（机械电子工程专业论文）多曲面反射器的车灯配光技术研究及可视化.pdf

浙江工业大学硕士学位论文霜要 多曲面反射器的车灯配光 技术研究及可视化 摘要 多曲面车灯是目前国际上最为流行的种汽车车灯。它具有车灯高度低、空 气动力学性能好等优点。日、美等国早在数年前己着手对这种车灯韵研究，并开 发出相应的产品，而国内的汽车车灯研究所、车灯厂还不具有独立设计能力。本 文就是以此为目的，详细探讨了多曲面车灯的设计原理。 本文以多曲面车灯的设计过程为主线，采用对碰到的问题逐个解决的方式来 组织各章的内容。各章主要内容如下： 第一章阐述了本文的研究背景和意义，以及多曲面反射器的配光原理。以大 量的国内外文献为基础，对多曲面车灯的发展概况作了深入分析，并点出了多曲 面车灯的优点。详细叙述了多曲面汽车前照灯设计的总体思路。最后提出了本文 的主要研究内容和创新点。 第二章首先对灯泡的结构和螺旋灯丝的结构及发光情况作了阐述。接着提出 了灯丝的分割原理。在第三节中提出了灯丝的三种分割方法：线形分割、柱形分 割、螺旋模型模拟灯丝。接着第四节里对三种分割方法进行比较。 第三章首先阐述了汽车前照灯照明系统的种类，并研究了e c e 的常况及标 准。接着阐述了功能区域的划分原理。在第三节中提出了，提出了在功能区域中 划分三角形网格的设想。 第四章首先阐述了三角形网格的划分方法，其中用到了二维等参元变换。在 阐述网格划分的时候，提出了网格的控制工作。在第二节里阐述了配光光形的计 算，其中涉及透视变换理论和层的概念。接下来研究了光形的调整，提出了光形 的裁剪方法。 第五章首先阐述了可视化的有关概念及当前的研究和应用的趋势，接着介绍 浙江工业大学硕士学位论文摘要 了o p e n g l 的相关知识。在第三节描述了基于o p e n 瓯的软件实现过程。最后， 列出了三维可视化模块的功能。 第六章是结论与展望。对全文的工作进行了总结，并归纳了论文的创新点， 对进一步的研究提出设想和展望。 关键字：o p e n g l ，多曲面，配光，反射器，光照度，透视变换 i i 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 l i g h t d i s t r i b u t i o n 1 c h n o l o g y w i t ha s e g m e n t e d r e n e c t o r l a m p a nd v i s u a l i z a t i o n a b s t r a c t s e 舯e m e d o 乜v eu g h d i l gi sc t e n 日ym em o s t 幽d b l eo n e 协由e w o d d i th a st h ea d w i m a g eo fl o wp o s i t i o n0 fl i 对曲f l gl 锄pa n dh i g hp e r f b 皿a n c eo f 姗d y n a l i c s t h e 砖辩a r c h t 0e ) p l o i tt h i sa 山眦d v el i 蛐gh a sb e t a ：k e ni l pi j 印a 1 1 ，a m e 工i c 姐f o rm a n yy e 盯s ，黜dm a n y 蹦s o f p r o d u c t sh a v eb 啪d c r e l o p e d u n 觚u n 越e 1 孔i l l ：b i n a ，船i 吐l c r 瓤琏o m d b i l e1 i 目m i l gr c s e a 畦i n s t i n n e n o rf a c t o r yh a s t a l 。眦c o 删m n do f 也et e c h l o g ) ro fd e s i 班n gs e g m 咖e da 曲瑚嘶v el i g b t i n g i n d e p e n d e n t i y i n 山e 删e c t ，血ep 血1 c i p l e o f 1 i g h t d i s 乜i 嘶o no fs e 印墒r l t e d a u 咖o t i v el i g h d n gi sd i 簖u 站e d ，1 1 1 i s 也培b a 窜e d m ed e s i 萨p 玎o c 豁so fs e 黜d a m o m 葩v el i g 岫l g ， a d ：0 p t c dm e m o d eo f m n g 哪b l e l ns t e pb ys t e p 屯0o r 弘n i 黯1 l l ec b 印栅c o n t e n t e v e r y c h a 盱c o 咖t i s 鹪f o u 州 i k 丘巧tc b 印t 留t 8 l l 【sa _ b o u t 吐峙s i g n i 6 c 姐c e 蛆db a c k 掣加n do f 也e m s e a r c h t h e b l e o r yo fl i g h td i s t r 诫ms e 鲫跚t e da u t o m 曲e l a m p i si 腑删b e do n t 1 1 e l 鹕e n 撕6 n a la n df o 】晒弘d o