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종옥 순
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1 1. RADIANCE 프로그램의개요 RADIANCE 프로그램은미국국립 Lawrence Berkeley Laboratory(LBL) 의조명연구팀이개발한프로그램으로서 1987년이래로버클리의캘리포니아대학건축공과에서사용되어오고있는조명렌더링및시뮬레이션프로그램이다. RADIANCE 프로그램은 UNIX환경의워크스테이션급컴퓨터에서적합하게실행될수있으며, C언어로컴파일링되어있다. 표 1은 RADIANCE 프로그램이실행될수있는사양과 RADIANCE 프로그램에서사용할수있는파일로변환할수있는파일형식을보인것이며, 표 2 는 GI(Graphics Interface) 를지원하는환경을보인것이다. 표 1에서와같이이전까지의사용환경은 UNIX를 OS로사용하는워크스테이션급컴퓨터에서실행되었으나, 현재 PC의 Windows 환경에서사용할수있는 Desktop RADIANCE 1.0 이배포되고있다. RADIANCE 프로그램은무료로배포되고있어서인터넷사용자는쉽게이프로그램을얻을수있으며, 개발자및사용경험이풍부한사용자들로부터많은도움을받을수있다. 또한전세계적으로인터넷을이용한사용자그룹이형성되어있어사용상의문제에대한토론, 정보와자료의교환이이루어지고 있다. 이러한상황으로미루어보아, 앞으로 RADIANCE 프로그램이미국의연구개발그룹과고도의설계를수행하는그룹들에게표준으로될가능성이크다고할수있다 ( 김훈, 1997). 표 1. RADIANCE 프로그램의환경실행가능한환경변환가능한파일형식 Sun3, Sun4 workstation GDS Things File DECstation running IES Luminaire Data ULTRIX Sun8 and 24-bit Silicon Graphics IRIS Rasterfiles Mac Ⅱ running A/UX Architrion Text File IBM running AIX AutoCAD DXF (next release) Targa 8, 16, 24 and 32-bit images 표 2. RADIANCE 프로그램의 GI 지원환경 GI(Graphics Interface) 지원환경 X11 8-bit or grayscale and 24-bit color displays X10 8-bit color or grayscale displays SunView 8-bit color or grayscale News color or grayscale AED 512 color graphics terminal 第 16 卷第 1 號 2002 年 2 月

