Симулятор отражений и затенения в LED-освещении

Интерактивный симулятор отражений и затенения в освещении позволяет наглядно смоделировать распространение света от светодиодного источника, его взаимодействие с препятствиями, отражение от различных поверхностей и влияние на сенсор-наблюдатель. Идеален для оценки эффективности расположения освещения, теней и отражённых потоков.

Возможности симулятора

• Задание положения светодиодного источника и угла излучения.
• Выбор мощности источника, угла рассеивания и цветовой температуры.
• Добавление препятствия с регулируемыми размерами и отражающими свойствами (матовый, пластик, металл и т.д.).
• Настройка положения сенсора и автоматическая оценка освещённости в его точке.
• Визуализация прямых и отражённых лучей в 2D-сцене, включая отскоки от поверхностей.
• Интерактивная тепловая карта распределения света по сцене с цветовой индикацией интенсивности.

Элементы интерфейса

Алгоритм расчёта

1. Рисуется заданное количество лучей (например, 50–100) из точки источника в пределах угла рассеивания \( \theta \)
2. Каждый луч отслеживается до:
   • пересечения с сенсором (прямое попадание),
   • пересечения с препятствием — отражение под зеркальным углом, ослабленное коэффициентом отражения
   • или выхода за границы холста
3. При отражении направление луча пересчитывается по формуле зеркального отражения:
   $$
   \vec{R} = \vec{L} — 2 (\vec{L} \cdot \vec{N}) \vec{N}
   $$
   где \( \vec{L} \) — вектор направления падающего луча, \( \vec{N} \) — нормаль к поверхности, \( \vec{R} \) — отражённый вектор
4. Если отражённый луч попадает в сенсор — это учитывается в общей освещённости как \( P \cdot R \), где \( R \) — коэффициент отражения

Выходные параметры

• Количество прямых и отражённых попаданий
• Расчётная суммарная освещённость в точке сенсора (в лм)
• Градиентная визуализация лучей на холсте
• Цветовая карта интенсивности (тепловая карта — от синего к красному)

Тепловая карта

Цвет пикселя поля рассчитывается в зависимости от количества лучей, прошедших через него. Используется нормализация по шкале интенсивности:

Пример расчёта

Исходные данные:

• LED-источник: X = 80 мм, Y = 170 мм, \( \theta = 60^\circ, P = 100\,\text{лм} \)
• Препятствие: X = 180, Y = 170, W = 60 мм, R = 0.6
• Сенсор: X = 280, Y = 170

Результат:

• Прямое попадание: 17 лучей
• Отражённых: 6 лучей
• Итоговая освещённость:
  $$
  P = 100 \cdot \left( \frac{17 + 6 \cdot 0.6}{50} \right) = 47.2 \, \text{лм}
  $$

Пояснение материалов

Применение программы

• Оценка эффективности размещения светодиодных источников на сцене или в помещении.
• Анализ теней и зон недостаточной освещённости.
• Выбор оптимального положения сенсора или датчика света.
• Учебные демонстрации отражения света и взаимодействия с поверхностями.

✍ Примечание: модель упрощена и предназначена для демонстрации. В профессиональных задачах учитываются спектральные параметры, угол БРДФ, текстуры и материалы в 3D.