Погружение в ментал (освещение часть 5 - измеряем свет)

Всех приветствую!

В данным уроке я покажу как 3D MAX может помочь в настройке света для помещений и подбору светильников. Рассмотрим элемент Light Meter, эффект Lighting Analysis Image Overlay и попутно шейдер Glare(lume). Урок подготовлен при поддержке Pasha_sevkav – куратора форума Архитектура.  Выполняется в 3ds Max Design 2009. Содержит файл начальной сцены. Урок довольно простой для исполнения, но являясь продолжением серии уроков по освещению, требует ознакомления с уроками:

Погружение в ментал (освещение часть 4 - система дневного света)  - по системе дневного света

Погружение в ментал (освещение часть 3 - источники)  - по фотометрикам.

Введение

Расчеты освещения будут проводиться согласно требований предъявляемых в 
СП к СНИП-4-79
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03.

Для проведения расчетов не обязательно выставлять повышенные настройки качества рендеринга, достаточно того, что устанавливается по умолчанию. В предлагаемой тестовой сцене качество рендера минимально и сцена содержит пониженное (в пределах разумного) количество полигонов, что позволит исполнить урок на слабых машинах  (скачать начальную сцену).

Все производимые расчеты имеют информативный характер, настоящие характеристики освещения можно получить только на калиброванной аппаратуре, тем не менее полученные результаты помогут свести к минимуму доводку световой техники на объекте.

Термины и понятия используемые в уроке:

- Инсоляция -  облучение солнечным светом (солнечной радиацией) поверхностей внутри помещения под различными углами наклона.

- Коэффициент естественной освещенности (КЕО) - отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом неба (непосредственным или после отражений), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода; выражается в процентах.

- Боковое естественное освещение - естественное освещение помещения через световые проемы в наружных стенах.

- Рабочая поверхность - поверхность, на которой производится работа и на которой нормируется или измеряется освещенность.

Приступим к уроку

Итак, у нас имеется помещение:

что-то вроде небольшого класса или комнаты для занятий, данное помещение подходит под классификацию - «кабинеты, библиотеки» поэтому мы и будем придерживаться норм для этой категории.

Тем, кому лень искать таблицы с нормами, приведу основные:

Начнем с естественного освещения и расчета соответствующих показателей

Естественное освещение

На сцену добавляем DayLight System, настраиваем ее согласно местности, в которой у нас находиться данное помещение (либо указанием  город, либо подключаем «погодный файл» более подробно в уроке по системе дневного света см. ссылку выше).

Время года, для подсчета норм естественного освещения нужно выставить согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 — общих требований к инсоляции:
-  северная зона (севернее 58° с.ш.) - с 22 апреля по 22 августа;
-  центральная зона (58° с.ш. - 48° с.ш.) - с 22 марта по 22 сентября;
-  южная зона (южнее 48° с.ш.) - с 22 февраля по 22 октября.

Если перед окнами помещения находятся какие-либо  задания или сооружения, которые могут затенять дневной свет, то их необходимо сымитировать простой геометрией (box)

Произведем расчет КЕО е_н  для комбинированного и бокового освещения, а также выясним продолжительность инсоляции.

Согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03  - Расчет естественного освещения помещений производится без учета мебели, оборудования, озеленения и деревьев, а также при стопроцентном использовании светопрозрачных заполнений в светопроемах.

То есть в помещении необходимо убрать мебель и другие предметы интерьера.

Примечание -  моделируя сцену в 3d MAX удобно элементы сцены разбивать по слоям, в последствии удобнее работать с целыми группами объектов объединенных одним слоем:

Убрали мебель, настроили систему дневного света:

Согласно определению - КЕО  это отношение величины освещения  под открытом небом к величине освещения внутри помещения.

Получим величину освещения под открытом небом:

заходим в пункт основного меню «Lighting Analysis», выбираем пункт «Create» и создаем «Light Meter» - измеритель света. Он представляет собой плоскость и подсчитывает величину падающего на эту плоскость света в Люксах, рабочая поверхность плоскости помечена стрелочками.