c 啪t s ，血ed e v e l o ps 呱v e yo f 辩弘瞄l t e d l m o m o t i v eh 带i si m m d u c e d ，姐d 也ea d v 缸t a g e so fs e 掣m e da 吐o m o t i v el 蚰p a r ep r e 湖埘m 竹圃i d 髓o f 辩弘蜘t c da l 衄n o t 如e 脚d 商弘i s i n l 的d u c c di 1 1 d e t a i l f i n a l l y 也em a j nr 髂朗r d hc o i 鹏x ba n d 衄a v a t i o na r e 口曲把d i nm e c o n dc h a p 衄，也eb u 曲s 虹u 岫越dt h e 丘l 锄叫ts n l l c _ t u r e 缸d 血e n h n i n a n tc i i c sa r c 口r c n t c d a sf o l l o w ，t h e h e o r yo f m 缸n t d j v i s i o ni si n t r o d i nt 1 1 em i r ds e c t i o l l 也瑚m e 廿1 0 d s0 f 嗣咖吼td i 、，i s i o n a r ep r 嚣e n t e d ：l i n e 撕锣 d i v i s i o n 、d i l l 盯d i v i s i o n 、h e l i ) 【d i v i s i o n 1 1 l 也ef o 雠hs e c t i o 如也e 也r e ed i v i s i o n t 浙江工业大学硕士学位论文摘要 m e t l o d sa r ec o m p a r e d t h e “r dc h 印t e ri n 们d u c e s 廿l ec a t e g o r yo fa u t o m o t i v ei l l m 血n a t i o ns y s t e m ， a n dr c s e a r c ht h ee c ec o m m o nd r c s 如ds t ；m d 趾d a s f o h o w e d ，t 1 1 e 也e o r yo f f u n c d o n a la r e ad i v i s i o ni sp r e s e n t e d i nm em i r ds e c t i o n ，n l e 站s u m eo f t r i a n 百ec e l l d i v i s i o ni n 加c t i o n a la r e ai sp r e n t e d n l ef o u 劬c h a p t e ri 咖d u c e s 也em e m o d o f t r i a n g l ec d l d i v i s i o i l ，2 de q u i v a l e n t p a r a m e t e rc o m m l 煅6 0 n i sa d o 衅d w h 鼬i r 帅d u c e dm cc e l ld m s i 毗也ek n g t l lo f c e l l c o m r o l l i n gi sp r 即l t e d mt h e c o n ds e c d o n ，c a l c u l a t i o n 血el i g h ts h a p ei s 证缸) d u c e d ，也ec 0 蛐c e p to fl a y e ra n d 也e 也e o r yo fp 唧c t i v e 恤s f o r ma 咒a d o p t e d a sf o l l o 砌，r 龆e a r c ：b 1 h e 王i g h ti b a p ea 由璐t i n g ，a n d 衅s e n t 血ec u t d 丑g o u tm “h o d s i k 丘址c h a 衄i n 们d u c e d 1 量l ec o n c e p to f v i s u 出蜥o n 锄dc u r r e tr e s e 甜曲锄d a p p l i e d 讹n d 1 kk n a w l e d g e o f o p g l a 地i 曲d u c c d n 拉也i i ds e 砸d 豁谢b 瞄 恤p r o c e s so f s o n w 珊c a 盹d 哪b 鼬d o n 也eo p e n g l f i n a l l y 也e 缸嘶o no f 3 d 、r i s u a l i z a t i o nm o “ei sl i 曲耐 髓es 砒c 蛳沁喊龇m i n 如i t s a n dp m 驴c t s 恤f 妇0 f 龇 n 揽a i _ c b k c yw 砌s ：0 1 ，e n g l ，s e 驴畸曲自d ，l ig ：h td i 蹦b 嘶吗硼e 吐( 鹏，m 咖 1 i i i 粕c c ， p 盱s p 删v e 仃衄嘶皿 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章首先阐述本文的研究背景和意义，对汽车前照灯技术的发展状况作了深入的 剖析，综合比较了传统汽车前照灯和多曲面反射器汽车前照灯，发现了传统汽车前照灯的不 足，同时也阐述了多曲面反射器汽车前照灯的原理和其在汽车外形发展中的应用和优点。