OSVĚTLOVACÍ SOUATVY Hodnocení oslnění Ukázkový inovovaný text

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ OSVĚTLOVACÍ SOUATVY Hodnocení oslnění Ukázkový inovovaný text Autoři textu: Ing. Jan Škoda, Ph.D. doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D. Květen 13 epower Inovace výuky elektroenergetiky a silnoproudé elektrotechniky formou e-learningu a rozšíření prakticky orientované výuky OP VK CZ.1.7/../15.158

2 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění Cíle kapitoly: Seznámení s problematikou oslnění, jeho výpočtu a měření. Osvětlení pojmů zraková pohoda, UGR a činitel polohy. 1 Zraková pohoda Uvědomíme-li si, že dnešní člověk přijímá přes 9 % informací zrakem, je třeba dbát na kvalitu světla, které informaci člověku zprostředkuje. Činnost zraku velmi úzce souvisí s centrální nervovou soustavou, proto mají na zrakové podněty výrazný vliv na psychiku člověka. Dobrým světlem lze v člověku navodit dobrou náladu, naproti tomu špatným světlem lze v člověku velmi rychle vyvolat nepříjemné pocity, jenž mohou vyústit až v agresi. Jako příklad nepříjemného pocitu je možno uvést oslnění od dálkových světel protijedoucího vozidla. Vždy je tedy třeba v daném prostředí a prostoru vytvořit podle jeho účelu tzv. světelné mikroklima, jenž je jako celek tvořeno geometrickými rozměry prostoru, typem světelných zdrojů, druhem a rozmístěním svítidel, intenzitou osvětlení a její rovnoměrností v různých rovinách, tj. rozložením jasů v daném prostoru. Výsledný efekt rovněž dokresluje rozmístění nábytku, barevná úprava prostoru včetně vybavení, stíny, jenž umožňují zvýraznit plasticitu objektů na scéně, a rovněž i často opomíjená dynamika světla. Z předcházejícího výčtu tedy plyne, že zraková pohoda je takový psychologický stav, při němž zrakový systém optimálně plní svoji funkci, příliš se neunavuje ani při delším úkonu, člověk má pocit, že dobře vidí, cítí se dobře a prostředí je mu vzhledově příjemné. [5] Naproti tomu opačný stav tedy zraková nepohoda vede k narušení koncentrace, snižuje výkonnost člověka, zhoršuje jeho náladu a nepříznivě se projevuje zrakovou únavou, která může při trvalejším namáhání vyústit až ve zhoršení zraku. 1.1 Oslnění Oslnění vniká momentu, kdy je výrazně překročena mez adaptibility zraku. Tento případ většinou nastane, vyskytne-li se v zorném poli oka příliš vysoký jas nebo jeho rozdíl (vysoký kontrast). V tuto chvíli je prakticky ztížen a někdy dokonce znemožněn příjem informace přenášené světlem. Činnost zrakového systému je výrazně narušena, což negativně ovlivňuje zrakovou pohodu. Oslnění je tedy nepříznivý stav zraku, k němuž dojde, je-li sítnice nebo její část vystavena vyššímu jasu, než na který je oko adaptováno. [5] OSLNĚNÍ Přímé Nepřímé (odrazem) Relativní (kontrastem) Přechodové Závojové Psychologické Fyziologické Pozorovatelné Omezující Rušivé Oslepující Obrázek 1 Rozdělení oslnění