Растягиваем плоскость вне помещения, для точности расчетов центр плоскости должен совпасть с центром DayLight System (для уменьшения погрешности при подсчете фотонов от объекта Sun, находящимся низко над горизонтом).

После чего нажимаем кнопку «Calculate All Light Meters»  в свойствах измерителя света и ждем некоторое время (программа подсчитает параметры освещения).

Внимание! При подсчете освещения алгоритма FG и GI должны быть включены, количество и энергия фотонов значения не имеют, но параметр Multiplier источников света должен быть равен 1.

Расчет закончен, в моем случае результаты следующие:

на центральной точке 5419 люкс  (обратите внимание на раздел Values To Display переключатель стоит в положении отображать общее освещение, он там будет стоять по умолчанию, но если вдруг это не так, поставьте как на рисунке у меня - сейчас нам важна именно общая освещенность).

Теперь нам нужно получить величину освещения в помещении. Переносим (или создаем новый) измеритель освещения в помещении, согласно требований он должен находиться в горизонтальной плоскости на уровне пола. И снова нажимаем «Calculate All Light Meters» в свойствах измерителя:

Внимание!  все девять точек измерения на плоскости самостоятельны и центральная не является средним значением.

Как видно из рисунка значения освещенности в разных точках помещения разные, что в общем-то и закономерно, согласно требований разброс между минимально и максимально    освещенным участком не должен быть более чем троекратным.  Мы получили  по три значения величины  освещения в трех характерных разрезах помещения. Согласно требований  (п. 2.1.3.   СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 ) принимается точка в геометрическом центре помещения или на расстоянии 1м от стены, противоположной оконным проемам.

То есть у меня получилось 161 люкс.

Данных для расчета (которые нам дает программа) КЕО комбинированного освещения достаточно:  161 делим на 5419 получается 0,029.

КЕО принято указывать в процентах, умножим результат на 100% и получаем  2,9%

КЕО е_н   для комбинированного освещения равен 2,9%

согласно требований для данного типа помещений он должен составлять 3% , но допускается  отклонение на 0,01%. то есть норма соблюдена.

Далее подсчитаем КЕО для бокового освещения, для этого нужно переключить отображение с общего освещения на направленное в свойствах измерительной плоскости:

результат:

равен 130 люкс

делаем расчет аналогичный выше указанному и получаем КЕО е_н   для бокового освещения равен 2%, что выше минимально требуемого одного процента.

Теперь об инсоляции

Получить автоматически время инсоляции в Максе не получиться, придется считать время  облучения помещения прямыми солнечными лучами переставляя время суток в системе дневного света руками: например переставляя интервалом в 1 час  смотрим на цветовую гамму плоскости измерения света (для моего помещения):

теплые цвета показывают падение лучей света,  синий — отсутствие освещения.  Параметр отображения света естественно должен стоять в положении для прямого освещения:

и естественно важны будут дополнительные построения имитирующие здания перед окнами, о чем я говорил выше.

Для более точного подсчета времени инсоляции желательно специально настроить сцену  и проводить обсчет чистого помещения исключая стекла в оконных проемах (материал стекла немного портит картину распространения света) сцена примерно будет выглядеть следующим образом:

без стекол в оконных проемах  плоскость отлично показывает распространение света в помещении, центр системы дневного света необходимо поместить на место расчетной точки (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01) так как относительно нее считается положение Солнца.

Для любителей писания скриптов – можно сделать скрипт: Увеличиваем время суток в DayLight System.

Проводим калькуляцию плоскости. Если любая из точек дала освещение выше 0 люкс, то добавляем время в инсоляцию. И так обсчитываем все сутки. После чего получаем время инсоляции. :-)

С естественным светом все.

Теперь давайте сделаем отступление от математических расчетов и поговорим о вещах, которые ближе к искусству, но которые тоже касаются освещения в интерьерах.

