汽车灯具道路照明仿真显示

　　1  介绍

　　近些年， 在汽车前照灯的生产技术和流程方面出现了许多重大的进展， 这使得汽车前照灯的性能得到大大的提高。其中最显着的就是在新材料和生产工艺方面的进展使得汽车前照灯的设计更加灵活。

　　如反射器， 已不仅仅限于简单的抛物面反射器， 更加复杂的反射器（如自由曲面反射器） 也开始应用到汽车前照灯系统中。然而， 复杂的系统所需要的设计周期也变长， 这在现代化大生产中是不允许的。

　　因此如何在尽量缩短设计周期的前提下设计出性能优越的汽车前照灯就成为一个迫切需要解决的问题。

　　计算机辅助设计软件（Computer Aided Design Soft2ware） 就是解决这个问题的一个有效的工具。

　　一般的汽车前照灯的计算机辅助设计软件的输出结果都是25m 测试屏上的等照度曲线。虽然通过等照度曲线设计人员可以获得前照灯光型分布的信息， 但是它并不能回答这样一个问题： 此光型分布在真实的道路场景上的效果如何？ 为此， 人们开发出一种汽车灯具道路照明仿真程序， 它能够将前照灯的光型转化为模拟的道路场景。通过前照灯的光型仿真显示， 一方面对于设计人员和生产厂家而言，可以尽早检查， 修改设计方案， 而不需要等生产出原型后再修改， 从而大大缩短了设计的时间和费用；另一方面， 对于一般客户而言， 可以很直观地知道所需要的前照灯的照明效果， 而不需要制造模型。

　　2  两种方法

　　在汽车灯具道路照明仿真程序中一般使用两种不同的方法： 基于反射系数的模拟和基于真实场景的模拟。

　　2.1  基于反射系数的模拟方法

　　基于反射系数的模拟方法以计算前照灯的光型分布为基础， 然后根据路面以及路上各种物体的反射系数得到前照灯的模拟效果。基于反射系数的模拟方法的流程见图1.

图1  基于反射系数的模拟流程图

　　首先， 在计算机中建立道路的几何模型。道路的几何模型可以是预先存在程序的数据库中的。程序可以根据用户所要求的道路参数（道路的宽度，路面的反射特性， 周围的物体如树木、信号标志、弯道等等） 来查找数据库， 找到最接近的模型作为道路的基本模型。道路的几何模型还可以由用户自己定义。首先用户可以根据预先决定的道路类型（乡间道路， 城市道路， 高速公路等） 从数据库中调入基本的模型， 然后可以任意安排各种路面上的物体， 包括树木、行人、交通信号标志、弯道标志以及过顶信号标志。用户还可以在虚拟路面上放置迎面车辆或者前面车辆来模拟交车或超车时的情景。

　　然后用户可以决定道路的状况（是湿路面还是干路面） , 天气情况（晴天， 阴天， 雨天还是雾天） .根据这些条件， 上面安排的物体（包括路面本身） 的特性包括反射系数、颜色都可以从数据库中查到。

　　最后用户可以决定观察的角度（鸟瞰图， 驾驶员的角度或者用户自己定义的角度） .这样我们就在计算机中建立了一个完整的道路模型， 它是进行模拟的基础。

　　然后， 定义汽车光源模型。光源模型可以是自己通过黑体辐射原理计算的， 也可以是其他程序的输出结果。在这个阶段， 用户可以决定车灯的位置以及观察者的位置。程序还可以根据光源模型以及反射器和配光镜的类型计算25m 测试屏上的光型分布， 作为专业设计人员的参考。最后就是亮度模拟。

　　在定义了道路的各种参数特性和车灯的光型分布之后， 就可以进行亮度模拟了。亮度模拟的传统方法就是使用蒙特卡罗光线追踪法。现在， 许多程序也采用基于能量传输的光通转移方法来进行亮度模拟。

　　但是两种方法都必须知道路面和物体上各点在光线入射角度上的反射系数。亮度模拟的结果就是路面和物体上每一点的精确的亮度数值， 这些亮度数值可以转化为计算机显示屏上的灰度。于是最终就可以在显示屏上得到所定义的车灯光型分布在虚拟道路上的照明效果。