最 后，阐述了本文的主要研究内容和主要贡献。 1 1 引言 自从汽车诞生之日起，为汽车提供照明的汽车灯具的设计和研究就随之而产 生，至今已有2 0 0 年的历史。最初人们只是为了解决夜间行车提供良好的照明。 当时的解决办法是在汽车上装置两只其光源的光通量被抛物面型反射镜反射会 聚于一狭窄立体角内并使之形成较大强度的聚光灯式的前照灯。但到了本世纪初 随车速的提高，夜间行车的安全性提上考虑日程，因而人们对灯具的配光性能提 出了几种要求： 1 _ 在很广阔的观察距离内( 几来到几百米) 应保持足够的视见距离和交通辨 认能力。 2 在夜间及明亮日光下，在产生良好的视度前提下，不应对对面车辆驾驶 员及过往行人产生眩目。 3 在各种气候条件下所应具备足够的视见距离阳。 根据这些要求，各国制定了相应的标准，如欧洲照明委员会的e 1 c e 配光标 准和美国汽车工程师协会s a e 配光标准，我国也根据不同的汽车灯具、不同的 使用条件及我国的路面特点制定了一系列的国家标准。如： 汽车前照灯配光性能标准g b 一4 5 9 卜8 4 ”。 汽车雾灯配光性能标准g b 一4 6 6 0 一8 4 等， 构成车灯的各部分设计要满足上述的配光标准。反射镜和配光镜是影响配光 性能的核心部件3 ，其形状设计和研究也较多，但至今没有一套关于车灯结构 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 的专门的、系统的、完整的教材，因为它涉及了光学、机械、电子等多学科渗透。 另外咀往灯型设计较单，跟不上现代要求，特别是轿车。为提高车速，减少阻 力，造型美观，汽车前脸造型变窄，式样较多，基本是一种车型使用一种形状的 前照灯，因此前照灯设计开发周期要短，又要适合配光性能的最优化，造型多样 化“。 1 2 汽车前照灯技术概述 1 2 1 汽车前照灯发展历史的回顾 车灯是机动车上不可缺少的照明装置和信号装置，它们的作用首先是保证机 动车的正常运行和在夜间及雾中的行驶安全，其次是作为机动车外型设计的重要 角色，起到画龙点睛的作用。车灯分为前照灯、转向灯、倒车灯及雾灯等，其中 以前照灯最为复杂、要求也最高。前照灯是汽车整车不可缺少的重要安全部件， 随着汽车技术的飞速发展。前照灯也经历了不断改进和完善的过程。 汽车前照灯的光学系统早在1 9 2 5 年以前就已定型n ，其基本元件：灯泡、 反射镜、配光镜，这些基本元件一直沿用至今，多年来只在结构上进行某些改动。 随着汽车前照灯技术的不断发展，其照度也得到了大大的提高，在开始使用高照 度前照灯的最初几年里，就出现了在交会车时因前照灯的强光造成驾驶员眩目而 导致发生交通事故和撞车的严重危险即1 。至此，汽车交会车时防眩目问题成为 汽车照明技术中最难以解决的特殊问题。 多年来，人们经过种种努力，试图使一道光速来兼顾满足两个相互矛盾的要 求，即实现良好的道路照明和限制迎面车辆驾驶员产生眩目，但一直没有很好的 方法。由此逐渐形成了车交会车时必须变换前照灯的发光程度和光通量的分布， 即现在我们所使用的“远光”和“近光”两种工况”3 。 起初，人们是通过倾斜前照灯或其反射镜以及装备两种前照灯来满足高照度 和防眩目这一要求。但这样使照明的装备变得更复杂且昂贵。因此，在1 9 2 4 年， 人们发明了一种带双丝灯泡的前照灯n 1 ，其远光光束发自反射镜上的主灯丝， 在交会车时用置于焦点外面的辅助灯丝代替主灯丝，辅助灯丝能产生使迎面车辆 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 驾驶员的眩目得到改善的近光光束。使用双丝前照灯可以简单而经济地降低在交 会车时产生的眩目，因而逐渐取代了以往使用的各种结构，并在全世界汽车制造 业中得到普遍使用至今【s 】。 1 2 2 汽车前照灯系统的功能现状 汽车前照灯的设计主要解决两个互不相容的问题：一个要求如何在不小于 1 0 0 米的距离处使道路得到良好的照明，另一个要求则是如何在近距离内使迎面 车辆的驾驶员不产生眩目。汽车会交时的这种眩目问题，乃是汽车照明技术中非 常棘手的问题。在这方面的研究过程中，人霄j 逐渐形成了这样一种认识，也就是 说前照灯应设计成具有“远光”和“近光”两种工况。 传统的汽车前照灯主要由光源、反射器、配光镜三部分组成3 。 一、光源 目前大多数前照灯内安装的灯泡是双灯丝灯泡，远光主灯丝置于抛物面反射 器的焦点附近。因此，主灯丝产生的光通量，被反射器反射成与反射器光轴平行 的微弱散射光束( 如图1 1 近光灯丝鼍于焦点前面，与光轴重合，在灯丝下 方设有一配光屏，近光灯丝的光线落在反射器的上半部分，再被反射成下倾光束 ( 如图1 2 ) ，而不射入迎面驾驶员的眼睛里面。 莲奈 匿1 1图1 2 二、反射器 传统的前照灯所采用的反射器其形状多为二次曲面，抛物面的使用尤为广 图1 3 泛。如果将点光源置于数学精确的抛物面反射 器的焦点上，则落在反射器的光线反射成为与 反射器光轴平行的狭窄光束( 如图1 3 ) 。光源 在4n q 范围内直接射出时，这些直射线形成 强烈散射光束，只能在5 1 0 m 范围内照亮附近 路段。