Посмотрите на результат рендеринга:

отражения окон на полу практически слепят (материал пола правильно учел силу света за окном), а вот сами окна производят впечатление обычной белесой дымки. К сожалению монитор не может дать цвет, который ярче чем #FFFFFF, ну и соответственно форматы распространенных графических файлов тоже. Поэтому встает вопрос – как на наших  сценах имитировать яркие источники света.

Спасет нас шейдер Glare (lume).

Открываем этот шейдер в материалах и переносим его копию в раздел шейдеров камеры (Render Setup>>Renderer>>Camera Shaders>> Output).

что у нас в настройках:

Quality - качество наложения, максимально =  4 – чем больше тем лучше, хотя затрачивается больше времени на обсчет.

Spread – величина эффекта  чем больше, тем сильнее отсвечивают яркие области

Streaks - установленный параметр позволяет применять фильтры на эффект (аналогично фильтрам на объективы фотоаппаратов — звездочки, сеточки итд)

Streak Image — указываем маску для фильтра, по умолчанию есть всего два фильтра, но думаю не составит проблем сделать свой (формат tiff)

Streaks Weight - от 0 до 1 - указываем силу воздействия фильтра.

Resolution for Glare Processing  - параметр для качества наложения фильтра, фильтры данные по умолчанию имеют разрешение 500х500 пикселей, поэтому параметр установленный в 500 дает максимальное качество — уменьшение параметра ведет к ухудшению картинки эффекта от фильтра.  Если используется свой фильтр с более высоким разрешением, соответственно желательно увеличивать этот параметр до разрешения размеров картинки нового фильтра.

Replace Rendered Image With Glare Only  -  при включенном параметре результат рендеринга даст только области действия фильтра удобно при настройке параметра или для пост обработки.

Результаты действия фильтра на отвлеченной сцене:

слева  Glare не работает, справа spread установлен в 1,5 достаточно чтобы показать яркость окна (к сожалению после конвертирования картинки в формат для web гамма малость сместилась и результат менее заметен  :-( но большие и заметные значения портят картинку).

теперь на левую картинку я поставил стандартный фильтр, а на правую свой – в виде простых полосок:

применение фильтра в данном шейдере, я считаю обязательным, во первых нет сплошного засветления картинки и выбеления цветов, а во вторых появляется объем у света, вопрос только в создании хорошего фильтра.

Возвращаемся к нашей основной теме.

Искусственный свет

Возвращаем назад всю спрятанную мебель, так как считать параметры освещения нужно на рабочих поверхностях, у нас это столешницы и доска:

для начала нужно повесить светильники на стене, противоположной окнам, для компенсации яркого дневного света (который я уменьшил с помощью тряпичных жалюзи).

Параметры светильников можно установить двумя способами: установить фотометрические источники света (без самих физических светильников) и рассчитать их мощность, после чего искать модели (да и собственно говоря настоящие светильники) с аналогичными свойствами, либо воспользоваться различными программами калькуляторами на сайтах производителей, после чего установить их на сцену и произвести проверку и корректировку мощности ламп (заменить 50 ваттные лампы на 30 или наоборот).

Я установил лампы Phillips. Как правило, сайты всех ведущих производителей светового оборудования имеют библиотеки 3d моделей их продуктов и сопутствующие файлы к ним (ies).

