基于虛擬現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)照明均一性智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 鑫

(青海民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西寧810007)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的視景仿真方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制，構(gòu)建室內(nèi)照明均一性光環(huán)境分布模型，結(jié)合光強(qiáng)融合性分析的方法，分析室內(nèi)照明均一性智能控制的輸出穩(wěn)定性，提高室內(nèi)光環(huán)境的柔和性，相關(guān)的室內(nèi)照明均一性智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。 對(duì)室內(nèi)照明均一性智能控制研究是建立在對(duì)光強(qiáng)信息的分析基礎(chǔ)上，采用模糊參量約束控制方法，構(gòu)建室內(nèi)照明均一性智能控制的約束參量分布模型，采用模糊自適應(yīng)的光學(xué)衍射分割方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制仿真分析，建立室內(nèi)照明均一性智能控制的視景仿真模型，提高室內(nèi)照明的均衡性[2]。

1 室內(nèi)照明均一性控制約束參量分析和控制對(duì)象描述

1.1 室內(nèi)照明均一性控制約束參量分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明均一性智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要先構(gòu)建室內(nèi)照明均一性智能控制的約束參量模型[3]，結(jié)合室內(nèi)照明的動(dòng)態(tài)背景進(jìn)行光學(xué)調(diào)節(jié)，構(gòu)建室內(nèi)照明的光學(xué)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)背景光強(qiáng)和柔和度，進(jìn)行光源跟蹤檢測，提取室內(nèi)照明輸出光強(qiáng)的亮度值和灰度值，采用視覺背景提取的方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制，構(gòu)建室內(nèi)照明均一性智能控制的室內(nèi)照明均一性智能控制分布模型，用4 階微分方程描述為：

上式中，Km為室內(nèi)環(huán)境燈光強(qiáng)度的亮度偏差，δ 為室內(nèi)照明均一性融合度，θ 為室內(nèi)照明均一性的色差比較系數(shù)，其中sinθp= θp，cosθp= 1，在固定光強(qiáng)約束下，得到XRM，VRM，θP，ωP是室內(nèi)照明均一性融合參數(shù)是互不相關(guān)的，采用透射峰衍射方法模擬光子的晶體濾波特性，得消光系數(shù)為：

上式中，α ＞0，β ＞0，分別表示室內(nèi)照明均一性調(diào)節(jié)系數(shù)和消光作用項(xiàng)，在采用主被動(dòng)綜合探測方法[5]，選取適當(dāng)?shù)牟ㄩL間隔進(jìn)行吸光能量特征分析，為：

分析室內(nèi)照明的均一性振蕩系數(shù)為：

通過調(diào)整振蕩系數(shù)進(jìn)行室內(nèi)照明均一性控制調(diào)節(jié)，以吸光系數(shù)、光強(qiáng)特征量以及光照距離等為約束參量，進(jìn)行室內(nèi)照明的均一性智能控制設(shè)計(jì)。

1.2 控制對(duì)象描述

在構(gòu)建了室內(nèi)照明均一性智能控制約束參量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制對(duì)象描述，在動(dòng)態(tài)視覺背景下，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[7]，得到室內(nèi)照明的柔和度特征控制模型為：

對(duì)室內(nèi)照明的回波比進(jìn)行探測分析，采用光強(qiáng)修正方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性控制，得到背景輻射光強(qiáng)分布函數(shù)為：

在回波光子數(shù)一定的條件下，得到背景輻射光子分布函數(shù)：

考慮在不同的吸光能量系數(shù)下光源的消光分布狀態(tài)，采用動(dòng)態(tài)振蕩抑制方法，構(gòu)建室內(nèi)照明均一性調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型，用公式描述為：

采用累積脈沖調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性調(diào)節(jié)的誤差修正，輸出干擾項(xiàng)為：

則：

將修正特征值輸入到被控系統(tǒng)中，得到室內(nèi)照明均一性擴(kuò)散系數(shù)：

則有：

由此得到室內(nèi)照明均一性控制的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)模型，為：

在雙重光學(xué)衍射下，得到室內(nèi)照明均一性分布的狀態(tài)特征量為：

室內(nèi)照明輸入的光譜特征量滿足：

根據(jù)上述分析，采用光學(xué)跟蹤方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性輸出調(diào)節(jié)，根據(jù)光強(qiáng)的散射性以及衍射性進(jìn)行室內(nèi)照明的輸出強(qiáng)度誤差補(bǔ)償[7]，得到控制誤差收斂值：

由此構(gòu)建了室內(nèi)照明均一性智能控制對(duì)象模型，根據(jù)控制對(duì)象結(jié)構(gòu)光學(xué)誤差調(diào)節(jié)和能帶譜信息調(diào)節(jié)。

2 控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 室內(nèi)照明均一性輸出調(diào)節(jié)