当继续增大距离时，光照度的减少将与 此距离的平方成反比。因此，光源的直射光线 浙江工业大学硕士学位论文第一章绩论 是不起多大作用的，在计算较远路段的照明时只要考虑被反射的光束即可。然而， 点光源和数学精确的反射器智能是数学上的抽象。实际上，光源虽然具有很小的 尺寸，但此尺寸毕竟是有限的，所以实际光源的光线被抛物面反射器放射后总是 成为散射光束( 如图l 1 ) 。光源尺寸越大，则这种散射会更加明显。 三、配光镜 为了获取较远路段的照明，必须使光束按一定方向投射到路面上。如果配光 仅由二次曲面反射器来完成，显然得到的光束在水平和垂直方向上都产生了散 射，道路的照明极不均匀。为了缓和这种不均匀，必须采用配光镜。配光镜实质 上是一种复杂的组合透镜，为数众多的折光单元能将光线均匀分布在整个路面 l j _ o 配光镜的作用原理如图l 一4 所示。 焦 侧视 图1 4 俯视 1 0 3 当前汽车前照灯系统的不足” 随着汽车工业的发展，各种款式的轿车不断推陈出新，对汽车灯具设计的要 求也越来越高，除了结构性能上的不断改进提高外，更注意整体外型的新颖美观。 但遇到了一个重要的制约因素是轿车前照灯的造型与配光设计问题。 前照灯的配光任务由反射镜和透镜两部分共同完成，目前有两种不同的形 式： 第一种形式：传统的是透镜承担主要的配光任务，丽反射镜只是比较普通的 旋转抛物面、抛物柱面、椭球面等，只起反光作用，此时的透镜通常称为配光镜 称之为折射配光。 第二种形式：由反射镜实现配光要求，这样透镜只起保护作用，称为反射配 4 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 光。 无论是折射配光还是反射配光，承担配光任务的光学元件都具有相当复杂的 面形，由很多块不同面形和倾斜角度的透镜面或反射面构成，以达到标准规定的 配光要求。相比之下，后者具有明显的优势： 1 、由于透镜不参与配光，前照灯外型不受限制； 2 、反射配光的光能利用率比折射配光要高，前照灯做得很小也能满足配光 要求； 从而最大限度地满足机动车外形设计的要求。因此，反射配光是目前国际上 流行的先进技术。 在传统前照灯设计中，车灯由前面的透镜起着配光角色来完成配光任务。它 的缺点是透镜因配光要求而无法任意改变形状，而且灯的整体很大( 不然无法配 光) ，车灯外形随汽车造型变化时，将严重地破坏标准要求的光度分布，因而制 约了机动车的外型设计，尤其是轿车。尽管车灯在整车外型中占很小比例，但车 灯的固有位置和作用使得它成为造型的重要部分。而反射镜配光，前面的透镜只 起保护作用，因此其外形可灵活设计。这种新型车灯便于根据外形设计反射镜， 提高光能利用率，减少体积减轻重量，给轿车整车造型以更大的灵活性。越来越 多的高档新型车采用了这种车灯。今后的机动车的造型越来越追求个性化，因此 可以预料这种车灯今后将有很大的发展。研究车灯的多曲面反射体的配光技术， 开发出高效的多曲面反射体的配光镜，解决配光中的灯体结构要求，是目前轿车 高级车灯发展的一个必然趋势。 1 2 4 汽车前照灯系统的当前发展及应用重点 前照灯的使命是为了确保汽车夜间行驶的安全。因此，在所有汽车设计中都 担负以下两点重要作用： 第一，考虑到对对方车辆的眩目作用的基础上，确保驾驶员的视野( 视认性) ， 比如对道路环境的把握，发现行路人，识别道路标志等。 第二，给对方车辆和行路人一种信号。这一点在设计中很重要，特别是由于 视认性是前照灯的基本功能，因此在日本及欧美，以提高性能为目的，进行着配 光研究和规格改善的研讨。 新江工业大学顼士学位论文第一章绪论 内容例举如下： 1 ) j a 砒( 日本汽车研究所) 的配光研究。 2 ) s a e ( 美国汽车技术会) 的国际整合化方案的研讨。 3 ) n h t s a ( 美国国家干线道路交通安全局) 的配光研究。 4 ) t n o ( 荷兰应用科学研究所) 的配光研究。 其中为满足具代表性的配光要求及设计需求，近年来在光学技术方面进行着 各种研究。最近随着c 觥m “系统的引进、模具加工技术的提高，但在生产 技术方面难以实现的东西变得十分容易。 1 、前照灯形状的发展动向 图1 5 近年，汽车的外形由于设计需要和 空气动力特性的提高，低侧面且流线型 的外形越来越受欢迎。其结果，前照灯 的形状也朝着扁细化、斜面化的方向变 化，这样，设计上就需要把以前的前照 灯、转向灯、雾灯等各种灯具都和车体 融为一体，把这些灯开发成一套组合灯 ( 图1 5 ) 。这种灯的特点是随着车体形状的流线化，灯面大且趋向细长形。所以， 给设计、制造、设备、物流等各个领域都带来巨大影响。 2 、前照灯光线控制技术的发展动向 前照灯光线控制方法也在发生着变化。反射镜所使用的材料从以前的钢板到 f r p ( 强化纤维塑料) 这种形状自由度非常高的材料，使得设计上的自由度也大大 v 图1 6 提高。其次，设计及模具加工系统采用了 c 仰c 触讧系统，由c a d 的曲面定义设计出 的反射面形状可以通过c 脚“再现。所以通过 c a d 系统的充分模拟，可以进行最适当的曲 ? 面定义，使开发效率飞快提高成为可能“1 。 单一抛物面反射体反射面是由旋转 抛物面形成的。众所周知，在焦点附近配置灯 丝，可以得到适当的扩散光束。