조명시뮬레이션 소프트웨어는 크게 조명기구의 광학설계를 위한 소프트웨어와 조명계획안의 예측 및 평가를 위한 소프트웨어로 구분할 수 있으며, 그 사용이 점차 증가하고 있다. 조명기구의 광학설계를 위한 시뮬레이션 소프트웨어로는 Photopia 2.0이 대표적이며, 조명계획안의 적합성을 판단하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어는 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2와 AGI 32 등이 있다. 이러한 시뮬레이션 소프트웨어는 측정값과 시뮬레이션 결과값, 그리고 소프트웨어별 시뮬레이션 결과값이 상이하게 나오는 경우가 발생한다. 따라서 본 연구는 임의의 조명기구 측정 배광데이터와 Photopia 2.0의 시뮬레이션 배광데이터를 비교하고, 공간의 규모, 배광데이터, 마감재등의 같은 조건하에 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2와 AGI 32의 시뮬레이션 결과를 비교하여 차이점의 원인에 분석하고자 한다.
조명시뮬레이션 소프트웨어는 크게 조명기구의 광학설계를 위한 소프트웨어와 조명계획안의 예측 및 평가를 위한 소프트웨어로 구분할 수 있으며, 그 사용이 점차 증가하고 있다. 조명기구의 광학설계를 위한 시뮬레이션 소프트웨어로는 Photopia 2.0이 대표적이며, 조명계획안의 적합성을 판단하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어는 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2와 AGI 32 등이 있다. 이러한 시뮬레이션 소프트웨어는 측정값과 시뮬레이션 결과값, 그리고 소프트웨어별 시뮬레이션 결과값이 상이하게 나오는 경우가 발생한다. 따라서 본 연구는 임의의 조명기구 측정 배광데이터와 Photopia 2.0의 시뮬레이션 배광데이터를 비교하고, 공간의 규모, 배광데이터, 마감재등의 같은 조건하에 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2와 AGI 32의 시뮬레이션 결과를 비교하여 차이점의 원인에 분석하고자 한다.
Use of various lighting simulation software has been increased Lighting simulation software can be categorized into two types. One is for optical design while the other is for estimation and analysis of lighting design. Photopia 2.0 is typical software for optical design of a luminare and Lumen-micr...
Use of various lighting simulation software has been increased Lighting simulation software can be categorized into two types. One is for optical design while the other is for estimation and analysis of lighting design. Photopia 2.0 is typical software for optical design of a luminare and Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2 and AGI 32 are software for lighting design. Through using various lighting simulation software some different results can be found under the same conditions. Therefore, the purpose of this paper is to compare measured and simulated photometric data of different types of luminaires and to compare simulated values from Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2 and AGI 32 under the same conditions. In addition, the reasons for such differences are analyzed.
Use of various lighting simulation software has been increased Lighting simulation software can be categorized into two types. One is for optical design while the other is for estimation and analysis of lighting design. Photopia 2.0 is typical software for optical design of a luminare and Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2 and AGI 32 are software for lighting design. Through using various lighting simulation software some different results can be found under the same conditions. Therefore, the purpose of this paper is to compare measured and simulated photometric data of different types of luminaires and to compare simulated values from Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2 and AGI 32 under the same conditions. In addition, the reasons for such differences are analyzed.
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문제 정의
본 연구는 선정한 4가지 조명기구의 배광데이터와가장 유사한 결과를 도출하기 위해, 시뮬레이션 설정 조건을 반복. 변화시키며 유사한 시뮬레이션 결과를 갖는 재질과 광원의 위치를 도출하였다(표 5).
본 연구는 조명 시뮬레이션 소프트웨어의 적합한 활용을 위해 조명기구의 광학설계에 사용되는 Photopia 2.0과 조명설계에 사용되는 Lumen-Mcro 2000, Relux 2006, Li않itscape 3.2와 AGI 32를 선정하여 시뮬레이션을 하였고, 선정된 소프트웨어 중 공개된 알고리즘과 특징을 이해하기 위한 이론 고찰을 하였다. 그리고 각기 다른 형태의 4가지 조명기구를 선정하고, 조명기구의 모델링과 광학부품의 재질 및 조건을 설정하여 광학 설계 시뮬레이션을 통해 도출된 배광데이터와 조명기구의 측정 배광데이터와비교하였다.
