LED灯光仿真控制系统的软件设计

　　1 引 言

　　随着LED灯光在城市亮化工程和广告行业中的广泛应用，工程商对LED灯光的显示效果也有了更进～步的要求。如何开发出能够满足工程实际需要，并且便于工程施工的控制系统是非常重要的，本文从照明光学的基本理论出发，利用仿真系统的观点，开发了基于OpenGL下的仿真控制系统，使得在系统施工之前就能够通过计算机软件模拟出灯光的实际显示效果，方便了系统的设计和方案的论证，节约时间和资金，提高了系统工程的实施效率，并能够同步将控制信息与下面的控制系统相连，动态生成控制信息，使得工程师可以专注于系统的设计，而不必编写复杂的效果程序。LED照明灯光仿真控制系统给灯光设计师一个全新的理念，各种复杂的大型灯光工程都可由灯光工程师灵活地在计算机上用软件设计完成。然后在灯光网络上运行，改变灯光方案非常便捷，复杂的灯光设计像设计动画一样简捷，灵活和富有情趣。

　　2 系统功能

　　目前LED技术正在突飞猛进地快速发展，但是LED照明产品存在着许多问题。现有的LED照明产品沿用了许多霓虹灯的控制方法，采用了单控制器，预编程的控制，这样造成了灯光变换图案比较单一。针对传统的灯光控制中存在的设计复杂、软件通用性差的缺点，我们在全面调研现有的控制系统的基础上，设计开发了LED灯光仿真控制系统，它采用最新的计算机仿真技术，为设计师提供一个虚拟的操作空间，在此设计师可以根据自己的需求来设计各种灯光的控制效果，并能够在虚拟的环境中来观察实际的设计效果，大大提高了工作效率，减少了系统的整体投资和风险。主要包括如下功能模块：

　　2.1 系统布局模块

　　传统的设计方法都是通过设计师进行设计，设计师的理念只有自己是最清楚的，在施工之前人们无法看到实际的效果，因此极大限制了系统的应用。本系统在借鉴最新的计算机可视化技术的基础上，采用虚拟现实技术，使设计师在虚拟的设计空间进行设计，设计的效果可以直接进行演示，其它人员在施工之前就可以看到系统的实际设计效果，因此可以极大的提高系统的灵活性和可操作性。

　　具体操作是将要安装LED照明灯光控制系统的背景建筑的图片调入系统，设计师可以根据具体的建筑实际情况和比例来布置灯光，同时可以考虑建筑物各种复杂的约束条件，灯光的各种布置效果及可能存在的限制，在计算机上可以直接显示出来，这样就大大提高了系统的设计效率。

　　2.2 效果设计模块

　　灯光的显示效果是系统设计的一个最为关键的步骤，以往只能通过设计师的描述来了解实际的情况。本软件可以将设计师的实际理念转变为实际的显示效果，在虚拟的显示空间进行显示，同时人们可以根据实际显示的效果来提出相应的修改意见，逐步完善，将系统的风险放在设计的过程中，减少了投资的风险，大大提高系统的实用性。

　　2.3 虚拟演示模块

　　在前面设计的基础上，利用虚拟现实技术可以在计算机营造的虚拟环境中演示实际设计系统的效果，在此人们可以看到系统的真实现实情况，同时可以听取各方意见，对方案进行补充和完善，进而设计出更加理想的LED照明灯光控制系统。

　　2.4 接口模块

　　本系统采用了20V差分传输技术，并联结构，传输距离可达5km，并将网络接入了每一个灯具。使所有联线都是4根线。两根电源线，两根控制线。本系统网络协议采用了单帧命令结构，十分灵活，可靠。整个系统中只要一个控制器。灯具内的CPU能解释及执行控制器发来的命令。同时网络协议能方便地与TCP/IP，RS232接口转换。

　　3 系统结构

　　为了实现系统设计的功能，提高系统操作的灵活性，以及为灯光设计师提供一个虚拟的环境，本系统采用VC++.Net作为系统的开发语言，同时采用OpenGL、VrmI等技术来实现一个虚拟环境，在此设计师就象在实际的工作现场一样来布置灯光，设计灯光的显示效果。为了能够实现演示效果和动态修改系统的灯光控制方案，在虚拟环境的构建上需要采用最新的虚拟现实实现技术，来为设计师和业主提供一个”真实”的环境，在此，人们可以象在现实环境中一样看到灯光的具体现实效果。功能模块如图1所示：

　　图1 系统结构

　　3.1关键技术

　　系统主要采用虚拟现实技术来构建虚拟的操作、设计、显示环境。主要包括：Net技术、OpenGL、VRML、数字智能技术，现场总线技术等。

　　(1)虚拟设计空间的设计：要求设计一个虚拟的设计空间，在此设计师可以根据业主的要求来设计灯光的布置情况和整体效果，所见即所得;

　　(2)智能化效果设计：要求计算机能够智能的记录设计师所设计的每种显示效果，并能够自动生成相应的控制语言规则;

　　(3)虚拟环境的效果展示：能够将设计师设计的效果进行虚拟展示，供业主和管理人员欣赏，要求能够从不同的角度来欣赏显示的效果;

　　(4)数字智能技术应用：能够智能实现场景与灯具的对比，这是实现虚拟显示的基础，达到智能控制;

　　(5)智能化通信规则的建立：在智能化效果设计的过程中，要求能够智能转变为通信规则，同时能够与控制器、主控器实现通信控制。

　　3.2系统特点

　　(1)可视化的系统布局设计：灯光设计师可以根据实际需求设计出各种布局效果来满足业主的需求;

　　(2)灵活的显示效果设计：灯光设计师在计算机上可以设计出各种显示效果，操作简单，只需动动鼠标就可以完成复杂的设计方案，修改简单方便;

　　(3)虚拟现实演示：在计算机营造的虚拟环境中展示设计师的设计理念和实际的效果，业主在施工前就可以了解到实际的显示效果，减少投资风险：

　　(4)先设计，后施工：本系统提供了功能强大的灯光控制模拟软件，灯光工程师能在工程招标时就设计好控制程序，并在PC上完成虚拟展示，让业主看到未来的效果。在灯光施工完成后也能修改和添加灯光程序，大大提高了灵活性。

　　4 总 结

　　本文通过对LED灯光控制系统现状的调研，提出了基于OpenGL技术的仿真控制系统设计方案，并详细设计了系统的功能，给出了具体的实现方法，通过现场实际应用情况来看，能够大大提高系统设计的灵活性和便捷性，大大缩短系统的建设周期，为LED灯光系统的建设提供了良好的方案。

编辑：Cedar