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Dr. Carsten Funke
„LED-Leuchten und UGR: CIE-Vorschlag
zur Berücksichtigung von inhomogenen
Leuchtdichtestrukturen “
Dr.-Ing. Carsten Funke
Seite 1
14. Ilmenauer Lichttag
Ilmenau, 07. April 2018
07.04.2018
Dr. Carsten Funke
Inhalt
1. Aktuelle Situation
2. CIE JTC 7
3. Vergleich von UGR-Modifikationen
4. Effektive Fläche vs. Effektive Leuchtdichte
5. Fazit
6. Ausblick
07.04.2018 Seite 2
Exkurs ☺
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 3
1. Aktuelle Situation
LED-Leuchten zunehmend verbreitet in Innenräumen:
➢ mehr Möglichkeiten im Lichtdesign
➢ neue Anforderungen hinsichtlich Lichtqualität
Abbildungen: Philips, Zumtobel
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 4
1. Aktuelle Situation
• Unified Glare Rating (UGR) internationaler
Standard zur Bewertung der (psychologischen)
Blendung in Innenräumen
𝑈𝐺𝑅 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25
𝐿𝑏∙
𝑖=1
𝑛𝐿𝑠
2 ∙ 𝛺𝑠
𝑃2
• Blendungsbewertung mit UGR
nicht geeignet für LED-Leuchten
• Bestimmung der effektiven leuchtenden
Fläche schwierigAbbildungen: Zumtobel
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 5
1. Aktuelle SituationHäufige Fragen
Abbildungen: CIE JTC 7
• Welche Teile der Leuchte können als
blendend angesehen werden?
• Ist die maximale oder mittlere Leuchtdichte
relevant für den Blendeindruck?
• Reduziert eine Aufhellung der unmittelbaren
Umgebung die psychologische Blendung?
• Hilft es, die LEDs in einer Leuchte zu
konzentrieren oder auseinanderzuziehen?
Dr. Carsten Funke
1. Aktuelle SituationTypische sichtbare Eigenschaften von inhomogenen LED-Leuchten
07.04.2018 Seite 6
Abstand zwischen
den LEDs
Größe der LEDs
Lmax
LUmgebung
Farbe der LED
Leuchtdichtegradient
zwischen LEDs und
Umgebung
Größe / Form
der Leuchte
Ko
ntr
ast
@ Position im visuellen Feld, Abstand
zur Blendquelle, Lb, Aufgabe, …
Anzahl /
Anordnung
der LEDs
Dr. Carsten Funke
1. Aktuelle SituationRelevante Parameter auf die Blendung aus aktueller Forschung
07.04.2018 Seite 7
Abstand zwischen
den LEDs
Anzahl /
Anordnung
der LEDs
Größe der LEDs
Lmax
LUmgebung
Farbe der LED
Leuchtdichtegradient
zwischen LEDs und
Umgebung
Größe / Form
der Leuchte
Ko
ntr
as
t
@ Position im visuellen Feld, Abstand
zur Blendquelle, Lb, Aufgabe, …
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 8
1. Aktuelle SituationAntworten auf häufige Fragen
Welche Teile der Leuchte können als blendend angesehen werden?
➢ generell alle Bereiche mit Leuchtdichten größer als 500 cd/m²
Ist die maximale oder mittlere Leuchtdichte relevant für den Blendeindruck?
➢ mittlere Leuchtdichte ist relevant für modifiziertes UGR
➢ hohe Leuchtdichten gehen auch in die Berechnung mit ein und
sollten vor direkten Blick abgeschirmt werden
Reduziert eine Aufhellung der unmittelbaren Umgebung die psychologische
Blendung?
➢ nein – im Gegenteil: über 500 cd/m² nimmt die Blendung sogar zu
Hilft es, die LEDs in einer Leuchte zu konzentrieren oder auseinanderzuziehen?