　　从上面的模拟过程我们可以看到基于反射系数的模拟方法有下面一些优点：

　　a1 根据需要， 可以任意安排道路及其附属物体的位置并决定道路和天气的状况， 从而大大加强了模拟的灵活性。

　　b1 它不需要做任何的实验工作， 完全是计算机的自行模拟， 因此不会受天气、测量设备等因素的影响。

　　这种方法的缺点也很明显：

　　a1 使用此种方法的前提是必须知道路面和物体上的每一个点在光线入射方向上的反射系数， 而这种反射系数一般比较难得到。

　　b1 由于此种方法涉及大量的查找数据库的操作， 并且需要对视场中的每一点都要进行模拟， 所以计算的工作量很大， 这决定了模拟的时间会比较长。

　　2.2  基于真实场景的模拟方法

　　基于真实场景的模拟方法是最近几年随着计算机图形学和数码技术的发展而形成的一种计算机辅助模拟方法。它的最大特点就是充分利用真实场景的作用而绕过反射系数之类的棘手问题。这种方法的关键就是需要得到一个比例关系数据库， 这个数据库实际上就包括了吸收、反射、散射等复杂的光学过程。所以根据这个比例数据库， 就可以得到待测前照灯的照明效果模拟图。采用这种方法的程序结构如图2 所示。

图2  基于真实场景的模拟流程图

　　基于真实场景的模拟方法的优点如下：

　　a. 原理非常简单， 没有涉及到复杂的光学转换过程， 所以程序的结构清楚， 设计也比较方便。

　　b. 可以模拟各种道路类型（直道， 弯道， 交叉路口） 在不同状况（晴天， 阴天， 雾天） 下的情况。

　　这种方法的缺点有：

　　a. 需要提前选择标准道路并且用数码相机进行拍摄， 而且一旦拍摄完成之后， 整个道路及其附属物体的位置和特性都固定下来， 所以大大限制了模拟的灵活性。

　　b. 因为这种方法采用的是相对亮度， 所以只有当两个前照灯的光型分布相差很大的情况下才能在最终的模拟图象中显示出来， 因此精度比较低。

　　3  应用---AFS 系统

　　AFS 系统（Advanced FrONtlight System） 又名智能化前方照明系统， 是汽车照明的发展趋势， 一般都着重于强调它能提高行车的安全性。目前， 在汽车前照灯的标准方面存在两种不同的标准： 欧洲标准和美国标准， 两者主要在近光配光上有较大的差别。

　　欧洲标准特别注重对眩光的控制， 因此在其配光上存在15 度的截止线， 并且照度也比较低。而在美国， 道路大多比较宽阔， 因此对眩光没什么特别的要求， 只要前照灯能够照得更远更亮就可以了。但随着经济全球化进程的加快， 人们迫切要求消除这两种标准之间的差别， 建立一个统一的国际标准。

　　一种方法就是将两种标准中合理的部分综合起来形成一个双方都能接受的标准， 这就是所谓的国际协调。另外一种方法就是建立一个包括多种功能的前照灯系统， 它能根据不同的路况、天气而采用不同的照明方式， 这就是AFS 系统。目前的AFS 系统包括以下一些功能： AL （不利天气下的照明） , BL（弯道照明） , CL （乡间道路照明） , TL （城镇道路照明） , ML （高速公路照明） 和OVL （过顶信号照明） .经过研究， 其中最有利和最需要的是AL , 其次是BL , 处于最后的是OVL , 所以， 在无法全部实现AFS 的功能时， 可以有优先选择。利用汽车灯具道路照明仿真程序对各种汽车前照灯的照明效果进行仿真模拟， 我们发现大多数前照灯都能满足眩光方面的要求， 但是我们也发现在照度方面， 较远距离的照度能满足要求， 但是在近距离上的照度不足。

　　汽车前照灯在这方面的缺陷在路况较好， 车辆不多的条件下没有多大的问题。但是在中国特别是一些大城市像上海， 道路比较窄且错综复杂， 而且道路两侧还有自行车道和人行道， 因此就对近距离的照度有比较高的要求。这也就是为什么上海的许多司机总是在晚上将前照灯、位置灯、雾灯一起打开的原因。

　　利用汽车灯具道路照明仿真程序我们可以模拟AFS 系统的众多功能的照明效果， 并且比较是否有一种功能或者几种功能的综合能否满足近距离照度高的要求。如果有， 那么可以不用对现有的AFS 系统进行修改。如果没有， 就需要向现有的AFS 系统中加入一项功能， 使之能够提高近距离照度。那么这样改进的AFS 系统就可以适用于中国特殊的情况了。