3 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 3 Přímé oslnění způsobené vysokým jasem svítících částí svítidel nebo povrchů prostoru (např. strop a stěny při nepřímém osvětlení). Nepřímé oslnění způsobené odrazy svítících ploch od lesklých částí pozorovaných předmětů Přechodové oslnění způsobené náhlou změnou adaptačního jasu (např. při přechodu z tmavšího prostředí do světlejšího). Závojové oslnění způsobené vyšším jasem před pozorovaným pozadím (např. při pozorování záclony v okně nebo mlhy před světlomety). Relativní oslnění (kontrastem) způsobené zdroji světla vyskytujícími se v zorném poli pozorovatele, který má zrak adaptován na nižší úroveň jasu. Tomuto oslnění lze zabránit vhodnou volbou osvětlovací soustavy, proto je toto oslnění z hlediska světelné techniky nejdůležitější. Z hlediska psychofyziologických následků lze relativní oslnění dělit na oslnění psychologické (to může být pozorovatelné nebo rušivé) nebo fyziologické (to může být omezující nebo oslepující). Při psychologickém oslnění oslňující světelný zdroj odpoutává pozornost pozorovatele od zrakového úkonu, vzrůstá únava a vzniká pocit zrakové nepohody. Vyšším stupněm oslnění je oslnění fyziologické, jenž zhoršuje činnost zraku a způsobuje snížení zrakových schopností. Vlivem přesycení sítnice se zhoršuje kontrastní citlivost a prokazatelně se snižuje zraková ostrost, nastává tzv. omezující oslnění, jež je objektivně zjistitelné měřením změn zrakových funkcí. Je-li oslnění intenzivnější, přechází do mezního stavu oslnění oslepujícího (absolutní oslnění). Při tomto stavu je činnost zraku vyřazena dočasně z provozu dokonce i po zániku rušivého podnětu. Rušivé, omezující ani oslepující oslnění, by se nemělo v osvětlovacích soustavách vůbec vyskytovat, jeho zábrana je jednou z důležitých zásad osvětlování a významných ukazatelem kvality osvětlovací soustavy. [5] 1. Hodnocení oslnění Hodnocení rušivého oslnění bylo až do roku 1995 prováděno v různých zemí podle různých metodik. V tomto roce technický komitét TC 3-13 mezinárodní společnosti pro osvětlování CIE vydal publikaci CIE 117:1995 Discomfort glare in interior lighting, ve které nesourodost jednotlivých metodik sjednotil do jediného vzorce (1) [], [1] UGR,5 L 8 log Lb p (1) kde je L b L ω p jas pozadí jas svítících částí každého svítidla ve směru k oku pozorovatele prostorový úhel, pod nímž pozorovatel vidí svítící části každého svítidla činitel polohy podle Gutha pro každé svítidlo.

4 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 4 Tento vzorec (1) vzešel z výzkumných prací, jejichž výsledky byly shrnuty do publikace CIE 55:1983 Discomfort glare in the interior working enviroment [1] a ve které byl uveřejněn vzorec pro výpočet oslnění CGI () jenž se stal základem pro pozdější vzorec UGR Ed 1 5 L CGI 8 log E E p d i () kde je E d E i L ω p přímá svislá osvětlenost oka od všech zdrojů nepřímá osvětlenost oka jas svítících částí každého svítidla ve směru k oku pozorovatele prostorový úhel, pod nímž pozorovatel vidí svítící části každého svítidla činitel polohy podle Gutha pro každé svítidlo. V České republice potažmo v bývalém Československu byla od roku 196 pro účely hodnocení rušivého oslnění užívána metodika vypracovaná Jaroslavem Netušilem, která byla popsána v normě ČSN 36 8 s platností do roku 4 [3]. V tomto roce normu nahradila technická normalizační informace TNI Rušivé oslnění při osvětlení vnitřních prostorů, jenž je v podstatě českým překladem dokumentu CIE 117:1995. Jaroslav Netušil na základě pokusných prací ve Výzkumném ústavu energetickém zavedl v roce 1956 [11] vzorec (3) pro výpočet činitele oslnění S K L S,5 L ZP,4 (3) kde je K činitel polohy oslňujícího zdroje v zorném poli podle Netušila L jas oslňujícího zdroje ω prostorový úhel oslňujícího zdroje L ZP jas pozadí (zorného pole bez oslňujících zdrojů). V současné době je v České republice pro účely posuzování míry oslnění uznávána téměř výhradně metodika hodnocení podle UGR. Její maximální hodnoty pro jednotlivé prostory jsou k nalezení v normě ČSN EN [4].