在使用h 4 灯 6 - 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 的例子中，远光灯丝( 行驶用) 几乎配置在焦点上，近光灯丝( 会车用) 配置在焦点 前方，同时通过遮光屏可以得到如图1 6 所示的光束，还可以通过透镜的扩散 来满足配光要求。 多曲面反射体反射面是在椭圆抛物面上划分功能区域再在功能区域里 面自动划分四边形或三角形的网格的曲面，可通过对网格的法线矢量的控制，由 光线追迹法，从而求出配光图形。多曲面反射体可由c a d 系统生成。 1 3 多曲面车灯的配光原理 多曲面汽车车灯与传统车灯的最根本的区别在于其配光是由反射器完成。而 配光镜代之以光滑透明的透镜，其反射器也不再是二次曲面，而是由多块曲面组 成，每块曲面就是一个自由曲面。再将曲面细网格化后，用一系列标记( x ，y ， z ) 值的网格点来表征。配光是由这多块曲面共同作用的结果，每块自由曲面都对 配光起到一定的作用。当然这些曲面是根据所对应的光斑的形状和光照度的大小 设计出来的。 传统的配光镜由光滑透明的薄透镜代替后，这样既可以减少配光镜光能的损 失，又能产生清晰感，光亮度也有所提高。这同传统的配光镜相比无疑是一次突 变。这种车灯除了有上述的优点外，其外形也更加符合空气动力学的要求。 1 4 多曲面汽车前照灯设计的总体思路 l 、灯丝分割的提出 由于近光灯丝是有长度的，而且它放置的时候是沿着反射器的径向放置的， 如果只把灯丝看作一个点光源，考虑到误差的关系，这是不合理的。必须对灯丝 进行细分。 2 、功能区域的划分 汽车前照灯主要由反射器、配光镜、灯丝组成，现在多曲面反射器的配光镜 已经不起配光作用，那么它的配光功能都由反射器和灯丝完成。如果把灯丝作为 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 一个点光源，反射器曲面选择旋转抛物面，并且灯丝刚好在旋转抛物面的焦点， 那么，光线反射后就成了与水平线平行的线，它在配光屏幕上的投影只是旋转抛 物面在z 轴向的投影。这样的结果显然是不合理的。所以要对反射器进行功能区 域的划分。 3 、三角形网格的划分 在划分好功能区域后，就要计算前照灯的照度及光形，但在计算它的光形的 时候碰到了问题。因为功能区域是一块曲面，无法计算它的光形，为了解决这个 问题，提出在功能区域里再划分三角形网格。划分三角形网格，在有限元中，已 有了一套比较完善的算法。划分好网格后，为配光计算的工作做了保证。 4 、光形计算 现在就要对前照灯的具体工作过程进行研究。有了小三角形网格，光形计算 可以采用透视投影的方法来解决。透视投影的方法是对三角形小网格的各个顶点 迸行投影，投影点打到配光屏幕上后就形成了光形。这里还有一个问题，如果是 点光源的话，每个功能曲面都在配光屏幕上投影一次，而且投影后的面不会叠加。 但是，如果是线光源的话，对线光源进行划分后就有n 个点光源，对每个点光源 来说，反射器曲面都要在配光屏幕上投影一次，投影后的光形就要重叠在一起。 那么怎样来解决这个问题，本文中提出了层的概念，用层来把每次的光形都区分 开来。有了层，配光屏幕上的光形和反射器曲面上的功能区域都可以对应起来。 在计算出光形后，可能现有的光形并不符合国家标准，这时候就要对光形进 行裁剪或调整。由于用了层的概念，对光形进行裁剪或调整就可以实现了。因为 在配光屏幕上的一点可以返回到反射器曲面上。具体的实现过程参看第五章。 光照度的计算参看陈磊的硕士毕业论文。 5 、o p e n g l 可视化 j 可视化技术有着巨大的发展和应用潜力，以及潜在的可观的经济效益和社会 效益，可能促进其它相关学科的发展和技术的进步。目前，计算机图形学己进入 3 d 时代，o p e n g l 即是实现3 d 的主要途径之一。本文应用了0 p 吼g l 技术，对 多曲面反射器进行可视化，可视化后的反射器让用户对反射器的造型有更深的认 识，同时也可作为设计人员检验设计成果用。 8 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本论文的主要研究内容 综上所述，多曲面反射器汽车前照灯具有些传统汽车前照灯所不具有的优 点，它是现代汽车发展所必须发展跟进的汽车前照灯设计方法。本文通过分析汽 车前照灯的国家标准，对反射器的功能区域的划分提出了参考建议。并用有限元 中的二维等参元变换方法，对反射器的功能区域进行三角形网格划分。由于灯丝 的长度与反射器的尺寸比较，若把灯丝作为点光源处理，误差太大，所以提出了 灯丝的分割方法。对点光源，应用透视变换理论计算出该光源发出的光线，经过 反射器反射后落在配光屏幕上的点。接着提出了如果灯丝是线光源的时候，考虑 到有多个点光源，引出了的光形叠加的困难问题。为了解决这个闯题，本文提出 了层的概念，并应用层理论解决了光形的叠加问题。本文还对光形的调整问题做 了研究，提出了光形的裁剪方法。最后，基于0 p e n g l 实现了反射器的三维可视 化。本文各章主要研究内容如下： 在第一章中阐述本文的研究背景和意义，并以大量的国内外文献为基础，对 ；汽车前照灯的发展历史、当前的功能现状、及随着汽车的外形发展所引发的当前 前照灯系统的不足作了深入分析，从而提出了汽车前照灯的发展方向。论文最后 阐述了多曲面反射器车灯的配光原理，并详细叙述了多曲面汽车前照灯设计的总 十 体思路。