì)的規(guī)定(表1)。并將標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)讀寫作業(yè)臺(tái)燈的光度學(xué)要求以圖3進(jìn)行表示，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的照度均勻度(最大值/最小值)不大于3。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩個(gè)照明等級(jí)，對(duì)于工作時(shí)間長(zhǎng)的推薦AA級(jí)的照度水平，此處采用A級(jí)照度水平。

表1 《讀寫作業(yè)臺(tái)燈性能要求》中照度及其均勻度要求

3.2 在DIALux中建立照明環(huán)境

在DIALux的制圖模塊中導(dǎo)入內(nèi)置的家具及物件，選擇適當(dāng)尺寸及造型的書桌放置入場(chǎng)景。最終置入書桌模型后的照明環(huán)境空間如圖4所示。

圖3 A級(jí)照度分布要求

圖4 DIALux中照明環(huán)境搭建

不同的燈具擁有不同的發(fā)光方式，其被叫做配光，一般用配光曲線圖來表示。以極坐標(biāo)配光曲線為例，通過光源中心的平面上不同角度的光強(qiáng)值或光強(qiáng)百分比表示。以角度為函數(shù)，將不同角度的光強(qiáng)值或光強(qiáng)百分比標(biāo)注出來，連接各標(biāo)注點(diǎn)就形成該光源的極坐標(biāo)配光曲線。圖5所示的是一款燈泡式LED燈(A型)的配光曲線。

圖5 燈泡式LED燈(A型)配光曲線

3.3 照明數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算

開展照明分析與計(jì)算的基本思路是將光源的配光數(shù)據(jù)導(dǎo)入DIALux中。再根據(jù)文獻(xiàn)[12]中讀寫作業(yè)臺(tái)燈光度學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)提供的照度推薦值，通過計(jì)算機(jī)模擬，計(jì)算出對(duì)應(yīng)光源被用作讀寫作業(yè)臺(tái)燈光源時(shí)發(fā)光點(diǎn)的適合高度范圍。結(jié)合燈具設(shè)計(jì)的基本規(guī)則，可以得出基于該光源讀寫作業(yè)臺(tái)燈產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原型。

在DIALux中將光源放在不同的空間位置，分別計(jì)算出各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的工作面照度信息。從計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，部分工作面照度情況無法滿足照度大于200 lx且照度均勻度不超過3的條件，因此將計(jì)算結(jié)果中可滿足工作面照度條件的各坐標(biāo)點(diǎn)高度范圍結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，通過OriginPro軟件得到推薦位置的三維散點(diǎn)圖(圖6)。

表2 光源發(fā)光點(diǎn)合適高度范圍

圖6 高度范圍三維散點(diǎn)圖

3.4 基于照明分析的設(shè)計(jì)原型

通過上述基于多條件約束下的光學(xué)仿真計(jì)算與分析，確定了針對(duì)特定的LED光源發(fā)光點(diǎn)在各位置坐標(biāo)上合適的高度范圍區(qū)間內(nèi)的離散點(diǎn)云。并通過擬合計(jì)算得出高度范圍的立體區(qū)間，再將其轉(zhuǎn)化為三維可視化模型，得到該光源條件下的照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型(圖7)，為后續(xù)的深化設(shè)計(jì)提供參考。

圖7 照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型

4 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)及照明仿真分析

4.1 基于產(chǎn)品原型的照明產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

以上述產(chǎn)品原型為基礎(chǔ)，通過頭腦風(fēng)暴、思維導(dǎo)圖等創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，提出了讀寫作業(yè)臺(tái)燈的概念設(shè)計(jì)方案(圖8(a))，然后在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)一步完成產(chǎn)品模型。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，三維數(shù)字模型只能參照概念設(shè)計(jì)中的草圖方案，而文中提出的基于產(chǎn)品原型的設(shè)計(jì)，可讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)前面照明分析得到的產(chǎn)品原型，更直觀地把握產(chǎn)品的尺寸與比例，從而確保設(shè)計(jì)方案模型能夠達(dá)到照明要求(圖8(b))。

4.2 燈具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的照明仿真與分析

在DIALux中將基于產(chǎn)品原型建立的數(shù)字化模型導(dǎo)入上述的模擬場(chǎng)景中進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，可進(jìn)一步驗(yàn)證其光度學(xué)性能和進(jìn)行工作面照度評(píng)價(jià)。

(1) 進(jìn)行臺(tái)燈的光度學(xué)性能評(píng)價(jià)分析。按照文獻(xiàn)[12]的照度試驗(yàn)描述放置臺(tái)燈位置，分別繪制計(jì)算元件并命名為“300 mm計(jì)算元件”以及“500 mm計(jì)算元件” (圖9)。其中，300 mm計(jì)算元件的平均照度值為405 lx，照度均勻度為2.18；500 mm計(jì)算元件的平均照度值為173 lx，照度均勻度為2.99，均滿足設(shè)定的A級(jí)照度標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 進(jìn)行工作面照度的評(píng)價(jià)分析。本示例臺(tái)燈的光源發(fā)光點(diǎn)高度為405 mm的工作面照度評(píng)價(jià)分析(圖10)，計(jì)算結(jié)果為平均照度值245 lx且照度均勻度為2.76，滿足作業(yè)面的照度要求。

圖8 產(chǎn)品概念及基于原型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

圖9 產(chǎn)品的光度學(xué)性能分析

圖10 產(chǎn)品的工作面照度分析

5 結(jié)束語(yǔ)

在照明產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，其前期就引入了照明分析與照明設(shè)計(jì)的概念和方法，在產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和現(xiàn)有產(chǎn)品分析中也采用了照明分析的技術(shù)方法來進(jìn)行研究，保證了工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與產(chǎn)品照明性能優(yōu)化的有機(jī)融合。本文實(shí)例驗(yàn)證了該方法可以很好地使產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案在照明特性方面充分滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)際工作中具有較好地推廣應(yīng)用價(jià)值。

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On Design Innovation in Visual Lighting Analysis

AN Jun1, FAN Jinsong2, WANG Ganpeng1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Foshan University of Science and Technology, Foshan Guangdong 528000, China; 2. School of Industrial Design and Ceramic Art, Foshan University of Science and Technology, Foshan Guangdong 528000, China)

The optical performance of lighting products plays an important role. The current industrial design of lighting products mainly focuses on the appearance, structure, material, and ergonomics, while calls for effective methods that can take into full account the lighting effects and optical performance during the design process. The method of design innovation for lighting products based on optical simulation using DIALux, is characterized with simulating the virtual environment of their use, and carry out calculations and analysis of lighting effects according to the specific light source distribution parameters and illumination properties to determine the best location and angle. Thus a prototype can be built and used as a guide for the design and development of lighting products. It can also ensure that subsequent design is reasonable in terms of lighting characteristics. This method can also be used for lighting verification analysis of existing designs and products, identifying problems in the design process and suggesting improvements.

design innovation; lighting analysis; product prototype design; conceptual design

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040684

A

2095-302X(2018)04-0684-05

2018-04-10；

2018-06-08

佛山市科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目(2016AG100321)；廣東省高校省級(jí)特色創(chuàng)新項(xiàng)目(2016KTSCX148)；佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(2015xzd01)

安 軍(1968-)，女，重慶人，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。E-mail：755612691@qq.com

范勁松(1968-)，男，貴州貴陽(yáng)人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閯?chuàng)新設(shè)計(jì)方法、圖形圖像處理等。 E-mail：691784516@qq.com