5 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění Numerické hodnocení Máme-li hodnotit oslnění je nutné mimo jasu a prostorového úhlu znát činitel polohy pro jednotlivá svítidla. Pro hodnocení oslnění pomocí UGR se používá činitel polohy podle Gutha, který je popsán grafem v [7] z něhož vychází i tabulka uvedená v publikaci CIE 117:1995. Samotný průběh činitele polohy je závislý na poměrech stran H/R a T/R, tj. na odklonu od přímého směru pozorování, tak jak je naznačeno na obrázku. H/R Činitel polohy podle Luckieshe a Gutha T/R Obrázek Průběh činitele polohy a souřadnicová soustava pro činitel polohy Při výpočtu se činitel polohy musí odečíst z grafu, nebo z tabulky v [1]. Nenalezené hodnoty se interpolují. Podobná situace nastává, pokusíme-li se hodnotit oslnění podle vzorce Jaroslava Netušila. Tento vzorec, byl sice nahrazen vztahem UGR, nic méně z hlediska lidského zraku je původní Netušilův vztah přirozenější. Pro výpočet je třeba užít činitel polohy, navržený Jaroslavem Netušilem, který se na první pohled jeví jako názornější.

6 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 6 Činitel polohy podle Netušila v [ ] h [ ] Obrázek 3 Průběh činitele polohy podle Netušila V prvé řadě jeho rozsah se pohybuje v intervalu <-1>, kde poloha mimo viditelnou oblast je hodnocena činitelem rovným a poloha zdroje v ose vidění hodnocena činitelem rovným 1. Jde tedy o skutečnou váhu vlivu oslňujícího zdroje. Činitel polohy podle Luckieshe a Gutha je přizpůsoben obecnému vztahu pro výpočet oslnění, který udává hodnotu činitele ve jmenovateli zlomku. Z toho plyne, že hodnota činitele roste se vzdalující se polohou zdroje od osy oka pozorovatele. Na první pohled, bez znalosti souvislostí s tímto vztahem, lze nabýt dojmu, že význam polohy oslňujícího zdroje roste, tak jak roste činitel polohy. Opak je však pravdou. V ose vidění má činitel polohy hodnotu 1. Další problémem, který je patrný z průběhů křivek konstantní hodnoty činitele, je ten, že křivky plynule nepřecházejí mezi všemi kvadranty, tj. levá, pravá strana a horní a dolní poloprostor, což jistě neodpovídá skutečné odezvě zrakového systému, i když zde může teoreticky lokální extrém ležet, ale křivka by zde měla být hladká. Ve vztahu dle Netušila je činitel polohy umístěn v čitateli a je uveden bez mocniny, tedy je to přímá váha vlivu oslňujícího zdroje. Ve vztahu UGR, který počítá s činitelem polohy dle Luckieshe a Gutha je navíc činitel umocněn na, což dále zkresluje představu o vlivu polohy na vjem oslnění. Činitel polohy dle Netušila tedy efektivněji a srozumitelněji popisuje reálnou odezvu zraku na pozici oslňujícího zdroje. UGR metoda výpočtu indexu oslnění může být zatížena skrytými chybami, které pravděpodobně nebyly kvantifikovány jedná se zejména o pozici zdrojů ve vodorovné a svislé ose vidění, kde křivky vykazují evidentní rezidua při přechodu mezi kvadranty. Příklad Stanovte index oslnění UGR a činitel oslnění S v bodě pozorovatele pro svítidlo osazené výbojkou o příkonu 4 W s měrným výkonem 57,5 lm W -1, s průměrem otvoru stínidla 54 mm zavěšeném ve výšce 7,5 m nad podlahou. Svítivost svítidla ve směru k pozorovateli má velikost 1 cd klm -1. Osvětlovaný prostor má průměrný jas pozadí 3 cd m -. Rozměry místnosti jsou naznačeny na obrázku.

7 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 7 Obrázek 4 Náčrt situace Řešení: Index oslnění UGR se spočítá ze známého Sørensenova vztahu,5 L UGR 8 log L p b (4) Neznámými veličinami v tomto vztahu jsou jas oslňujícího zdroje L, prostorový úhel ω pod nímž pozorovatel vidí svítící část svítidla a činitel polohy p. Jas L zdroje vypočteme ze vztahu I L A cos (5) kde I γ A γ je svítivost zdroje ve směru k pozorovateli, je plocha svítící části svítidla, je úhel, který svírá normála svítící plochy s vektorem svítivosti se směrem vůči pozorovateli. Součin ve jmenovateli A cos γ potom reprezentuje takzvanou průmětnou plochu svítící části svítidla.