2와 AGI 32를 이용하여 동일한 조건에서 시뮬레이션하여 도출된 그 결과를 비교 . 분석하여 그 차이점의 원인을 분석하고자 한다.
0을 활용하여 재질과 광원의 위치에 따른 시뮬레이션 배광데이터와 실측배광데이터를 비교 . 분석하였고, 이를 통해 차후 조명기구를 실제 제작하였을 때 배광데이터의 오차를 줄이는 것을 목적으로 한다. 그리고 적합한 조명계획안의 예측을 위한 시뮬레이션 소프트웨어인 Lumen-Mcro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.
가설 설정
조도의 직접성분은 조명기구로부터 면의 반사를 거치지 않고 계산 면으로 직접 도달되는 광속을 의미하며, 간접성분은 조도의 직접 성분을 제외한 실내 면의 반사를 거치고 계산 면에 도달되는 광속을 의미한다. 이때 광속이 반사되는 면은 완전확산 면(Lambertian surface)으로 가정하고, 이면을 다수의 유한 요소(Finite element) 3. 나누어 계산함으로써 보다 정확한 계산 값을 도출할 수 있다.
제안 방법
과거 조명기구의 광학 설계 및 공간에 적합한 조명설계를 하기 위해 광자(Photon)의 거동 예측과 조도 계산을 수계산으로 하였고, 실제 제작 및 측정을 통해 검증이 이루어졌다. 그러나 수 계산을 통한 광학 설계 및 조명설계는 많은 시간이 소비되는 방법이며, 이러한 방법은 컴퓨터를 이용한 조명시뮬레이션 소프트웨어의 개발과 상용화가 되기 전까지 지속되었다.
그리고 각 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 할 때, 결과 값 보정을 위해 변수설정이 가능하다. 그러나 본 연구에서는 각 소프트웨어의 기본적으로 설정된 변수 값을 이용한 변수설정에 따른 다양한 변수를 최대한 제어하여 시뮬레이션 결과값을 비교하였다.
모델링이 중요하다. 그러나 본 연구에서는 모델링에 의한 변수를 줄이기 위해 제조회사에서 모델링이 제공되는 조명기구를 선정하였다. 그리고 조명기구의 형태에 따른 시뮬레이션 결과를 비교하기 위 해표 1과 같이 형태가 서로 다른 4가지 조명기구를 선정하였다.
0의 시뮬레이션 시 광학 부품의 재질 선택과 더불어 광원과 광원의 위치 선택이 매우 중요하다. 그러나 조명기구 제조회사에서 제공하는 카탈로그는 도면과 광원의 위치가 정확히 명시되지 않는 실정이기 때문에 본 연구에서는 조명기구 제조회사에서 제공하는 모델링과 도면을 통해 광원의 위치를 유추하여 시뮬레이션하였고, 시뮬레이션 결과와 배광데이터를 비교하였다. 표 1의 4가지 조명기구 중 사용 광원이 하나인 Type A, C, D의 경우는 광원의 위치가 중앙일 때 유사한 결과를 보였으며, 사용 광원이 두 개인 Type B의 경우 표 4의 Test 6과 같이 광원 사이의 간격이 40而], 광원의 위치가 중심에서 아래로(-) 10[mm] 떨어진 지점에서 시뮬레이션한 경우 측정값과 유사한 결과를 나타냈다.
2와 AGI 32를 선정하여 시뮬레이션을 하였고, 선정된 소프트웨어 중 공개된 알고리즘과 특징을 이해하기 위한 이론 고찰을 하였다. 그리고 각기 다른 형태의 4가지 조명기구를 선정하고, 조명기구의 모델링과 광학부품의 재질 및 조건을 설정하여 광학 설계 시뮬레이션을 통해 도출된 배광데이터와 조명기구의 측정 배광데이터와비교하였다.
