Vi­su­a­li­sie­rung von vek­to­ri­sier­ten Leucht­dich­ten

Abbildung 1: Leuchtdichten interaktiv dargestellt; Abschlußscheibe als Prüffläche (40x40Felder) Bild vergrößern
Abbildung 2: Strahlenverteilung in Abhängig von den Abstrahlwinkeln Alpha und Beta; Abschlußscheibe als Prüffläche (40x40Felder) Bild vergrößern
Abbildung 3: Leuchtdichten interaktiv dargestellt; Abschlußscheibe als Prüffläche (40x40Felder); Flache Meßwand (120x120Felder) Bild vergrößern
Abbildung 4: Strahlenverteilung in Abhängig von den Abstrahlwinkeln Alpha und Beta; Flache Meßwand (120x120Felder) Bild vergrößern
Abbildung 5: Lichtstrom Phi Bild vergrößern
Abbildung 6: Lichtstärke Bild vergrößern
Abbildung 7: Leuchtdichte L Bild vergrößern
Abbildung 8: Beleuchtungsstärke E Bild vergrößern

Diplomarbeit von Peter Wibberg

Motivation

  • Stendig steigende Anforderungen an Sicherheit und Design im Automobilbereich ziehen einen immer höher werdenden  Entwicklungsaufwand im Leuchten und Scheinwerferbereich nachsich.
  • Von der Entwicklung bis zum fertigen Produkt werden immer geringere Zeiträume notwendig, um dem Produkt eine   wirtschaftliche Zukunft zu ermöglichen.

Aufgabenstellung

  • Erstellung eines Datenvisualisierers für Leuchtdichte Daten
  • Es soll die physikalische Leuchtdichte auf der räumlichen Meßwand visualisiert werden.
  • Der Anwender soll die Möglichkeit haben die Daten interaktiv erleben zukönnen.
  • Das interaktive Verhalten soll im Real-Zeit-Betrieb möglich sein
  • Mit einfachen Worten: "Er soll fast das Gefühl haben, das Er die Leuchte in Händen  hält"

Visualisierungsklassifizierung

Daten:

Datentyp: 

  • quantitativ,

Umfang: 

  • bis zu 10Mio. einzelne Daten,

Datum:

  • räumliche Daten der Meßwandoberflächen z.B. könnte das die Oberflächenform der Abschlußscheibe eines Frontscheinwerfers sein, ebenso sind jedoch auch alle anderen Formen wie eine flache Meßwand oder ein Elipsoit möglich.
  • vektorisierter Lichtstrahl mit Position (auf der Meßwand) in 3D / Richtung (alpha,beta Winkeln) und Intensität 

Dateityp: 

  • komprimiert abgespeichert mit der Option, die Daten in Sampleblöcken abzuspeichern, d.h. ein Daten-File enthält insgesamt z.B. 5 Mio. Strahlen die in 10 Sample'n a 500.000 Strahlen aufgeteilt sind. Jeder Sampleblock repräsentiert ein Stückchen vom Ganzen, weil die Verteilung der Strahlen dem "Monte-Carlo"-Prinzip folgen.

Daten Herkunft:

  • Leuchte wird mittels CAD-Anwendung konstruiert.
    Eine heutige Fahrzeug-Leuchte besteht im wesentlichen aus dem vorgeschriebenen Bauraum, Reflektor, Leuchtmittel und einer Abschlußscheibe.
  • Diese Konstruktionsdaten werden wiederum mittels CAL-Entwicklungstool [CA(L)= Lighting] lichttechnisch simuliert
  • Die Simulation sammelt nun sämtliche Lichtstrahlen die von einem Detektor erfaßt werden und speichert diese in dem oben erwähnten Dateiformat ab. Hier spricht man nun von Leuchtdichte Daten.

