可視化照明分析的設計創新研究

安 軍，范勁松，王淦鵬

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可視化照明分析的設計創新研究

安 軍1，范勁松2，王淦鵬1

(1. 佛山科學技術學院機電工程學院，廣東 佛山 528000； 2. 佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院，廣東 佛山 528000)

在照明產品的設計中光學性能是非常重要的一個因素，當前照明產品的設計中主要關注于外形、結構、材料和宜人性等因素，缺少在設計過程中充分考慮產品照明效果和光學性能的有效辦法。為此，提出一種基于DIALux光學仿真分析的照明產品創新設計方法，通過對產品的虛擬使用環境進行計算機仿真模擬，根據特定光源的配光參數和照明屬性，進行照明效果的仿真計算和分析，以確定最佳的光源位置與角度，從而構建一個可以指導照明產品設計開發的產品原型。依據該原型，可以保證后續的設計創新方案在照明特性方面合理性。該設計方法還可以用來對已有的設計方案和產品進行照明性驗證分析，找出產品設計中的問題并提出改進建議。

設計創新；照明分析；產品原型設計；概念設計

人們在日常生活中都離不開照明，許多科學研究證明，照明的性質會在很大程度上影響人的心理甚至是生理反應[1]。隨著技術水平的發展，市場上的照明產品已從傳統的白熾燈、熒光燈向更加綠色環保的LED發展，大多數的燈具產品已經普遍采用LED發光器件。但是相應的產品創新設計水平仍然需要進一步提高[2-3]。

目前，照明產品的工業設計可歸納為[4-6]：

(1) 設計的思路與方法仍然沿襲著傳統光源的方式。圖1(a)為LED產品，其不僅采用了與傳統白熾燈泡(圖1(b))相同的接口方式，也模仿了其外觀形態。

圖1 LED球形燈與傳統白熾燈泡

(2) 沿襲一般的產品開發流程。對新光源產品設計而言，該流程在照明設計方面缺乏足夠的研究與探索，對于光源的照明特性和照明效果沒有做深入的研究[7]。

(3) 設計與生產制造嚴重脫節。由于LED產品的特殊屬性，工業設計師需要對照明設計、封裝技術、散熱結構等有所了解，但遺憾的是目前國內工業設計團隊缺乏對上述知識的了解。從而導致不少設計方案未能與實際生產制造接軌，淪為“紙上的設計”。

中國科學院、工程院兩院院士路甬祥[8]指出創新的內涵已經不僅僅是核心技術的創新，還包括以工業設計為代表的集成式設計創新。由于照明產品特殊性，照明性能也是產品功能的重要方面。目前國家對于不同類別燈具的照明性能都有規范性的要求，因此產品的工業設計創新也應該考慮產品的照明要求[9-10]。

1 照明分析和照明設計

1.1 照明分析與設計的作用和意義

國際照明協會(Commission Internationale de L'Eclairage，CIE)對燈具的定義為：燈具是對一個或多個光源發出的光線進行重新分配、過濾或轉化的器具。因此在設計中充分考慮光源的光學性質，開展照明分析與設計就顯得非常重要。

照明分析與設計就是利用光學原理對光源的光線傳播、亮度、顯色等特性進行科學的計算與分析，使照明產品能夠實現優質的光照環境和舒適的視覺照明需求。

1.2 照明分析與設計的作用和意義

隨著現代信息技術的不斷發展，利用計算機技術進行輔助照明設計成為了越來越成熟的手段。借助于計算機強大的計算能力，設計師能快速的對設計方案進行照明計算，還能實現基于照明效果的仿真場景渲染。

德國DIAL公司的DIALux是一款應用廣泛的集專業光學分析、場景建模、數據輸出于一體的光學仿真分析軟件。其可以輸入外部軟件構造的照明環境模型，也可以自行搭建照明場景，利用軟件自帶的大量照明產品的光學數據，進行照明分析與仿真。DIALux的仿真計算準確，可以輸出多種形式的分析數據，比如計算點清單、工作面清單、灰階/彩色等照度圖、點照度圖、燈具資料、家具配置圖等大量圖表數據等。該分析工具的另一大特點是開放性強，各個制造廠家都可以將自己產品的光學數據以IES文件格式導入DIALux進行分析與仿真[11]。