벽체의 반사율은 시뮬레이션에서 사용되는 일반적인 반사율로 설정하였고, 직접성분의 측정 시에는 모든 벽체의 반사율을 '0'으로 설정하였다. 그리고 간접성분은 시뮬레이션 조건의 반사율을 적용한 결과에서 직접 성분과의 차를 이용하여 산출하였다.
따라서 본 연구는 조명기구의 광학 설계를 위한 소프트웨어인 Photopia 2.0을 활용하여 재질과 광원의 위치에 따른 시뮬레이션 배광데이터와 실측배광데이터를 비교 . 분석하였고, 이를 통해 차후 조명기구를 실제 제작하였을 때 배광데이터의 오차를 줄이는 것을 목적으로 한다.
또한 조명설계 시뮬레이션을 위해 임의의 동일한 공간과 공간의 조건을 설정하고, 광학설계 시뮬레이션에서 사용된 4가지 조명기구를 활용하여 각각의소프트웨 어 별로 시 뮬레 이 션하였다. 그리 고 소프트웨어별 오차를 비교하여 Lightscape 3.
벽체의 반사율은 시뮬레이션에서 사용되는 일반적인 반사율로 설정하였고, 직접성분의 측정 시에는 모든 벽체의 반사율을 '0'으로 설정하였다. 그리고 간접성분은 시뮬레이션 조건의 반사율을 적용한 결과에서 직접 성분과의 차를 이용하여 산출하였다.
조건을 반복. 변화시키며 유사한 시뮬레이션 결과를 갖는 재질과 광원의 위치를 도출하였다(표 5). Type B와 D의 경우 오차가 크게 나타났는데 이는 곡면 형태인 조명기구의 3D 모델링에 있어서 곡면 부분에 절곡이 발생하며, 이는 조명기구의 실제 곡면과 다르기 때문에 시뮬레이션 결과에서 차이가 발생한 것이다.
본 연구는 조명 시뮬레이션 소프트웨어를 광학 설계와 조명계획안의 예측에 관한 두 가지 측면으로 비교 . 분석하였다.
본 연구는 조명기구 광학 설계 시뮬레이션 소프트웨어인 Photopia 2.0으로 4가지 조명기구의 시뮬레이션 배광데이터와 측정 배광데이터를 비교하였다. 시뮬레이션에 사용된 조명기구 3D 모델링은 제조회사에서 제공한 것으로 각진 형상의 조명기구는 광학 부품 재질의 특성 및 광원의 위치가 주요한 변수이고, 곡면 형상의 조명기구는 광학적 형상, 광학 부품 재질의 특성 및 광원의 위치가 주요한 변수로 작용했다.
본 연구에서는 간접성분을 분석하기 위해 각 측정지점의 조도와 직접 성분의 차를 이용하였고, 표 11 은 그 결과이다. 간접성분을 Lightscape 3.
본 연구에서는 조도의 차이를 직접성분과 간접성분 으로 구분하여 비교하였다. 표 9는 천정, 벽체, 바닥 면의 반사율을 '0'으로 설정하여 시뮬레이션한 직접 성분 결과이다.
본 연구에서는 효율적인 광학설계 시뮬레이션을 위해 Photopia 2.0의 시뮬레이션 결과와 측정 배광데이터를 비교하였다. 표 3은 Type A 조명기구의 광학 부품 재질 특성에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 결과와 같이 광학 부품의 광학적 특성에 따라 상이한 시뮬레이션 결과가 도출됨을 알 수 있다.
0으로 4가지 조명기구의 시뮬레이션 배광데이터와 측정 배광데이터를 비교하였다. 시뮬레이션에 사용된 조명기구 3D 모델링은 제조회사에서 제공한 것으로 각진 형상의 조명기구는 광학 부품 재질의 특성 및 광원의 위치가 주요한 변수이고, 곡면 형상의 조명기구는 광학적 형상, 광학 부품 재질의 특성 및 광원의 위치가 주요한 변수로 작용했다. 또한 광원이 하나 이상인 조명기구는 광원과 광원 사이의 거리도 주요한 변수로 작용하였다.
조명설계 시뮬레이션 결과를 직접성분과 간접성분으로 나누어 조도값을 비교. 분석하였다.
최소. 최대조도의 오차율을 비교하였으며, 조명기구에 따라 소프트웨어별 오차가 다양한 패턴으로 분석되었다.