Visuelle Attribute:

  • der Farbton codiert die Leuchtdichte (cd/m2)

Abbildungsstrategie:

  • Raster-Plane in 3D mit Farbcodierung (Falschfarben), d.h.: z.B. 256 Farben mit hoher Leuchtdichte rot über gelb, grün bis  niedriger bzw. keiner Leuchtdichte blau (Hella Vorgabe weil Standart in vielen CAL-Anwendungen)
  • Raster-Plane in 3D in Fotorealistischerdarstellung d.h. wie oben jedoch Helligkeitsabstufungen im roten Farbtonbereich
  • Raster-Plane repräsentieren Prüfwand bzw. Abschlußscheibenform der realen Leuchte
  • Darstellung der Abschlußscheibenform im 3D-Raum gibt den direkten Bezug zur realen Welt wieder
  • Histogrammfunktion der Lichtstrahlen, d.h. die Häufigkeit der Lichtstrahlen und ihrer Leuchtstärken werden in einem bestimmten Winkelintervall aufsummiert (was der Leuchtdichte cd/m2 annäherungsweise entspricht)
  • Farbskala anzeigen (linear, logarithmisch)
  • 3D-Rastergrid mit Maßzahlen
  • der Blickwinkel (Alpha und Beta) wird als Zahlenwert angezeigt

Interaktivesverhalten der visuellen Darstellung:

  • Beobachter blickt virtuell in best. Winkel auf die Raster-Plane
  • Blickparameter steht in Abhängigkeit der Diskretisierung bzw. des Winkels
  • wird die Objekt im Raum gedreht, so verändert sich der Blickwinkel, die Farbverteilung der Raster-Plane wird aus den Daten neu berechnet (Real-Zeit-Betrieb)
  • der Winkelbereich soll variabel sein
  • Aufgrund der Daten können Neuberechnungen mit ergänzenden Daten (Sample'n) durchgeführt werden

Hilfsmittel:

  • System: Win95/NT, x86/Pentium
  • Software: MS-Developper-Studio Visual C++ , TGS Open Inventor 2.2.1

Begriffe aus der Lichttechnik:

vier Grundgrößen:

1. Lichtstrom Phi

Der Lichtstrom ist die Bezeichnung für die nach der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges bewertete Strahlungsleistung einer Lichtquelle, die sich frei im Raum fortpflanzt bzw. die Lichtleistung einer Lichtquelle, die pro Zeiteinheit in den Raum geschickt wird.
Einheit: lm (Lumen).

2. Lichtstärke

Die Lichtstärke I ist die Grundgröße der Lichttechnik und ein Maß für die Lichtausstrahlung in eine bestimmte Richtung.
Maßeinheit: cd (Candela = Kerze).

Die Lichtstärke I ist der Quotient aus dem Lichtstrom Phi, der von einer punktförmigen Lichtquelle in einen bestimmten Raumwinkel Omega ausgestrahlt wird und dem durchstrahlten Raumwinkel.
I = Phi / Omega bzw. I = lm / sr (Lumen / Steradiant).

3. Leuchtdichte L

Die Leuchtdichte L bezeichnet die von einer Flächeneinheit abgegebene Lichtstärke I bzw. der auf den Raumwinkel Omega und die wirksame Größe A der strahlenden Fläche bezogene Lichtstrom Phi.Sie ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters.
L = I / A
Einheit: cd / m2 (Lichtstärke / gesehene Fläche).

4. Beleuchtungsstärke E

Die Beleuchtungsstärke bezeichnet das Maß für das auf eine Fläche auftreffende Licht.
Einheit: lx (Lux).

Definition: Ein Lux ist die Beleuchtungsstärke, die auf der Fläche A von einem Quadratmeter entsteht, wenn diese von dem Lichtstrom Phi = 1lm beleuchtet wird.
Entfernungsabhängig: E = Phi / A = lm / m2 = lx

 

Links

Firma: Hella KG Hueck & Co in Lippstadt (Zulieferer im Automobilbereich, Schwerpunkt Fahrzeugleuchten)

abschluss.avi als zip 

Für weitere Informationen bitte E-Mail an DPL-00169@derpatriot.com.