利用DIALux軟件的分析結果可以很好地為照明產品工業設計創新提供準確的數據和科學的依據，使創新設計可以和照明分析深入地結合起來，保證后續的設計方案在光照特性方面的合理性。

2 基于照明數據分析的產品創新設計流程研究

基于照明分析的產品創新設計流程如圖2所示。

圖2 基于照明分析的產品開發流程

該流程的主要環節要完成以下任務：

(1) 虛擬照明環境的建立。基于燈具產品的使用場所構建基本物理環境，確定虛擬人的工作姿勢，以及燈具具體的使用位置。通過光度學方面各項要求和標準確定出各計算元件及計算參數。

(2) 照明分析與產品原型。導入燈源基礎數據文件，計算構建環境的光度學數據，并篩選出符合設定條件的空間位置，依此確定照明產品光源的合適范圍，最終完成對產品原型的構建。

(3) 基于產品原型的概念設計與樣機構建。在產品原型指導下完成創意和概念設計，對產品概念在結構、功能、色彩、材料以及表面處理工藝等方面進行深入設計，得到產品的數字樣機。

(4) 光學仿真分析與評價。將產品數字樣機模型導入虛擬照明環境中，根據產品的光度學要求進行仿真分析與評價。將評價的結果反饋到產品概念開發等各階段，并找出問題的原因，對產品數字模型反復修改直至滿足光學性能需求。

3 讀寫臺燈產品的創新設計

根據開發流程以讀寫臺燈的創新設計為例，研究和探討了基于光學分析的產品創新設計方法，獲得了可以用于指導照明產品創新設計的基本方法。

3.1 照明性能要求

國家標準《讀寫作業臺燈性能要求》(GB/T 9473-2008)[12]對臺燈的各項性能指標都做了詳細的規定(表1)。并將標準中對讀寫作業臺燈的光度學要求以圖3進行表示，每個區域內的照度均勻度(最大值/最小值)不大于3。標準中規定了兩個照明等級，對于工作時間長的推薦AA級的照度水平，此處采用A級照度水平。

表1 《讀寫作業臺燈性能要求》中照度及其均勻度要求

3.2 在DIALux中建立照明環境

在DIALux的制圖模塊中導入內置的家具及物件，選擇適當尺寸及造型的書桌放置入場景。最終置入書桌模型后的照明環境空間如圖4所示。

圖3 A級照度分布要求

圖4 DIALux中照明環境搭建

不同的燈具擁有不同的發光方式，其被叫做配光，一般用配光曲線圖來表示。以極坐標配光曲線為例，通過光源中心的平面上不同角度的光強值或光強百分比表示。以角度為函數，將不同角度的光強值或光強百分比標注出來，連接各標注點就形成該光源的極坐標配光曲線。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 照明數據的分析與計算

開展照明分析與計算的基本思路是將光源的配光數據導入DIALux中。再根據文獻[12]中讀寫作業臺燈光度學標準的相關規定，結合該標準提供的照度推薦值，通過計算機模擬，計算出對應光源被用作讀寫作業臺燈光源時發光點的適合高度范圍。結合燈具設計的基本規則，可以得出基于該光源讀寫作業臺燈產品的設計原型。

在DIALux中將光源放在不同的空間位置，分別計算出各個坐標點的工作面照度信息。從計算結果中發現，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，因此將計算結果中可滿足工作面照度條件的各坐標點高度范圍結果進行統計(表2)，通過OriginPro軟件得到推薦位置的三維散點圖(圖6)。

表2 光源發光點合適高度范圍

圖6 高度范圍三維散點圖

3.4 基于照明分析的設計原型

通過上述基于多條件約束下的光學仿真計算與分析，確定了針對特定的LED光源發光點在各位置坐標上合適的高度范圍區間內的離散點云。并通過擬合計算得出高度范圍的立體區間，再將其轉化為三維可視化模型，得到該光源條件下的照明產品設計原型(圖7)，為后續的深化設計提供參考。