最后提出了本文的主要研究内容和创新点。 在第二章中首先对灯泡的结构作了分析，画出了灯泡的正视图和侧视图，并 对螺旋灯丝的结构及发光情况作了阐述。接着提出了灯丝的分割原理，其中对分 割后的灯丝与把灯丝看作一个点光源的情况图文并茂地作了剖析。在第三节中提 出了灯丝的三种分割方法，线形分割、柱形分割及螺旋模型模拟灯丝。接着第四 节里对三种分割方法进行比较，得出了最优的分割方法。 在第三章中首先阐述了汽车前照灯照明系统的两种类型，即欧洲前照灯系统 e c e 和美国前照灯系统s a e 两大系统，接着阐述了e c e 的常况及标准，为下节的 f 功能区域的划分原理的提出莫定了基础。接着基于汽车前照灯的国家标准，功能 区域的大致划分图，以及反射器反射光线的传播图，三张图结合阐述了功能区域 的划分原理。在第三节中提出了，如果不对功能区域作任何处理，对整个功能区 域求光形的困难。提出了要将功能区域划分三角形网格的设想，为第四章三角形 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 网格的划分的提出，奠定了基础。 在第四章中首先阐述了三角形网格的划分方法，其中用到了二维等参元变 换，对二维等参元变换的理论作了详细的介绍。在阐述网格划分的时候，提出了 网格的控制工作。在第二节里阐述了配光光形的计算，首先介绍了透视变换理论， 接着，结合车灯，提出了前照灯配光计算的理论及公式。其中还提出了层的概念， 并把层应用到配光光形设计中。接下来讨论，如果光形不符合国家标准，就要对 光形进行调整，提出了光形的裁剪方法。光形的裁剪时考虑了点光源、线光源的 情况。 在第五章中首先阐述了可视化的有关概念及当前的研究和应用的趋势，接着 介绍了0 p e n o l 的相关知识，其中有o p 吼g l 的概念、0 i 嫩l g l 的相关库、0 p 姐g l 的特点。在第三节描述了基于o p e i l g l 的软件实现过程：在v c 中包括0 p c n g l 的头文件、初始化o p e n g l 的绘图环境、在退出o p c n g l 时删除相关的绘图指针、 在o d e n g l 中绘制反射嚣曲面。最后，列出了三维可视化模块的功能。 第六章是结论与展望。对全文的工作进行了总结，并归纳了论文的创新点， 对进一步的研究提出设想和展望。 1 6 本论文的主要创新 本论文的主要刨新之处可以归纳为以下几点： 1 、以往的前照灯都是普通的旋转抛物面为反射器，加厚厚的配光镜组成。 为了要达到配光要求，配光镜由按一定规律的花纹组成( 折射单元) ，所以设计 出来的配光镜不能是透明的，这样在一定程度上影嫡了车灯的亮度和透明度。而 且，设计出来的车灯根大，无法满足现代车形流线型的要求，也无法给汽车一双 明亮的眼睛。多曲面前照灯能满足传统前照灯无法达到的要求。 2 、在灯丝豹划分上，本文提出了灯丝的三种划分方法，其中螺旋模型模拟 灯丝的划分方法，将灯丝的形状加以充分考虑，更好的反应了灯丝的发光情况。 具有一定的创新性。 3 、本软件中有让用户控制网格划分的功能。而在以往的前照灯反射器设计 程序中都没有这项功能。这也是本论文的一个亮点。 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 4 、把透视理论应用到汽车前照灯配光的光形计算中，成功地完成了汽车前 照灯配光的光形计算。 5 、本文提出了层的概念，并把它应用到了反射器设计中，很好的解决了反 射器的光形叠加问题。 浙江工业大学硕士论文第二章灯丝分割 第二章灯丝分割 【摘要】本章首先对灯泡的结构作了分析，画出了灯泡的正视图和侧视图，并对螺旋灯 丝的结构及发光情况作了阐述。接着提出了灯丝的分割原理，其中对分割后的灯丝与把灯丝 看作一个点光源的情况图文并茂地作了剖析。在第三节中提出了灯丝的三种分割方法，线形 分割、柱形分割及螺旋模型模拟灯丝。接着第四节里对三种分割方法进行比较，得出了最优 的分割方法。 2 1 灯丝结构介绍4 1 实际建立灯丝的发光模型时，把灯丝的形状和位置都视作变量，并设置相应 的参数。本章以h 4 灯泡为例说明如何建立它的发光模型。h 4 灯泡为符合欧洲 系统的汽车前照灯配光标准，现代汽车普遍采用的双丝卤钨灯泡。近光灯丝与远 光灯丝所产生的功率分别为5 5 w 和6 0 w 。 l 、h 4 灯的结构“”3 h 4 灯的结构如图2 一l 所示 正现圈傅视圈 图2 1 2 、螺旋灯丝的结构及发光情况 以h 4 灯的螺旋灯丝为例分析其发光规律。灯丝的形状如图2 2 ( a ) 所示， 1 2 浙江工业大学硕士论文 第二章灯丝分割 b 图2 2 灯丝可视作余弦辐射体，其表面亮度是常数，设为b 。为了计算方便而又符 合发光规律，将灯丝抽象为图2 2 ( b ) 的均匀发光的圆柱体，l 为发光体长度， 2 r 为发光体直径。这时： ( 1 ) 当口= 0 时，由侧面积为斌2 的面积发光： ( 2 ) 当口= 石2 时，由2 五上的面积 ( 3 ) 当o 口 ，r ，2 时，就由上述两种发光表面共同作用。 2 2 灯丝分割原理 在以往的设计中，往往把整个l 长的灯丝都缩为一个点光源，这样与灯丝 的实际发光情况不符。这种忽略灯丝长度造成的误差是很大的3 。如图2 3 、2 4 所示。 图2 3 p 浙江工业大学硕士论文第二章灯丝分割 y 。