대상 데이터
그러나 본 연구에서는 모델링에 의한 변수를 줄이기 위해 제조회사에서 모델링이 제공되는 조명기구를 선정하였다. 그리고 조명기구의 형태에 따른 시뮬레이션 결과를 비교하기 위 해표 1과 같이 형태가 서로 다른 4가지 조명기구를 선정하였다.
데이터처리
2와 AGI 32로 동일한 조건하에 조도를 직. 간접성분으로 구분하여 시뮬레이션 하고 그 결과를 비교. 분석하였다.
어 별로 시 뮬레 이 션하였다. 그리 고 소프트웨어별 오차를 비교하여 Lightscape 3.2의 공개된 알고리즘과 비교 . 분석하였다.
분석하였고, 이를 통해 차후 조명기구를 실제 제작하였을 때 배광데이터의 오차를 줄이는 것을 목적으로 한다. 그리고 적합한 조명계획안의 예측을 위한 시뮬레이션 소프트웨어인 Lumen-Mcro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2와 AGI 32를 이용하여 동일한 조건에서 시뮬레이션하여 도출된 그 결과를 비교 . 분석하여 그 차이점의 원인을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 각 소프트웨어의 직접성분 결과에서 발생하는 오차의 원인을 분석하기 위해 위의 표 10과 같이 조명기구 직하부의 직접성분을 식 (1)과 5 Times-rule을 이용하여 수계산하였다. 그 결과 AGI 32의 경우 5 Thnes-rule을 적용하지 않은 값과 동일한 결과를 보였으며, Lightscape 3.
최대조도의 결과가 대체로 낮게 나타났다. 본연구에서는 소프트웨어별 오차를 분석하기 위해 계산알고리즘이 공개되어진 Lightscape 3.2의 결과를 기준으로 표 8과 같이 평균. 최소.
분석하였다. 직접 성분인 경우 Lightscape 3.2와 AGI 32의 결과가 높게 나타났으며, 그 원인을 분석하기 위해 조명기구 직하부의 시뮬레이션 결과와 수계산 결과의 비교하였다. 그 결과 Lightscape 3.
이론/모형
그리고 Lumen-Micro 소프트웨어 자체에 내포된 모델링 기능을 사용하여 간단한 모델링을 할 수 있고, 비교적 짧은 시간 내에 시뮬레이션 결과와 간단한 이미지를 도출해 낼 수 있다[7]. Relux 는 다른 소프트웨어와 달리 광속전달법을 기반으로 하는 독자적인 계산 알고리즘(Point-to-Point Calculation)을 사용한다. 이 알고리즘은 조도 계산과정에서 시간을 단축하기 위해 개발된 것으로 하나의 유한요소로부터 받은 광속을 다른 유한요소로 재반사 할 때, 그 차이가 일정한 값 이하가 되면 계산을 끝내는 방식으로 되어 있다.
간접성분의 계산을 위해 먼저, 반사되는 면을 5 Times-iule을 이용하여 유한요소로 나누고, 역 자승 법칙을 이용하여 반사면의 직접 성분을 구한다. 그리고 직접성분을 받는 반사면의 반사율에 의한 초기 광속 발산 도를 구하고, 그 면에서 발산된 광속을 실내의 다른 면과 주고받는 과정에서 생기는 계산 면의 광속을 간접성분이라 할 수 있다.
또한 Lumen-Micro는 광속전달법의 알고리즘을 사용하여 인공조명기구에 의한 조도 계산 및 분석을 한다. 그리고 Lumen-Micro 소프트웨어 자체에 내포된 모델링 기능을 사용하여 간단한 모델링을 할 수 있고, 비교적 짧은 시간 내에 시뮬레이션 결과와 간단한 이미지를 도출해 낼 수 있다[7].
성능/효과
그 결과이다. 간접성분을 Lightscape 3.2를 기준으로 비교해 본 결과 다른 3가지 소프트웨어의 결과가 대체로 높게 나타났다. 특히 Lumen-Micro 2000 의 경우는 Type C를 제외하고는 약 30[%]안팎의 오차율을 보였으며, AGI 32의 경우는 평균.