8 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 8 Jelikož je svítivost I γ svítidla vztažena dle zvyklostí ke světelnému zdroji s celkovým tokem 1 lm, je třeba nejprve spočítat celkový tok světelného zdroje. Ten se určí z měrného výkonu za pomocí následujícího vztahu Z M Z Z P M Z 4 57,5 3lm (6) P Známe-li celkový tok zdroje, můžeme vypočítat svítivost I γ Z 3 I I cd (7) 1 1 Pro další výpočet budeme potřebovat znát plochu A svíticí části svítidla. Jelikož má plocha tvar kruhu, spočítá se pode vztahu A d,54,16m (8) 4 4 V dalším kroku je třeba vypočítat cosγ, což se provede podle následujícího vztahu h h 6 cos,76 (9) r l a h Nyní už můžeme dosadit hodnoty do vztahu pro výpočet jasu L I 483,16, cd m (1) A cos Dále potřebujeme znát velikost prostorového úhlu ω, který vypočítáme ze znalosti průmětné plochy a vzdálenosti r, tedy A cos,16,76,655sr (11) r V dalším kroku odečteme z Obrázku velikost činitele polohy p. K tomu je třeba znát velikosti poměrů stran H/R a T/R což je podle nákresu z Obrázku 4 reprezentováno poměry H R h 6 1, l 5 (1) T R a 1, l 5 (13) Potom velikost činitele polohy p se bude rovnat p=8,75. Nyní už nic nebrání dosazení do vztahu (4)

9 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 9 UGR,5 L log Lb p,5 9345,655 8 log 19,17 3 8,75 (14) 8 Pro výpočet činitele oslnění S bude situace podobná, jen pro činitel polohy K je třeba užít Obrázku 3. Úhly φ v a φ h se vypočítají podle v h 6 arctg arctg 5, 19 l 5 (15) a 1 arctg arctg 11, 31 l 5 h (16) Činitel polohy K potom bude K=,1. Dosazením do vztahu (3) potom získáme činitel oslnění S podle Netušila K L S,5 L ZP,4,1 9345,655,5 3,4 6 (17) Orientační hraniční hodnoty indexu oslnění UGR jsou uvedeny v Tabulce 1 Tabulka 1. Mezní hodnoty činitele oslnění UGR [5] Druh pracoviště UGR pracoviště s počítači 16 kanceláře a dozorny 19 jemná výroba průmyslová pracoviště běžná výroba 5 hrubá výroba Počítačové hodnocení Počítačová technika se během posledních deseti let stala součástí každodenního života člověka. S její pomocí jsou lidé schopni urychlit složité výpočetní operace a podstatně zpřesnit konečné výsledky. Pokud budeme chtít analyzovat kvalitu osvětlení případně samu osvětlovací soustavu, je nezbytné pro počítačové vyhodnocení zajistit odpovídající vstupní data. Ty lze získat v podobě matice čísel odpovídající světelné scéně poměrně snadným způsobem pomocí digitálního fotoaparátu. Bude-li tento přístroj navíc přizpůsoben k měření fotometrických veličin, nebrání nám nic v tom, abychom se pustili do práce. Uvědomíme-li si, že fotoaparát zaznamenává obraz, jenž popisuje rozložení jasu na scéně, můžeme na takto pořízeném snímku provádět analýzu veličin, které jsou ve vztahu právě s touto veličinou. Především je to jasová analýza osvětlovací soustavy, jenž může vyústit v hodnocení rušivého oslnění. K tomuto účelu dobře poslouží vyhodnocovací software jakým je například LumiDISP, který je vyvíjen na Vysokém učení technickém v Brně. Program se během let vyvinul ve skutečně silný vyhodnocovací nástroj, jenž nalezl uplatnění nejen na půdě univerzit, ale i praxe. V současné poslední verzi...1 je navíc implementován modul