➢ generell: nein
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 9
2. CIE JTC 7Kurzportrait
CIE JTC 7„Discomfort caused by glare from
luminaires with a non-uniform source
luminance“
Gemeinschafts-TC
D3 Innenbeleuchtung
D1 Sicht und Farbe
Start: Februar 2015
(vor.) Ende: Dezember 2018
letztes Treffen: Oktober 2017
Ziel:
Literaturrecherche zur Identifizierung relevanter,
zusätzlicher Parameter für UGR
UGR- Korrektur für inhomogene LED-Leuchten
nicht enthalten:
Neue Blendungsmodelle,
Einfluss des Spektrums,
Position im Blickfeld
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 10
2. CIE JTC 7Mitglieder
Chair: Naoya Hara JP
Co-Chair: Yukio Akashi JP
Secretary: Gilles Vissenberg NL
Members:
Kevin Poulton AU
Gertjan Scheir BE
Ronnier Luo, Yang Yang, CN
Christoph Schierz, Carsten Funke, Tobias Porsch DE
Martine Knoop, Günther Hasna DE
Sophie Jost, Céline Villa, Matthieu Iodice FR
Mukai Kenji, Etsuko Mochizuki, Yoshiki Nakamura, Hirokuni Higashi JP
Urszula Blaszcak PL
Nuanwan Tuaychareon TH
Yi-Chun Chen, Chien-Yue Chen, Kuei-Neng Wu, Shau-Wei Hsu TW
Naomi Miller, Yulia Tyukhova USA
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 11
3. Vergleich von UGR-ModifikationenZwei Bewertungsansätze
Effektive Fläche Effektive Leuchtdichte
Leff=Ls,mean (1+ σ /Ls,mean)0.68
Leuchtdichtebild
aufnehmen
Weichzeichnen des
Bilds anhand der
Auflösung des
Auges
Berechnen der Fläche
und der mittleren
Leuchtdichte anhand
der hellen Flächen
(L>Lthreshold)
Leuchtdichtebild
aufnehmen
- mittlere Leuchtdichte Ls,mean
- geometrisches Mittel Ls,geomean
- Standardabweichung σ
Berechnen der effektiven Leuchtdiche:
KU Leuven (Belgien)
TU Ilmenau (Deutschland)
Kansai University (Japan)
Zhejiang University (China)
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 12
3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche mit Leuchtdichteschwelle (TU Ilmenau)
• Idee: nur die wirklich störenden Teile der
Leuchte werden berücksichtigt
• Hypothese: durch 𝑼𝑮𝑹~𝐥𝐠(𝑳𝒔𝟐 ∗ 𝜴𝒔) resultiert
bei „geschickter“ Wahl der Fläche der
empfindungsgemäße UGR-Wert
➢ Leuchtdichteschwelle zur Ermittlung der
leuchtenden Fläche:
• feste Schwelle = 500 cd/m² (CIE 117)
• adaptive Schwelle (z. B. WOLF 2004)
Fotos: Ingo Herzog
Dr. Carsten Funke
3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche im JTC7 (TU Ilmenau / KU Leuven)
07.04.2018 Seite 13
Start:
Hochauflösendes
Leuchtdichtebild
(aus Probandensicht)
Filterung mit Sehschärfe
(12 mm/px an der Leuchte
– Worst Case bei
typischen Raumhöhen)
Entfernen der Pixel
unterhalb der
Leuchtdichteschwelle
(500 cd/m2)
Berechnen der gesamten
leuchtenden Fläche und der
mittleren Leuchtdichte der
Blendquelle
Gruppierung aller
Einzelblendquellen
innerhalb der
Blendquelle
Aeff
Ls,eff
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 14
Exkurs: Setup TU Ilmenau
Foto: Christoph Hupe
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 15
Exkurs: Setup TU Ilmenau
Eyetracker
15°
Hintergrund-
leuchtdichte
42 cd/m²
bis
190 cd/m²
Blendquelle
2
45
15°
4,20 m
2,8
0 m
1
3
Ambient-
beleuchtung
7
8
Monitor
6
9
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 16
Exkurs: Setup TU Ilmenau
• Blendquellengröße: 60 cm x 60 cm
• Anzahl der LEDs: 1…121
• Anzahl Strukturen: 12
• Farbtemperatur (CCT): 4000 K
• Leuchtdichte der LEDs (Lh):
8∙102…8∙103…8∙104…4∙105 cd/m²
• Leuchtdichte der Umgebung (Ld):
102…103…104 cd/m²
je 71 Leuchtdichtekonfigurationen
pro Aufgabe
Lh Ld
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 17
Exkurs: Setup TU Ilmenau
Fotos: Stephan Meier
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 18
Exkurs: Setup TU Ilmenau
Foto:
Meier, Stephan: „Entwicklung und Inbetriebsetzung einer Steuerung für eine LED-Deckenleuchte“, 2014
Messauflösung beeinflusst erfasste Leuchtdichten und
ermittelten UGR-Wert
➢ Zwei LMK: Fisheye-Objektiv (Raum), 25mm-Objektiiv (Leuchte)
(1,45 Mpx)
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 19
Exkurs: Setup TU IlmenauDefinition der leuchtenden Fläche (TU Ilmenau)