r 厂 傣i - o x 配光屏 图2 4 如图2 3 是不考虑灯丝的长度，把灯丝看作一个点光源的情况，其中只抽 取了一条光线，凰2 4 只考虑了把灯丝进行线形分割成三段的情况，其中也只 是一个点光源抽取了一条光线。从上面的图例可以很明显的看出，对灯丝进行分 割远比把灯丝只作为点光源的效果好。把灯丝看作点光源，从图2 3 来看，对 一个反射单元来说，光线反射后只打出一条光线到配光屏幕上，这样在配光屏幕 上的光形分布会过度集中，光形无法满足国家标准，而且照度值也无法满足国家 标准。相反的，把灯丝分割成几个点光源后，光线增多，在配光屏幕上的光形分 散开来了，这样更容易满足国家标准。这里每个点光源只抽取了一条光线，众所 周知，点光源能发散出几千条甚至几万条光线那么灯丝只取一个点光源和取十 个甚至几十个点光源的情况就截然不同了。 也可以这样说，若反射器为抛物面，灯丝中心位于焦点处，照这种算法灯丝 发出的光线经反射后都是平行于光轴的，在前方屏幕上得到一个圆形光斑。而实 际上，由于灯丝长度的影响，实际光源的光线被抛物面反射器反射后总是成为散 射光束，在前方屏幕上得到一个接近。o 蝶形光斑。 还有一点更重要的是：灯丝是有长度的。 由光强的距离平方根定律，当被照射到的反射单元距灯丝的距离为灯丝最大 线径的7 倍时，计算误差不超过l ；距灯丝的距离为灯丝最大线径的1 0 倍时， 计算误差仅为0 7 0 或更小。一般的汽车前照灯头灯系统灯丝长5 7 r 衄- 而反 射镜的焦距为2 0 4 0 m m ( 或者说为灯丝最大线径的3 8 倍) ，这意味着灯丝和 渐扛工业大学硕士论文 第二章仃丝分割 反射器间的距离不够玎1 ，应该采用灯丝分割的方法来减少误差。从图3 4 来看 越接近反射器原点的灯丝点，它的反射光线对反射单元的法向变化越敏感。灯丝 不同区域的作用不同，更应该将灯丝进行分割。下一节将阐述灯丝的不同分割方 法。 2 3 灯丝分割方法 在设计中要将灯丝划分为一个个小单元，而每个小单元都看作一个点光源。 尽管将圆柱状光源化成点光源组成，与实际情况还有一定误差，但已基本接近。 2 3 1 线形分割” 如图2 5 所示 2 图2 5 将整个灯丝分为m 个小单元，取m = m 皿2 r ) 。这样每个发光小单元的长 度为l m ，而宽度保持2 r 不变。将每个小单元抽象为一个点光源，取每个小 单元中心点为发光点，如图中0 i “。 如图2 6 所示为灯丝线形分割的一个例子，在这里光源被分成3 份，每一份都 被当作点光源对待，最后把3 份的计算结果合成起来就得到近似的光强分布结 果。另外当灯丝被等分后，中间部分的温度比边缘高，由s 曲n b 0 1 乞飘趾定律，它 也就相应有比边缘高的光辐射。把这个因素考虑进去后就可珏得到更接近真实情 况的计算结果。 浙江工业大学硕士论文第二章灯丝分割 2 3 2 柱形分割 如图2 7 所示 a 懋 i i 图2 6 图2 7 将整个灯丝在轴向分割成l m 段，并在分割处的周向取点。这样我们将每 个点抽象为一个点光源。同样，也应考虑中间的点光源的有较高的光辐射。采用 柱形分割比线形分割能更好的模拟光源的空间配光分布。 2 3 3 螺旋模型模拟灯丝 为了摄到更真实的灯丝模型，用圆柱螺旋方程来模拟灯丝的形状。先建立灯 丝的螺旋方程。当圆柱螺旋线的轴线与坐标系的z 轴重合时，圆柱螺旋线上动 点m ( x ，y ，z ) 的参数方程如下“： f ；篡i 。坨。 i z = n 口( 2 疗) 在参数方程中：r 为圆柱面的半径，a 为螺旋线升角，t l 为导程( 即母线旋 转一周时，动点m 沿轴线方向上升的距离) ，右旋取正号，左旋取负号。 浙江工业大学硕士论文第二章灯丝分割 因为灯丝是一个螺旋体，如果把螺旋体分离成一个个点，可以看到有些点并 不在简化了的圆柱面上，也不在圆柱的中心。为了能够更好的模拟灯丝的发光情 况，直接在灯丝的螺旋体上取点光源那么每个点的坐标可以由圆柱螺旋线上动 点m ( x ，y ，z ) 的参数方程算出。并把所取的每个点看作点光源来计算。螺旋 灯丝如图2 8 所示 图2 8 2 4 线形分割、柱形分割以及螺旋模型模拟灯丝的比较 线形分割与柱形分割的不同之处在于柱形分割不但在灯丝的轴向取点而且 也在周向取点。线形分割和柱形分割的比较，就是突出柱形分割在周向取点的优 越性。 首先，在轴向分割点相同时，拄形分割产生的点光源比线形分割产生的点光 源多，特别是在靠近反射器的灯丝上取的点数比线形分割多，这样更能充分的模 拟灯丝模型。 其次，当反射器是纯抛物面时，柱形分割的主要优点体现不够具体，但当反 射器是椭圆抛物面时，它的优越性完整的呈现了出来。由于椭圆抛物面横截面的 x 轴向和y 轴向不同，那么柱形分割后，点光源在圆柱面上的位置不同，所起到 的作用也不同。图2 7 所显示a l 点和a 2 点到反射单元的距离不同，从而导致 光辐射能量的不同，它比线形分割更好的模拟了灯丝的发光情况。 由第二节阐述的灯丝分割原理可知，越接近反射器原点的灯丝点，它的反射 光线对反射单元的法向变化越敏感。第三节中提出的柱形分割是对灯丝进行了均 匀的分割，那么更好的分割方法是进行不均匀分割，即灯丝靠近反射单元的部分 多取点点。因为螺旋模型模拟灯丝方法可以在灯丝上任意取点，可以实现不均匀 划分这项功能，所以螺旋模型模拟灯丝的方法最优越。 