Прежде чем мы начнем измерения, опять отступление в пользу искусства, но не в ущерб физики :)

Если мы вешаем готовые светильники, то при рендеринге открытые источники света не будут светиться , например трубка ЛСД лампы будет темная , лампа накаливания, торчащая из под абажура тоже будет темная. Все из-за того что источник света (Максовский) подвешивается как правило перед моделью лампы, а характер распространения света прописывается в IES-файле.  Для наглядности нам нужно заставить светиться материал на модели собственно источника света, в моем случае трубки ЛСД ламп.  Но при использовании люминесцирующего материала  мы начинаем дополнительно освещать сцену, а это лишние светлые пятна и лишние цифры в расчетах света:

На этом варианте рендера при отсутствии дневного света и «выключенном боковом» видно засветление от светящегося материала, которое нам не нужно. Чтобы избавиться от этого нужно зайти в свойства объекта светильника (или модели лампы), закладку mental ray  и установить значок невидимости для FG:

После этого материал будет светиться, но окружающие предметы не освещать:

Установили боковые светильники и проверяем эффект от их освещения – компенсация бокового света должна быть в размере не меньшим чем 50%.

Измерительную плоскость теперь нужно ставить на уровне рабочих поверхностей – столов:

При дневном свете из окон-

при боковом искусственном-

Как видно по цифрам боковой свет выбран не совсем корректно – на ближнем крае к светильнику повышенная яркость – нужно поднять светильники выше, либо заменить на другую модель с другим рефлектором.

После правильного подбора бокового света переходим к верхнему.

С подсчетом основного освещения проблем меньше чем с боковым – больший выбор осветительной продукции и программы по подсчету.

Я снова взял филипсовские лампы, и проверяю освещение на рабочих поверхностях, по стандартам должно быть не меньше 300 люкс:

по нормам необходимо еще проверить освещение на доске преподавателя, для этого измерительную плоскость нужно ставить не горизонтально, а параллельно плоскости доски, тут я думаю не нужно объяснять как это делается.

На некоторых рабочих местах, где вздуться работы высокой точности требуется освещение до 500 люкс (так же регламентируется в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 ) освещать все помещение такой мощностью не целесообразно, требование предъявляется только для рабочего места, поэтому достаточно отдельного светильника.

Кроме использования Light Meter, оценить освещенность можно путем использования Эффекта «Lighting Analysis Image Overlay». Добавляем эффект и по завершению рендера изображения на него наложится сетка  с данными по освещению поверхностей.

Добавляем эффект и делаем рендеринг:

минус такого способа – необходимо ждать завершения рендера, плюс  - получаем  значения по всему помещению и на основании данных можно судить о значении одного из параметров комфортности – наиболее и наименее ярких областей (пятна повышенной яркости вызывают блеск, что ведет к дискомфорту).

Вот, собственно  все, что я хотел показать по подбору освещения для интерьеров.

На последок еще одно лирическое отступление:

В Каире, городе Абу-Симбел есть храм фараона Рамзеса Второго, который был вырублен в скале в 13-м веке до нашей эры в честь победы над хеттами.

Каждый год 22 февраля (день рождения фараона) и 22 октября (день его коронации) происходит «солнечное чудо» в 06.00 первые солнечные лучи проникают в храм и окрашивают  лицо фараона-завоевателя в нежный розовый цвет. Обычно при этом создается ощущение, что неподвижная скульптура, простоявшая на своем постаменте уже более трех тысяч лет, оживает на глазах.

Внутри храма расположены четыре последовательно уменьшающихся зала, в самом дальнем из которых, куда при жизни мог входить только сам фараон, находятся четыре статуи: триада богов, покровительствовавших войскам фараона - Амон-Ра, Хармакис и Птах, а также статуя Рамзеса Второго.

"Солнечное чудо" начинается, когда солнечный луч рано утром проникает в храм и, пройдя 65 метров от входа по трем последовательным залам, достигает дальнего зала фараона. Он освещает статуи Рамзеса, Амона-Ра и Хармакис. При этом свет никогда не касается изваяния бога Птах, одного из богов тьмы.

Уникальное явление продолжается 24 минуты и затем исчезает, чтобы повториться вновь в свое строго определенное природой и замыслом древних архитекторов время.

Трудно представить, как такое могли рассчитать древние архитекторы, но сейчас благодаря компьютерам и 3D редакторам, задачу может осилить  любой желающий, было бы то самое желание. :-)

С Уважением КАА, Kaa936@rambler.ru