2 RADIANCE 프로그램 2. RADIANCE 프로그램의기본개념 RADIANCE 프로그램은역광선추적기법 (Backwards Ray-tracing Technique) 을기초로한다. 이것은광선이자연적으로진행하는방향의반대방향으로추적하여, 실제광선이발생한광원의활동을예측하는것을의미한다. 그과정은눈으로부터시작하여공간의대상물들의표면들을따라모든물리적상호작용을계산하여광원까지의광선을쫓아가게된다 (Ward, 1994). 이러한개념은몬테카를로방법과광선추적기법에기본바탕을두고있다. 실제공간에서광원으로부터반사된광선은결국흡수될때까지반사, 투과되는데우리가실제로보게되는장면은이러한광선들이망막에영상을만든것이다. 이처럼망막에영상이맺히게되는것은공간내에존재하는전체광선중일부분만이재실자의눈에들어옴으로써이루어지는것이므로, 눈으로부터주변환경을거쳐광원으로까지의광선을역으로추적함으로써, 광원으로부터나온광선들의거동을확인하여빛환경을가시화할수있게된다 (Crone, 1992). RADIANCE 프로그램은대상물의 3차원기하학적인영역에의한 Scene 파일을기본으로하는데, 이러한 3차원영역은표면들로이루어져있으며공간의비어있는상태가된다. 이러한공간의표면은각각정의된방향을갖고있으며, 이러한방향은데카르트좌표계 (XYZ 좌표 ) 에기초한다. 기본적으로 X축은동쪽을향하고, Y축은북쪽을향하며, Z축은천장을향한다. 일반적으로 X축을따라공간의주요표면 ( 예를들어, 대상실의벽과같은수직평면 ) 을위치시키고, 그에따라나머지들을정렬하는방식으로진행하게된다. 좌표는길이단위로주어지게되며, 대상공간에서길이는상대적으로작용하게된다. 각표면은오른손법칙에따라좌표의입력순서가시계반대방향일때사용자가보는면 ( 바깥쪽면 ) 으로인식된다 ( 반대의경우에는안쪽면이되는것 ). RADIANCE 프로그램내부에서사용되는광선은 [W/m2sr] 로표현되는복사에의해이루어진다. 이러한복사는 red, green, blue의세가지주요색채에의해세가지채널 (RGB) 로나누어지게된다. 그에따라총복사값은세가지채널에의해공급된 Rr, Rg, Rb의합으로구성된다. 이러한색채널에의해광선을모델링하는방법은빛의스펙트럼분포가좁은파장대역에서많은채널을사용할경우에비교적정확하지못한결과를낳을수도있으나, 재료나천공에대한색을표현할경우에는유용한결과를얻을수있다 ( 예, CIE XYZ좌표계 )(Compagnon, 1997). 3. RADIANCE 프로그램의구성요소 3.1. RADIANCE 프로그램의기본요소 RADIANCE 프로그램은다수의독립된프로그램모듈로구성되어있어서 3차원공간의기하학적모델링에필요한도구, 광원및재료의광학적특성을모델링하는데필요한도구, 계산결과를가시화하여이미지파일을작성및변환하는도구, 눈부심현상을분석하여가시화하는도구등빛환경의모델링및분석, 평가에필요한거의모든기능을제공하고있다 (Crone, 1992; Ward, 1998). 그림 1은 RADIANCE 프로그램의 3가지기본모듈을보인것이다. 입력모듈에는대상공간의 3차원기하학적요소와천공및인공조명을모델링하기위한광원데이터, 그리고공간에사용된재료및반사율, 투과율을입력한다. 계산모듈에서는입력모듈서의데이터를모두조합하여모델링하여대상면의조도및휘도분포를계산하고, 이미지생성을위한관측점, 관측방향, 관측각도를지정한다. 이러한지정에따라이미지파일을생성하고크기및밝기를조절하여원하는이미지를출력한다. 照明ㆍ電氣設備學會誌 - 7 -

3 INPUT MODULE Generator XFORM 대상공간의 3 차원기하학적모델링 광원데이타 : 천공데이터, 인공조명데이터 Scene Description 실데이타 : 조도계산대상면및기타면의재료특성및반사율, 투과율 Other Values COMPUTATION MODULE OCONV RTRACE PVALUE 대상공간의기하학적, 광학적데이터를조합하여모델링 OCONV 대상면의조도분포및휘도분포계산 이미지생성을위한관측점, 관측방향및관측각도지정 Octree RPICT RVIEW Picture Filter Auxiliary Files Driver OUTPUT MODULE Image 이미지파일생성 RPICT 이미지의크기, 밝기조절 PFILT 그림 2. RADIANCE 프로그램의기본흐름 그림 1. RADIANCE 프로그램의기본모듈 3.2. RADIANCE 프로그램의구성파일표 3은위의과정에따른 RADIANCE 프로그램의내부의파일형식을보이고있다. 각각의텍스트파일은사용자가직접작성하여적용되는파일이며, 바이너리파일은 RADIANCE 프로그램내에서시뮬레이션및변환된파일이다. 텍스트파일외의바이너리파일들을생성하는데에사용된모든명령어와매개변수의목록을보기위해서는 GETINFO 명령을사용한다 RADIANCE 프로그램의기본흐름그림 2는 RADIANCE 프로그램의구성및데이터처리과정을보여주는것이다. 사용자는 RADIANCE 프로그램에서제공하는 Generator( 기본적인텍스트파일편집기 ) 를이용하여대상공간의기하학적자료를입력하여 *.rad(scene file) 파일을작성한다. 같은형상이다수존재할경우, 하나의형상을모델링하여 XFORM 명령에의해여러곳에복사하고회전시킬수도있다. 그러나, ACAD2RAD 또는 TORAD와같은보조변환프로그램을이용할경우 3차원으로작성된 AutoCAD 파일로부터대상실의기하학적자료를갖 표 3. RADIANCE 프로그램의파일구성 파일형식 확장자 파일타입 Scene-Materials and geometry definitions.rad Text Numeric data tables.dat Text Functions.cal Text Internediate data to calculate glare indices. 힘 Text Progress reports.log Text Parameters defining a RADIANCE project.rif Text Octree-compiled version of a scene.oct Binary RADIANCE picture.pic Binary Ambient illuminance values.amb Binary TiFF format picture.tif Binary 는 *.rad 파일을자동생성할수있게되는데이러한경우사용자는텍스트편집기를이용하여대상물의재료특성의모델링만추가적으로해주면된다. 위와같은방법에의해대상공간의기하학적, 광학적모델링이완료되면 OCONV 명령을실행하여광선추적기법을적용하기위한 octree 파일, 즉 *.oct 파일로변환한다. 그리고 RVIEW, RPICT, RTRACE 등의명령에의한광선추적결과로부터조도분포및휘도분포 第 16 卷第 1 號 2002 年 2 月