10 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 1 pro hodnocení rušivého oslnění pomocí metodiky UGR. K tomuto pokroku se dospělo po té, co byla zvládnuta detekce svítidel ve fotografované scéně pomocí speciálních softwarových detektorů Detektory Detektory slouží v programu pro odečítání vypočtených hodnot na zvolené pozici. Umožňují určit limitní hodnoty, histogram hodnot, či průběh hodnoty podél detektoru. K dispozici je celá řada detektorů základních geometrických tvarů jako kružnice, úsečka, obdélník atd. Příkladem detektoru může být elipsa umístěná na pozici světelného zdroje v obraze. Výsledkem detektoru je průměrná hodnota jasu všech bodů pokrytých detektorem či histogram rozložení jasů. Na základě poznatků z praxe byly doplněny další typy detektorů, které zefektivňují proces vyhodnocení získaných dat. Prvním typem nového detektoru je detektor určený maskou, která je vypočtena na základě hodnot jednotlivých kanálů zpracovávaného obrazu například jasu či RGB složek. Alternativně lze pro lokalizaci objektů podle barev použít jiné barevné modely jako HSL. Jedná se v podstatě o rozšíření libovolného detektoru, u kterého dojde k upřesnění tvaru podle dalších požadavků jako je rozsah hodnot. Využití lze nalézt například při lokalizaci svítidel v obraze. Dříve musel uživatel jednotlivá svítidla ohraničit například elipsou či polygonem, aby určil jejich přesnou pozici na snímku. S použitím detektoru určeného maskou stačí ohraničit svítidla pouze přibližně například pomocí obdélníků a dále zadat mezní hodnoty kanálu nebo kombinace kanálu (např. jasu L). Program je sám ohraničí a vybere aktivní světelnou oblast. Důležitým předpokladem správné funkce detektoru je rozsvícené svítidlo během focení. Obrázek 5 Detektor určený maskou (původní obdélníkový detektor, vypočtená maska, okno s parametry) V uvedeném příkladu, který ukazuje Obrázek 5, je zadáno rozmezí jasů. Program pak určí přesný tvar detektoru na základě hodnot jednotlivých bodů obrazů. Co se týká samotného měření oslnění podle UGR, je nutné pro účely výpočtu zajistit hodnoty potřebných veličin popsaných ve vztahu (1). Zejména se jedná o zjištění jasu pozadí L b, který je definován jako rovnoměrný jas celého okolí, který vytváří stejnou osvětlenost na svislé rovině procházející okem pozorovatele [1]. Pokud k záznamu světelné scény chceme použít digitální fotoaparát, musíme tak učinit výhradně ve spojení s objektivem typu kruhové rybí oko. Jedině tak lze zajistit relevantní data pro stanovení jasu pozadí. Bude-li u tohoto objektivu zjištěna i zobrazovací funkce, lze velmi přesně určit i prostorový úhel jednotlivých svítících ploch. Právě zjištění zobrazovací funkce objektivu je nutnou podmínkou ke správnému měření prostorového úhlu. Jednotlivé pixely potom mohou reprezentovat elementární prostorové úhly, jejichž prostým sčítáním můžeme stanovit prostorové úhly objektů na fotografii. Důležité je si však připomenout, že prostorové úhly jednotlivých pixelů nenabývají stejné