圖7 照明產品設計原型

4 產品創新設計及照明仿真分析

4.1 基于產品原型的照明產品概念設計

以上述產品原型為基礎，通過頭腦風暴、思維導圖等創新設計方法，提出了讀寫作業臺燈的概念設計方案(圖8(a))，然后在三維設計軟件中進一步完成產品模型。在傳統的設計流程中，三維數字模型只能參照概念設計中的草圖方案，而文中提出的基于產品原型的設計，可讓設計師在設計過程中根據前面照明分析得到的產品原型，更直觀地把握產品的尺寸與比例，從而確保設計方案模型能夠達到照明要求(圖8(b))。

4.2 燈具產品設計的照明仿真與分析

在DIALux中將基于產品原型建立的數字化模型導入上述的模擬場景中進行仿真評價，可進一步驗證其光度學性能和進行工作面照度評價。

(1) 進行臺燈的光度學性能評價分析。按照文獻[12]的照度試驗描述放置臺燈位置，分別繪制計算元件并命名為“300 mm計算元件”以及“500 mm計算元件” (圖9)。其中，300 mm計算元件的平均照度值為405 lx，照度均勻度為2.18；500 mm計算元件的平均照度值為173 lx，照度均勻度為2.99，均滿足設定的A級照度標準。

(2) 進行工作面照度的評價分析。本示例臺燈的光源發光點高度為405 mm的工作面照度評價分析(圖10)，計算結果為平均照度值245 lx且照度均勻度為2.76，滿足作業面的照度要求。

圖8 產品概念及基于原型的產品設計

圖9 產品的光度學性能分析

圖10 產品的工作面照度分析

5 結束語

在照明產品的創新設計中，其前期就引入了照明分析與照明設計的概念和方法，在產品數字樣機和現有產品分析中也采用了照明分析的技術方法來進行研究，保證了工業設計創新與產品照明性能優化的有機融合。本文實例驗證了該方法可以很好地使產品設計方案在照明特性方面充分滿足國家標準，并在實際工作中具有較好地推廣應用價值。

[1] 吳育林, 梁明. 基于情調照明設計理論下家用LED照明設計研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2018(1): 64-66.

[2] 竇林平. 照明行業進入LED照明時代[J]. 照明工程學報, 2017, 28(5): 88-93.

[3] 宋寧亮. 基于軟件仿真的LED照明設計與應用[D]. 廈門: 廈門大學, 2014.

[4] 周小軍, 楊勤. 基于QFD的產品兩次創新設計方法[J]. 圖學學報, 2016, 37(3): 394-399.

[5] 劉玲玲, 薛澄岐, 李晶, 等. 基于基元模型的產品創意設計方法與表征研究[J]. 圖學學報, 2016, 37(3): 394-399.

[6] SEVA R R. Product design enhancement using apparent usability and affective quality [J]. Applied Ergonomics, 2011, 42(3): 511-517.

[7] 黃穗, 韓春明. 用多面體逼近球體及其在工業設計中的應用[J]. 圖學學報, 2012, 33(5): 104-108.

[8] 路甬祥. 論創新設計[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 2017: 66-78.

[9] COSTA C A, LUCLANO M A, LIMA C P, et al. Assessment of a product range model concept to support design reuse using rule based systems and case based reasoning [J]. Advanced Engineering Informatics, 2012, 26(2): 292-305.

[10] ULRICH K T, EPPINGER S T. 產品設計與開發[M]. 5版. 北京: 機械工業出版社, 2016: 133-214.

[11] 袁洋. 照度計算與DIALUX軟件的應用[J]. 船舶設計通訊, 2016, 147(2): 77-82.

[12] 中國國家標準化管理委員會. GB/T9473-2008讀寫作業臺燈性能要求[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008: 2-5.

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

佛山市科技創新平臺項目(2016AG100321)；廣東省高校省級特色創新項目(2016KTSCX148)；佛山科學技術學院“創新強校工程”校級重點項目(2015xzd01)

安 軍(1968-)，女，重慶人，副教授，碩士。主要研究方向為機械設計、產品設計及虛擬現實應用。E-mail：755612691@qq.com

范勁松(1968-)，男，貴州貴陽人，教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為創新設計方法、圖形圖像處理等。 E-mail：691784516@qq.com