摘 要： 隨著計算機圖形學和計算機CAD 技術的發(fā)展， 人們開發(fā)了汽車燈具道路照明仿真程序來模擬汽車前照燈在真實場景中的照明效果。本文介紹了兩種方法： 基于反射系數的模擬和基于真實場景的模擬。， 本文還探討了該模擬軟件在改進AFS 系統(tǒng)中的應用。

　　1  介紹

　　近些年， 在汽車前照燈的生產技術和流程方面出現了許多重大的進展， 這使得汽車前照燈的性能得到大大的提高。其中顯著的就是在新材料和生產工藝方面的進展使得汽車前照燈的設計更加靈活。

　　如反射器， 已不僅僅限于簡單的拋物面反射器， 更加復雜的反射器（如自由曲面反射器） 也開始應用到汽車前照燈系統(tǒng)中。然而， 復雜的系統(tǒng)所需要的設計周期也變長， 這在現代化大生產中是不允許的。

　　因此如何在盡量縮短設計周期的前提下設計出性能優(yōu)越的汽車前照燈就成為一個迫切需要解決的問題。

　　計算機輔助設計軟件（Computer Aided Design Soft2ware） 就是解決這個問題的一個有效的工具。

　　一般的汽車前照燈的計算機輔助設計軟件的輸出結果都是25m 測試屏上的等照度曲線。雖然通過等照度曲線設計人員可以獲得前照燈光型分布的信息， 但是它并不能回答這樣一個問題： 此光型分布在真實的道路場景上的效果如何？ 為此， 人們開發(fā)出一種汽車燈具道路照明仿真程序， 它能夠將前照燈的光型轉化為模擬的道路場景。通過前照燈的光型仿真顯示， 一方面對于設計人員和生產廠家而言，可以盡早檢查， 修改設計方案， 而不需要等生產出原型后再修改， 從而大大縮短了設計的時間和費用；另一方面， 對于一般客戶而言， 可以很直觀地知道所需要的前照燈的照明效果， 而不需要制造模型。

　　2  兩種方法

　　在汽車燈具道路照明仿真程序中一般使用兩種不同的方法： 基于反射系數的模擬和基于真實場景的模擬。

　　2.1  基于反射系數的模擬方法

　　基于反射系數的模擬方法以計算前照燈的光型分布為基礎， 然后根據路面以及路上各種物體的反射系數得到前照燈的模擬效果。基于反射系數的模擬方法的流程見圖1.

圖1  基于反射系數的模擬流程圖

　　首先， 在計算機中建立道路的幾何模型。道路的幾何模型可以是預先存在程序的數據庫中的。程序可以根據用戶所要求的道路參數（道路的寬度，路面的反射特性， 周圍的物體如樹木、信號標志、彎道等等） 來查找數據庫， 找到接近的模型作為道路的基本模型。道路的幾何模型還可以由用戶自己定義。首先用戶可以根據預先決定的道路類型（鄉(xiāng)間道路， 城市道路， 高速公路等） 從數據庫中調入基本的模型， 然后可以任意安排各種路面上的物體， 包括樹木、行人、交通信號標志、彎道標志以及過頂信號標志。用戶還可以在虛擬路面上放置迎面車輛或者前面車輛來模擬交車或超車時的情景。

　　然后用戶可以決定道路的狀況（是濕路面還是干路面） , 天氣情況（晴天， 陰天， 雨天還是霧天） .根據這些條件， 上面安排的物體（包括路面本身） 的特性包括反射系數、顏色都可以從數據庫中查到。

　　用戶可以決定觀察的角度（鳥瞰圖， 駕駛員的角度或者用戶自己定義的角度） .這樣我們就在計算機中建立了一個完整的道路模型， 它是進行模擬的基礎。

　　然后， 定義汽車光源模型。光源模型可以是自己通過黑體輻射原理計算的， 也可以是其他程序的輸出結果。在這個階段， 用戶可以決定車燈的位置以及觀察者的位置。程序還可以根據光源模型以及反射器和配光鏡的類型計算25m 測試屏上的光型分布， 作為設計人員的參考。就是亮度模擬。

　　在定義了道路的各種參數特性和車燈的光型分布之后， 就可以進行亮度模擬了。亮度模擬的傳統(tǒng)方法就是使用蒙特卡羅光線追蹤法?，F在， 許多程序也采用基于能量傳輸的光通轉移方法來進行亮度模擬。

　　但是兩種方法都必須知道路面和物體上各點在光線入射角度上的反射系數。亮度模擬的結果就是路面和物體上每一點的的亮度數值， 這些亮度數值可以轉化為計算機顯示屏上的灰度。于是終就可以在顯示屏上得到所定義的車燈光型分布在虛擬道路上的照明效果。

