一种表征空间光环境感知亮度的方法

本发明属于光环境中的人眼视觉感知领域，涉及光环境中的亮度与人眼视觉的关系，还涉及空间光环境的设计等。

背景技术：

1、随着现代化飞速发展和人们生活质量不断提升，人们对于健康舒适光环境的需求也不断提高；同时，合理并充分有效表征光环境也一直是科研研究领域的一个重要方向。光环境的表征所需要的参数有很多，如：照度、亮度、色温、颜色以及频闪和眩光等。而表征光环境中明暗的参数照度和亮度，是各类场合对光环境的参数最基本要求，也是反应人们视觉处理各类事务的重要需求，这就要求光环境设计人员在设计时就要利用公式计算、软件模拟等手段将这些参数控制在合理的范围之内。然而，从照度的定义中可以发现照度仅仅表示的是被照面所接受的光的数量，从一定程度上来说只能够间接地反映光环境的明暗，却不能准确地描述光环境被感知到的明暗程度。因为，不同表面反射率的物体拥有相同的表面照度，人眼所看到的亮度是不一样的；所以，照度作为表征光环境明暗的参数并不能满足健康光环境设计的需求，因此需要用亮度进一步表征光环境明暗，才能完全反应人眼对于空间明暗的感知。而用亮度去表征光环境会存在理论计算复杂、测量仪器限制和光环境模拟设计困难等问题，因此本发明从这些问题出发，提出了一种用于表征空间光环境的亮度计算方法，从而更方便的利用亮度去表征光环境。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是为了针对基于照度的光环境表征方法不能准确地描述光环境被感知到的明暗程度和用亮度去表征光环境会存在理论计算复杂、测量仪器限制与光环境模拟设计困难等问题，提出了一种表征空间光环境亮度的方法。利用亮度计算中所涉及到的各种物理参数和计算方法，根据各种参数之间的关系推导亮度计算方程。通过人眼视觉感知分析光线在空间中与物体表面的交互的过程，从光源的光线出发，经过物体表面发生多次反射、折射最终到达人眼的物理过程，并结合亮度计算方程，将建立好的光环境空间明暗感知的亮度计算方法，并利用软件程序平台优化实现，使得该表征方法方便可行，可以为光环境设计人员提供更能反映人眼视觉特性的设计指导；从而使得在满足各类功能需求的同时，也能实现健康舒适的需求。

2、技术方案：

3、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

4、一种表征空间光环境感知亮度的方法，包括如下步骤：根据实际场景搭建物理场景，物理场景中有视平面、具有材质信息的物体和用来模拟人眼、采集光线的光探测器模块；确认计算区域；完成光线采样，并确认光源位置；根据亮度计算方程计算人眼在计算点p的感知亮度值；所述亮度计算方程为：

5、

6、式中，ωi是第i光线的空间立体角，是空间立体角的角度范围；lei(p,ω0,λ)为入射光谱辐亮度，θi为入射光线与法线之间的夹角，fγ(p,ωi,ω0,λ)为描述物体表面对任意方向的入射光线在任意方向的光谱反射率，λ表示波长。

7、优选的，对于计算点p，沿着法线所在半空间进行光线采样。

8、优选的，光线采样采用反向光线追踪方法，线从人眼出发，反向追踪进入人眼的光线有哪些，如果该光线刚好是光源直接发射出的光线，则追踪结束，如果该光线是空间内其他反射面反射至p点的光线，则进一步追踪该光线的来源，直至追踪次数达到程序设置的阈值或者追踪到光源，本次对p点的亮度计算光线传输过程追踪结束，在追踪光线传输路径的同时，程序记下光线所经过所有反射面的散射分布。

9、优选的，光线采样反复通过递归办法判断其是否达到递归深度，来进行反复采样，与物体执行相交计算确定第二次计算区域，直到该采样光线亮度为0。

10、优选的，视平面上每个点的光谱辐亮度数据入人眼的辐亮度值和人眼感知到的亮度值计算公式如式(2)和(3)所示：

11、

12、

13、其中，km表示为明视觉条件下最大光谱视觉效能，v(λ)表示每瓦单光谱辐通量可以转化为多少流明的单光谱光通量。

14、本发明还提供一种表征空间光环境感知亮度的系统，包括相机计算模块、光线追踪模块、材料模型模块、亮度计算模块、触发目标物体模块和材料光线散射模块，通过反向光线追踪触发追踪机制和亮度计算的反馈进行各模块之间的运行；