Erforderliche Auflösung abhängig von Physiologie des Auges
➢ Reduzierung des Bildauflösung ( Visus)
➢ Berücksichtigung max. wahrgenommener Leuchtdichten
➢ Glättung des Bildes gemäß perzeptiver Felder
Berechnung der Leuchtdichteschwelle und UGR:
▪ Schwelle, Pi und Lb Raumbild +
geglättetes Leuchtenbild
▪ Ls,i und Ωs,i geglättetes Leuchtenbild
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 20
Exkurs: Setup TU IlmenauAdaptives Verfahren nach WOLF
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 21
Exkurs: Setup TU IlmenauDefinition der leuchtenden Fläche (TU Ilmenau) nach Konsolidierung
Erforderliche Auflösung abhängig von Physiologie des Auges
➢ Reduzierung des Bildauflösung ( Visus)
➢ Berücksichtigung max. wahrgenommener Leuchtdichten
➢ Glättung des Bildes gemäß perzeptiver Felder
Berechnung der Leuchtdichteschwelle und UGR:
▪ Schwelle, Pi und Lb Raumbild +
geglättetes Leuchtenbild
▪ Ls,i und Ωs,i geglättetes Leuchtenbild
Dr. Carsten Funke
3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche im JTC7 (TU Ilmenau / KU Leuven)
07.04.2018 Seite 22
Start:
Hochauflösendes
Leuchtdichtebild
(aus Probandensicht)
Entfernen der Pixel
unterhalb der
Leuchtdichteschwelle
(500 cd/m2)
Berechnen der gesamten
leuchtenden Fläche und der
mittleren Leuchtdichte der
Blendquelle
Gruppierung aller
Einzelblendquellen
innerhalb der
Blendquelle
Aeff
Ls,eff
Filterung mit Sehschärfe
(12 mm/px an der Leuchte
– Worst Case bei
typischen Raumhöhen)
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 23
3. Vergleich von UGR-ModifikationenEffektive Leuchtdichte (Kansai University und Zhejiang University)
• Idee: Korrektur der mittleren Leuchtdichte mit empirischem Modell
• Hypothese: k = f(Gleichmäßigkeit innerhalb Leuchte)
• Ls,eq = k ∙ Ls,mean
𝑈𝐺𝑅 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25
𝐿𝑏∙
𝑖=1
𝑛(𝒌 ∗ 𝐿𝑠 )² ∙ 𝛺𝑠
𝑃2
Kansai University: 𝑘 = −4.537 − 6.26 ∙ 𝑙𝑔𝐿𝑠,𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑎𝑛
𝐿𝑠,𝑚𝑒𝑎𝑛
Zhejiang Univeristy: 𝒌 = 𝟏 +𝝈
𝑳𝒔,𝒎𝒆𝒂𝒏
𝟎,𝟔𝟖
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 24
3. Vergleich von UGR-ModifikationenVergleich der Modelle mit verschiedenen Probandendaten
Problem beim Quervergleich von Studien:
• verschiedene Ratingskalen
• versch. Probandenkollektive“DUGR” = 0
“DUGR” > 0
Lösung:
• Bestimmung der Differenz zu UGR
innerhalb der Studie
(= DUGR)
• Vergleich von homogenen und
inhomogenen Blendquellen
• Vergleich von DUGRModell und
DUGRsubjektiv
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 25
3. Vergleich von UGR-ModifikationenVergleich der Modelle mit verschiedenen Probandendaten
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 10 100 1000 10000 100000
Sub
jekt
ives
Urt
eil
(bel
ieb
ige
Skal
a)
mittlere Leuchtdichte luminance (cd/m2)
homogene Blendquelle
inhomogene Blendquelle
“Leuchtdichteshift”k = Lhomogen / Linhomogen
𝑈𝐺𝑅𝑘𝑜𝑟𝑟 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25
𝐿𝑏∙
𝑖=1
𝑛(𝒌 ∗ 𝐿𝑠 )² ∙ 𝛺𝑠
𝑃2 DUGR = 8 ∙ lg k2
DUGR = UGRkorr – UGR1995
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 26
3. Vergleich von UGR-ModifikationenVergleich der Modelle mit verschiedenen Probandendaten
Vorteile von DUGR als Vergleichskriterium:
+ leichte Vergleichbarkeit verschiedener Studien zueinander
+ DUGR ist quasi unabhängig von der verwendeten Rating Skala
+ der Vergleich DUGRsubjektiv vs. DUGRModell ist sensibler als der
Vergleich UGRsubjektiv vs. UGRModell
+ DUGR kann man sich „relativ leicht“ vorstellen – es ist die Differenz
zum „normalen, gemessenen UGR-Wert“
DUGR = UGRkorr – UGR1995 UGRkorr = UGR1995 + DUGR
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 27
4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Technischen Universität Ilmenau, Deutschland
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 28
4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Kansai University and Utsonomiya University, Japan
T. Tashiro, S. Kawanobe, T. Kimura-Minoda, S.
Kohko, T. Ishikawa and M. Ayama, Lighting Res.