이용하여 수계산하였다. 그 결과 AGI 32의 경우 5 Thnes-rule을 적용하지 않은 값과 동일한 결과를 보였으며, Lightscape 3.2도 5 Times-rule 을 적용하지 않은 값에 근접했으나 AGI 32에 비해 다소 높게 나타났다.
2와 AGI 32의 결과가 높게 나타났으며, 그 원인을 분석하기 위해 조명기구 직하부의 시뮬레이션 결과와 수계산 결과의 비교하였다. 그 결과 Lightscape 3.2와 AGI 32는 5 Times- rule을 적용하지 않은 결과와 유사하였으며, 이는 5 Times-rule을 적용한 결과와 유사한 Lumen-Micro 2000과 Relux 2006보다 다소 높은 값이었다. 따라서 직접 성분의 오차는 5 Times-rule의 적용여부에 의해 발생함을 알 수 있었다.
위치가 실제 제작할 조명기구와 같아야 한다. 그 결과 제작된 조명기구의 배광데이터와 유사한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있으며, 이는 조명기구 광학 설계의 오차를 줄일 수 있다.
분석하였다. 직접 성분의 경우 수계 산과 시뮬레이션 결과 비교를 통하여 Lightscape 3.2와 AGI 32의 경우 5 Times-rule0] 적용되지 않음을 알 수 있었다. Lightscape 3.
최대조도의 결과를 보면 모든 시뮬레이션에서 AGI 32의 오차율이 약 6〜10[%]로 가장 컸으며, Lumen-Micro 2000은 약 5[%] 안팎의 오차율을 보였다. 그리고 Relux 2006은 약 1[%] 안팎의 가장 적은 오차율을 보이며 Lightscape 3.
최소조도의 결과를 살펴보면 Lumen-Micro 2000 과 Relux 2006은 Type C의 시뮬레이션 결과를 제외하고 약 10[%] 안팎의 오차율을 보였으며, Type B인 경우는 Relux 2006의 오차율은 22.1[%]로 매우 컸다. 그리고 AGI 32인 경우는 대체로 약 5[%]안팎의 오차율을 보였으며, Type C인 경우는 3가지 소프트웨어의 결과 모두 5[%] 이내의 적은 오차율을 보였다.
그러나 조명기구 제조회사에서 제공하는 카탈로그는 도면과 광원의 위치가 정확히 명시되지 않는 실정이기 때문에 본 연구에서는 조명기구 제조회사에서 제공하는 모델링과 도면을 통해 광원의 위치를 유추하여 시뮬레이션하였고, 시뮬레이션 결과와 배광데이터를 비교하였다. 표 1의 4가지 조명기구 중 사용 광원이 하나인 Type A, C, D의 경우는 광원의 위치가 중앙일 때 유사한 결과를 보였으며, 사용 광원이 두 개인 Type B의 경우 표 4의 Test 6과 같이 광원 사이의 간격이 40而], 광원의 위치가 중심에서 아래로(-) 10[mm] 떨어진 지점에서 시뮬레이션한 경우 측정값과 유사한 결과를 나타냈다.
후속연구
분석하였다. 연구의 결과는 광학 설계 시 주의해야 할 변수와 조명계획 안에 적합한 시뮬레이션 소프트웨어의 선정에 관한 기초적 자료로 활용될 수 있을 것이며, 향후 실제 공간에서의 측정값과 시뮬레이션 결과값과의 비교. 분석이 이루어져야 할 것이다.
참고문헌 (9)
유기형, '몬테카를로 방법과 광선추적기법에 의한 아트리움의 자연채광 성능 예측에 관한 연구', 한얃대학교 대학원 석사학위논문, 1997.12
IESNA Lighting Handbook, Ninth Edition, Illuminating Engineering Society of North America, 1993
최안섭, 실내 조명계산에서의 Form Factor 계산메카니즘의 효율성과 정확성에 관한 연구, 대한건축학회논문지, 제18권 6호, 2002
Photopia 2.0, User's Guide
Steven Gortler 외2, Radiosity and Relaxation Methods, IEEE Computer Graphics and Application, 1994. 11
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