在上述構(gòu)建室內(nèi)照明均一性控制約束參量模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用透射能譜特征分析方法，構(gòu)建室內(nèi)照明均一性調(diào)節(jié)的模糊跟蹤融合狀態(tài)方程為：

點(diǎn)光源環(huán)境下室內(nèi)環(huán)境燈光PID 控制的神經(jīng)元隱含層的輸出光束特征量為x1，x2，…，xn，分別乘上權(quán)重值w1j，w2j，…，wnj，得到室內(nèi)環(huán)境燈光的亮度調(diào)節(jié)優(yōu)化解輸出：

根據(jù)光強(qiáng)的散射性以及衍射性進(jìn)行室內(nèi)照明的輸出強(qiáng)度誤差補(bǔ)償[8]，在參考系ΣI中，在模糊約束規(guī)則下，室內(nèi)照明的輸出強(qiáng)度誤差補(bǔ)償量為一個(gè)4×4 的齊次坐標(biāo)矩陣IT0(α0，β0，γ0) 表示( ≡IT0(θ1，θ2，θ3) )，采用透射能帶譜穩(wěn)定性調(diào)節(jié)方法，得到室內(nèi)照明均勻性雙重濾波特征量，設(shè)計(jì)光學(xué)濾波控制矩陣為Rz(α0) ，表示為：

其中，β0是新增透射峰透射強(qiáng)度，單條窄透射峰矩陣Ry(β0) 表示為：

采用高速和高分辨率的光學(xué)傳感跟蹤融合方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能調(diào)節(jié)[9]，采用參量融合傳感跟蹤識(shí)別方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性輸出調(diào)節(jié)，得到輸出的能量譜特征量和透射峰值。

2.2 光學(xué)傳感跟蹤融合

采用高速和高分辨率的光學(xué)傳感跟蹤融合方法進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)節(jié)，得到室內(nèi)照明均一性調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rx(γ0) 表示為：

在室內(nèi)照明的均勻分布式環(huán)境中，以單條窄光出現(xiàn)的空間Σe(≡Σ7) 為坐標(biāo)系，采用透射能帶譜檢測方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性控制，輸出齊次變換矩陣IT7(θ) 為：

透射能帶譜特征量為：

在室內(nèi)照明均一性控制約束下，進(jìn)行誤差穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，得到照明均一性控制誤差：

對(duì)透射能帶譜特征量進(jìn)行求導(dǎo)：

構(gòu)建室內(nèi)照明均一性智能調(diào)節(jié)的多參量控制約束參量模型，得到穩(wěn)定性調(diào)節(jié)函數(shù)為：

其中c1， λ1均大于零，固定光子晶體的輸出能量，引入透射率調(diào)節(jié)項(xiàng)ζ1進(jìn)行輸出穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，定義ζ1=，得到室內(nèi)照明均一性智能控制誤差為：

聯(lián)合上式分析可得：

當(dāng)m 增大到一定數(shù)值時(shí)，通過透射峰或通帶的收斂性分析，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明均一性智能調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提方法在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明均一性智能控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，采用3D Studio Max進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)開發(fā)，采用OpenFlight 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)庫進(jìn)行室內(nèi)照明均一性數(shù)據(jù)輸入，采用NetLogo 模擬實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的輸出陣列，以200×200 為陣列點(diǎn)，設(shè)定射峰透射為97%，室內(nèi)照明均一性數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間長度為30s，室內(nèi)照明均一性智能控制的虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真輸出，如圖1 所示。

分析圖1 得知，采用改進(jìn)方法進(jìn)行均一性智能控制的輸出均衡性較好，視覺融合度較高，測試室內(nèi)照明均一性智能控制的燈光波束分布，如圖2 所示。

圖1 室內(nèi)照明均一性智能控制的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真輸出

圖2 室內(nèi)照明均一性智能控制的燈光波束分布

分析圖2 得知，采用本文方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制的燈光波束分布能力較好，測試室內(nèi)照明均一性智能控制的精度，得到對(duì)比結(jié)果見表1。 分析得知，本文方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制的精度較高，室內(nèi)照明的輸出控制能力較好。

表1 控制精度對(duì)比

4 結(jié)語

構(gòu)建室內(nèi)照明均一性光環(huán)境分布模型，結(jié)合光強(qiáng)融合性分析的方法，分析室內(nèi)照明均一性智能控制的輸出穩(wěn)定性，提高室內(nèi)光環(huán)境的柔和性，采用視覺背景提取的方法，進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制，在動(dòng)態(tài)視覺背景下，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，得到室內(nèi)照明的柔和度特征控制模型，基于3D Studio Max 進(jìn)行室內(nèi)照明均一性控制的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。 研究得知，該方法進(jìn)行室內(nèi)照明均一性智能控制的輸出穩(wěn)定性較好，光照調(diào)節(jié)的誤差較低，提高了照片的均一性控制能力，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。