Technol. 2015; 47, p. 316-337
HARA, N., HASEGAWA, S. (2012) Journal of
Illuminating Engineering Institute Japan 96 (2), p.
81–88.
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 29
4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Zhejiang University, China
Y Yang, M Ronnier Luo, S-N Ma and X-Y Liu, Lighting Res. Technol. 2015; 49: 195-210
Y Yang, M Ronnier Luo and SN Ma, Lighting Res. Technol. 2016; 49: 727-742
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 30
4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteZusammenfassung aus den Quervergleichen
Daten
Kansai
Daten
Utsonomiya
Daten
Zhejiang
Daten
TU Ilmenau
Effektive Fläche
Effektive Leuchtdichte
(Kansai)
Effektive Leuchtdichte
(Zhejiang)
➢ Die Modelle mit effektiver Leuchtdichte versagen bei anderen Datensätzen.
➢ Das Modell mit effektiver leuchtender Fläche funktioniert bei allen
Datensätzen ohne weitere Anpassung recht gut.
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 31
5. ZusammenfassungVorschlag zur Verbesserung von UGR seitens CIE JTC 7
4 hochauflösende
Leuchtdichtebilder
(50° und 65°zur
Normalen, jeweils
längs und quer)
Gaußfilterung
mit 12mm/px
Halbwertsbreite
Entfernen der Pixel
unterhalb der
Leuchtdichteschwelle
(aktuell: 500 cd/m2)
Gruppierung aller
Einzelblendquellen
innerhalb der Blendquelle
und Berechnung As,eff / Ls,eff
Aeff
Ls,eff
𝐴𝑝 =𝐼2
𝐿𝑒𝑓𝑓2 𝐴𝑒𝑓𝑓
Definition der
leuchtenden Fläche:
Achtung: Ap is nicht zwingend gleich Aeff! (nur wenn die dunklen Bereiche
<500cd/m2 einen vernachlässigbaren Anteil an der Lichtstärke haben, ist Aeff = Ap)
Der kleinste der 4 resultierenden
Flächen wird als Ergebnis gewählt.
(Worst Case Ansatz)
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 32
5. ZusammenfassungVorteile des CIE JTC 7 Vorschlags
Vorteile:
+ UGR kann wie bisher weiter verwendet werden
+ stabile Leuchtdichteschwelle bei 500 cd/m²
+ klare Anforderungen an Messmittelfähigkeit (<12mm/px Auflösung)
+ neues UGR hat keinen Einfluss auf DIALux, etc.
+ Tabellenverfahren kann ebenfalls bestehen bleiben
+ sehr gut geeignet zur Messung von Rauminstallationen
(geeignete Kamera-Auflösung vorausgesetzt)
DUGR > 0 DUGR = 0
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 33
6. Ausblick
➢ Abschluss des Technischen Reports bis Ende 2018
➢ Bis dahin ggf. weitere Anpassung von Verfahrensparametern, z.B.
➢ Anzahl und Position Messwinkel
➢ Gewichtung der Messwinkel (Worst-Case / Mittelung, etc.)
➢ Anschließend Nachfolge-TC(s) mit
weiterführenden Inhalten:
➢ Neue, Physiologie-basierte
Blendungsmodelle
➢ Einfluss des Spektrums /
der Farbe
➢ Position im Blickfeld
(peripher vs. foveal)
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 34
Vielen Dank!
Naoya Hara
Yukio Akashi
Yang Yang
Ronnier Luo
Gilles Vissenberg
Gertjan Scheir
Leonie Geerdinck
Christoph Schierz
Tobias Porsch
Peter Dehoff
Martine Knoop
Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 35
BackupHerleitung 12mm/px Raster anhand Auflösung
α Winkel aus Beobachtersicht
β erkennbare Objektgröße
r Abstand zur Leuchte
H Raumhöhe über Beobachter
d minimal erkennbares Objekt
𝛽 ≈ 0,01 ∙ (1 + 𝛼) 𝑑 = 𝑟 ∙ tan 𝛽 =𝐻 ∙ tan 𝛽
sin 𝛼
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