11 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 11 hodnoty a to ze dvou důvodů. V prvé řadě je nutné počítat s kosinovou závislostí prostorového úhlu dω na úhlu dopadajících paprsků do objektivu a v druhém případě se zkreslením obrazu samotným objektivem. Zejména u širokoúhlých objektivů se druhá z uvedených vlastností projevuje často dosti výrazně a to u okraje obrazu. Pro první případ můžeme chybu velmi jednoduše vyjádřit Obrázkem 6, kdy jsou porovnány prostorové úhly vypočtené s uvažováním kosinové závislosti a prostorové úhly vypočtené jako konstantní. Obrázek 6 Vyjádření chyby, které se můžeme dopustit nesprávným výpočtem (průběh pro celou oblast měření, řez v ose objektivu) Taková chyba může dosáhnout i více než %. Budeme-li navíc uvažovat i zkreslení objektivu může mít tato odchylka mnohem dramatičtější průběh. Proto je důkladná a precizní kalibrace objektivu nezbytná. Posledním a velmi důležitým krokem je stanovení správného činitele polohy pro jednotlivá svítidla. Pokud dokážeme popsat úhel dopadu světla z jednotlivých světelných elementů do objektivu, lze velmi dobře stanovit i činitel polohy p. Obrázek 7 Vizualizace činitele polohy Vizualizace činitele polohy promítnutá do snímané scény je naznačena na Obrázku 7. Místa ležící mimo vyznačenou oblast již pro samotný výpočet nehrají roli, neboť v těchto místech není činitel polohy definován, protože je zde oko stíněno čelem a lícními kostmi.

12 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 1 Obrázek 8 Výsledek analýzy oslnění Jsou-li všechny potřebné údaje po hromadě, můžeme vypočítat UGR. Program LumiDISP v tomto směru funguje zcela automaticky a celé hodnocení oslnění lze provést pouhým kliknutím myši. Maximální hodnotu UGR lze potom velmi snadno vizualizovat přímo v obrázku, tak jak je naznačeno výše. 1.5 Shrnutí kapitoly Počítačová technika otevřela nové možnosti v oblasti jasové analýzy. Velkou roli na tomto místě hraje i prudký rozvoj digitálních fotoaparátů a jasových kamer, bez kterých by hodnocení oslnění bylo velmi náročnou, zdlouhavou a ne-li nemožnou prací. Díky automatizaci celého procesu, lze dosáhnout výrazných časových úspor a díky stále se zvyšujícímu rozlišení čipů i podstatného zpřesnění výsledků. Prakticky každé počítačové vyhodnocení vychází z obecných vztahů popsaných v kapitole 1.3. Při návrhu osvětlovací soustavy je vhodně se vyvarovat osvětlovací soustavy jenž by oslňovala uživatele. 1.6 Kontrolní otázky 1. Jak by se dala popsat světelná pohoda?. Jak dělíme oslnění? 3. Co je to UGR? 4. Na čem závisí oslnění? 5. K čemu je činitel polohy? 6. Existuje počítačový program, který umí vyhodnotit UGR? 7. Pomocí čeho se UGR dnes měří?

13 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hodnocení oslnění 13 Použitá literatura [1] CIE : Discomfort Glare in the Interior Working Environment. Paris, France: CIE, ISBN [] CIE : Discomfort Glare in Interior Lighting. Vinna, Austria: CIE, ISBN [3] ČSN Oslnění, jeho hodnocení a zábrana. Praha: Vydavatelství norem, [4] ČSN EN Světlo a osvětlení - Osvětlení pracovních prostorů - Část 1: Vnitřní pracovní prostory. Praha: Český normalizační institut, 1. [5] HABEL, J.; ŽÁK, P. Elektrické světlo 1 skriptum, 11, ČVUT. [6] LEWIN, Robert E. Position index in VCP calculation. Journal of IES. 1975, January. [7] LUCKIESH, Matthew a S. K. GUTH. Brightnesses in Visual Field at Borderline Between Comfort and Discomfort (BCD). Illuminating engineering. 1949, November. [8] THE IESNA. Lighting Handbook: Reference & Application. Ninth Edition. New York: IESNA,, 6p. ISBN [9] THE IESNA. Lighting Handbook: Reference & Application. Tenth Edition. New York: IESNA, 11, 138p. ISBN [1] TNI Rušivé oslnění při osvětlení vnitřních prostorů. Praha: Český normalizační institut, 4. [11] Typizační směrnice MP ČSR: Světelně technické výpočty jasů a oslnění. CENTROPROJEKT, [1] ŠKODA, J.; SUMEC, S.; BAXANT, P. Pokroky v počítačovém vyhodnocení obrazů a využití ve světelné technice. Světlo. 1. ISSN\~11-81.