15、所述相机计算模块用于模拟人眼，来捕捉场景中进入人眼的光线；

16、所述光线追踪模块用于实现亮度计算；

17、所述材料模型模块用于确定光线在物体表面的反射情况；

18、所述亮度计算模块用于计算光线从不同方向上照射到物体上的光谱辐亮度；

19、所述触发目标物体模块用于计算物体的组合与仿射变换过程；

20、所述材料光线散射模块用于计算光线从光源出发，经过物体表面发生多次反射、折射最终到达人眼的物理过程。

21、有益效果：本发明采用以上表征方案与现有方案相比，具有以下优点：

22、本发明提供了一种表征空间光环境感知亮度的方法，相较于基于照度的光环境表征方法可以发现照度仅仅表示的是被照面所接受的光的数量，不能准确地描述光环境被感知到的明暗程度。然而，亮度才能准确地反映光环境的明暗信息，因为明暗是人眼的感知，只有足够多数量的光线进入人眼，空间才能够被感知为明亮，因此，可以更好的表征人们所处空间的光环境情况。本发明方法能准确求解光环境中的亮度信息，对于利用亮度作为光环境设计要素提供很大帮助，可以实现光环境设计要求的快速、准确地对光环境中的亮度数据进行模拟计算。本发明同时能更加反映人眼视觉感知与光环境之间的关系，方便感知亮度和视觉舒适度等主观参量的研究。

技术特征：

1.一种表征空间光环境感知亮度的方法，其特征在于，包括如下步骤：根据实际场景搭建物理场景，物理场景中有视平面、具有材质信息的物体和用来模拟人眼、采集光线的光探测器模块；确认计算区域；完成光线采样，并确认光源位置；根据亮度计算方程计算人眼在计算点p的感知亮度值；所述亮度计算方程为：

2.根据权利要求1所述的一种表征空间光环境感知亮度的方法，其特征在于，对于计算点p，沿着法线所在半空间进行光线采样。

3.根据权利要求1所述的一种表征空间光环境感知亮度的方法，其特征在于，光线采样采用反向光线追踪方法，线从人眼出发，反向追踪进入人眼的光线有哪些，如果该光线刚好是光源直接发射出的光线，则追踪结束，如果该光线是空间内其他反射面反射至p点的光线，则进一步追踪该光线的来源，直至追踪次数达到程序设置的阈值或者追踪到光源，本次对p点的亮度计算光线传输过程追踪结束，在追踪光线传输路径的同时，程序记下光线所经过所有反射面的散射分布。

4.根据权利要求1所述的一种表征空间光环境感知亮度的方法，其特征在于，光线采样反复通过递归办法判断其是否达到递归深度，来进行反复采样，与物体执行相交计算确定第二次计算区域，直到该采样光线亮度为0。

5.根据权利要求1所述的一种表征空间光环境感知亮度的方法，其特征在于，视平面上每个点的光谱辐亮度数据入人眼的辐亮度值和人眼感知到的亮度值计算公式如式(2)和(3)所示：

6.一种表征空间光环境感知亮度的系统，其特征在于，包括相机计算模块、光线追踪模块、材料模型模块、亮度计算模块、触发目标物体模块和材料光线散射模块，通过反向光线追踪触发追踪机制和亮度计算的反馈进行各模块之间的运行；

技术总结
本发明公开了一种表征空间光环境亮度的方法。通过设计和建立不同典型的光环境空间及其光源类型和主要物体表面材质等，利用亮度计算中所涉及到的各种物理参数和计算方法，根据各种参数之间的关系推导亮度计算方程，并且对亮度计算方程提出计算方法。通过人眼视觉感知分析光线在空间中与物体表面的交互的过程，从光源的光线出发，经过物体表面发生多次反射、折射最终到达人眼的物理过程，并结合亮度计算方程，将建立好的光环境空间明暗感知的亮度计算方法，利用软件程序平台优化实现。因此，本发明提出的方法将有助于光环境设计人员更好设计出舒适合理的光环境，同时有助于科研人员进一步研究人眼视觉亮度与光环境之间的关系。

技术研发人员：张宇宁,何乃龙,王威,黄辰宇,王保平
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13