　　從上面的模擬過程我們可以看到基于反射系數的模擬方法有下面一些優(yōu)點：

　　a1 根據需要， 可以任意安排道路及其附屬物體的位置并決定道路和天氣的狀況， 從而大大加強了模擬的靈活性。

　　b1 它不需要做任何的實驗工作， 完全是計算機的自行模擬， 因此不會受天氣、測量設備等因素的影響。

　　這種方法的缺點也很明顯：

　　a1 使用此種方法的前提是必須知道路面和物體上的每一個點在光線入射方向上的反射系數， 而這種反射系數一般比較難得到。

　　b1 由于此種方法涉及大量的查找數據庫的操作， 并且需要對視場中的每一點都要進行模擬， 所以計算的工作量很大， 這決定了模擬的時間會比較長。

　　2.2  基于真實場景的模擬方法

　　基于真實場景的模擬方法是近幾年隨著計算機圖形學和數碼技術的發(fā)展而形成的一種計算機輔助模擬方法。它的特點就是充分利用真實場景的作用而繞過反射系數之類的棘手問題。這種方法的關鍵就是需要得到一個比例關系數據庫， 這個數據庫實際上就包括了吸收、反射、散射等復雜的光學過程。所以根據這個比例數據庫， 就可以得到待測前照燈的照明效果模擬圖。采用這種方法的程序結構如圖2 所示。

圖2  基于真實場景的模擬流程圖

　　基于真實場景的模擬方法的優(yōu)點如下：

　　a. 原理非常簡單， 沒有涉及到復雜的光學轉換過程， 所以程序的結構清楚， 設計也比較方便。

　　b. 可以模擬各種道路類型（直道， 彎道， 交叉路口） 在不同狀況（晴天， 陰天， 霧天） 下的情況。

　　這種方法的缺點有：

　　a. 需要提前選擇標準道路并且用數碼相機進行拍攝， 而且一旦拍攝完成之后， 整個道路及其附屬物體的位置和特性都固定下來， 所以大大限制了模擬的靈活性。

　　b. 因為這種方法采用的是相對亮度， 所以只有當兩個前照燈的光型分布相差很大的情況下才能在終的模擬圖象中顯示出來， 因此比較低。

　　3  應用---AFS 系統(tǒng)

　　AFS 系統(tǒng)（Advanced Frontlight System） 又名智能化前方照明系統(tǒng)， 是汽車照明的發(fā)展趨勢， 一般都著重于強調它能提高行車的安全性。目前， 在汽車前照燈的標準方面存在兩種不同的標準： 歐洲標準和美國標準， 兩者主要在近光配光上有較大的差別。

　　歐洲標準特別注重對眩光的控制， 因此在其配光上存在15 度的截止線， 并且照度也比較低。而在美國， 道路大多比較寬闊， 因此對眩光沒什么特別的要求， 只要前照燈能夠照得更遠更亮就可以了。但隨著經濟化進程的加快， 人們迫切要求消除這兩種標準之間的差別， 建立一個統(tǒng)一的國際標準。

　　一種方法就是將兩種標準中合理的部分綜合起來形成一個雙方都能接受的標準， 這就是所謂的國際協(xié)調。另外一種方法就是建立一個包括多種功能的前照燈系統(tǒng)， 它能根據不同的路況、天氣而采用不同的照明方式， 這就是AFS 系統(tǒng)。目前的AFS 系統(tǒng)包括以下一些功能： AL （不利天氣下的照明） , BL（彎道照明） , CL （鄉(xiāng)間道路照明） , TL （城鎮(zhèn)道路照明） , ML （高速公路照明） 和OVL （過頂信號照明） .經過研究， 其中有利和需要的是AL , 其次是BL , 處于的是OVL , 所以， 在無法全部實現AFS 的功能時， 可以有優(yōu)先選擇。利用汽車燈具道路照明仿真程序對各種汽車前照燈的照明效果進行仿真模擬， 我們發(fā)現大多數前照燈都能滿足眩光方面的要求， 但是我們也發(fā)現在照度方面， 較遠距離的照度能滿足要求， 但是在近距離上的照度不足。

　　汽車前照燈在這方面的缺陷在路況較好， 車輛不多的條件下沒有多大的問題。但是在中國特別是一些大城市像上海， 道路比較窄且錯綜復雜， 而且道路兩側還有自行車道和人行道， 因此就對近距離的照度有比較高的要求。這也就是為什么上海的許多司機總是在晚上將前照燈、位置燈、霧燈一起打開的原因。

　　利用汽車燈具道路照明仿真程序我們可以模擬AFS 系統(tǒng)的眾多功能的照明效果， 并且比較是否有一種功能或者幾種功能的綜合能否滿足近距離照度高的要求。如果有， 那么可以不用對現有的AFS 系統(tǒng)進行修改。如果沒有， 就需要向現有的AFS 系統(tǒng)中加入一項功能， 使之能夠提高近距離照度。那么這樣改進的AFS 系統(tǒng)就可以適用于中國特殊的情況了。