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面功能区域划分 第三章多曲面功能区域划分 【摘要】本章首先阐述了汽车前照灯照明系统的两种类型，即欧洲前照灯系统e c e 和美 国前照灯系统s a e 两大系统，接着阐述了e c e 的常况及标准，为下节的功能区域的划分原理 的提出奠定了基础。接着基于汽车前照灯的国家标准，功能区域的大致划分图，以及反射器 反射光线的传播图，三张图结合阐述了功能区域的划分原理。在第三节中提出了，如果不对 功能区域作任何处理，对整个功能区域求光形的困难。提出了要将功能区域划分三角形网格 的设想，为第四章三角形网格的划分的提出，奠定了基础。 3 1 汽车照明系统的分类及标准 本节介绍汽车前照灯照明系统分为欧洲前照灯系统e c e 和美国前照灯系统 s a e 两类，并阐述了我国汽车前照灯系统的常况及标准“”“”。 3 1 1 汽车照明系统的分类 由于人们在防眩目这一课题中尝试了各种不同的方法，逐渐形成了欧洲前照 灯系统e c e 和美国前照灯系统s a e 两太系统。这两种系统，虽然用途和作用都 相同，但却基于不同的作用原理。欧洲近光系统追求的目标是最大限度地降低射 入迎面车辆系统驾驶员眼睛里的眩目的发光程度。而美国近光系统首先要解决的 任务是如何更好、更远地照亮道路。明暗截止线明显的欧洲前照灯系统只有在造 成汽车车身的振动很小的平整道路上行驶时才能发挥良好效果。在坎坷不平的公 路上，汽车的颠簸将导致前照灯在路面上的光斑产生不停顿的跳跃，即使迎面无 车辆驶来，驾驶员的视觉也会出现嫉妒疲劳。而无明显明暗截止线的美国前照灯 系统对于不平道路的敏感性却低很多。 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面功能区域划分 3 1 2 国际配光标准1 4 j 随着汽车交通运输业的飞速发展，行驶安全和交通管理成为了一系列需解决 的问题。早在十九世纪二十年代，各个国家相继对灯具的技术特性制订出严格的 规则标准。而国际贸易的发展，无论在计量单位和技术要求方面，常用产品的参 数及保证这些产品互换性的参数方面均提出有必要统一国际标准。由于地域原因 出现了两种国际标准。一种是美国汽车工程师协会的s a e ( s o c i e 锣o f a u t o m o d v ce r 晒n c e r s ) 标准( 如图3 1 所示) ，另一种是欧洲经济共同体 的e c e ( e c o n o m i cc o 1 l l 删t y o fe u r o p e ) 标准( 如图3 2 所示) 。 蜓粼烛q l e l x i - _ p ( 1 ) 远光 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面功能区域划分 婴r 1 瓮丝屯 啦 d l m p 一 ( 3 ) 雾灯灯光 圈3 1s a e 标准 在s a e 标准中，所有光束都投射到一个距前照灯2 5 英尺的屏幕上。 鼢光温 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面功能区域划分 图2 2e c e 标准 在e c e 标准中，屏幕在距前照灯1 0 m 处( 图示用于右行规则) ： 近光 明暗截止线的拐点应当在a a 范围之内，该值取决于每个国家的 情况，但最大为5 c m 1 0 m 水平截止线应当位于水平中心线以下x 处， 其值也由各国决定，但最大为1 0 1 5 吼1 0 m 远光 集中在垂直中心线两侧的a a 公差范围之内，水平中心线在近光 的水干明暗截止线之上：距离y 处y 应当是1 0 c m 1 0 m 。 雾灯灯光 其明暗截止线( 上明下暗) 在水平中心线以下z 处。由各国自行决 定但最大值应在2 0 2 5 c m 1 0 m 之间。 两种标准的主要区别在近光光束上。s a e 近光的投射光形与远光基本相同， 只是位置移到了右下方。而e c e 的近光则有清晰的明暗截止线，之所以出现这 两种不同的标准，主要是由于路况的差别所致。美国地域辽阔，人口相对稀少， 加之公路网密布，道路宽阔，汽车专用线( 高速公路) 极为普遍，混行道路较少， 交通十分通畅，司机很少顾及路边的非机动车和行人，因而会车几率低，用远光 的机会较多，故对近光作了较为简单的处理。欧洲情况则大不相同，道路窄，弯 浙江工业大学硕士学位论文 第三章多曲面功能区域划分 道多，混行道多，处处要顾及路边的非机动车和行人，会车几率高。因此，不得 不找出一种适合这样路况的光照，于是便出现了带明暗截止线的近光，而且在区 域照度的分布( 即配光) 上做了不少文章。该标准在近光灯丝下面加了一个形状特 殊的遮光罩，再将配光镜上按折射和反射的原理做出许多特殊的条纹，以便能满 足上述配光要求。远光虽也有配光要求，但要比近光简单得多。 3 1 3 e c e 配光标准1 4 】 目前我国前照灯系统使用的是欧洲前照灯系统e c e 系统前照灯。图3 3 是 欧洲前照灯系统e c e 灯丝的结构图。 l 童灯盛2 近兜灯盏3 配兜屏 图3 3 远光灯丝l 具有普遍形状，置于反射镜光轴上面的焦点上。因此，主灯丝产 生的光通量被抛物面反射镜反射成与反射镜光轴平行的微弱散射光束如图3 4 。近