4 RADIANCE 프로그램 값을계산하고, 그결과로부터이미지파일인 *.pic 파일을생성한다. *.pic 파일은 PFILT 명령과같은그래픽필터를이용하여이미지의크기나밝기를조절하고화면에이미지를가시화하게된다. 이미지의생성을위하여사용자는 RVIEW, RPICT 명령에관측점, 관측방향및관측각도등을지정하는매개변수를입력하여야한다 ( 양혜인, 2000). 4. RADIANCE 관련주요적용분야 그림 5. 롱샹성당의자연채광에의한휘도분포 4.1. 자연채광및인공조명설계안의정량적, 정성적평가 그림 3. 천창을갖는전시공간의자연채광효과의가시화 그림 6. 샹들리에와월워셔 (Wall Washer) 에의한조명설계안의가시화 그림 7. 네온광원의가시화 그림 4. 자연채광에의한조도분포 4.2. 야간경관조명설계안시뮬레이션 照明ㆍ電氣設備學會誌 - 9 -

5 그림 11. 광학적투과및굴절가시화 그림 8. 탑의야간경관조명가시화 그림 9. 교량의야간경관조명가시화 그림 12. 연무에의한빛의산란가시화 4.3. 기타적용분야 5. RADIANCE 관련주요적용사례 5.1. KOSMO TOWER 야간경관조명 RADIANCE 프로그램의정확성을검증하기위하여서울강남구대치동에위치한한국담배인삼공사본사사옥의야간경관조명을시뮬레이션한것이다. 시뮬레이션에의한휘도분포값과휘도계로측정한값을비교하였다. 그림 13~그림 14는 RADIANCE로가시화된 KOSMO TOWER 의이미지이다. 그림 10. 무대조명의가시화 第 16 卷第 1 號 2002 年 2 月

6 RADIANCE 프로그램을설계하고설계된조명갓이위의두조건을만족시키는지의여부를 RADIANCE 시뮬레이션에의해검증하는방식으로연구가수행되었다. 그림 15 ~ 그림 18은본프로젝트에서생성된 RADIANCE 이미지의일부이다. 그림 13. KOSMO TOWER의사진이미지 ( 좌 ) 와 RADIANCE 가시화이미지 ( 우 ) 그림 15. 조명갓을설치하지않은기존상태에서컨테이너가야적된부두바닥면조명분포 그림 14. KOSMO TOWER의휘도분포 5.2. 부산감만부두조명탑에의한눈부심현상분석및개선안도출우리나라최대컨테이너부두인부산감만부두의야간조명이부산항을출입하는대형선박운항자에게눈부심현상을초래하고바다의부표를볼수없게만드는문제를해결하기위하여본연구실과한국해양연구소가공동으로수행한프로젝트이다. 개선안의기본원칙은기존의부두바닥면조도분포는그대로유지하고운항중인선박에대한눈부심현상만을감소시킨다는것이었다. 일반백열등에씌우는조명갓에착안하여조명갓 그림 16. 조명갓설치전 RADIANCE 가시화이미지 그림 17. 조명갓설치후 RADIANCE 가시화이미지 照明ㆍ電氣設備學會誌

7 그림 18. 조명갓을설치하지않은기존의상태 ( 상 ) 와조명갓을설치한상태 ( 하 ) 에서부두에컨테이너가야적된바닥면조도 그림 20. 조명설계 A 안 ( 좌 ) 와조명설계 B 안 ( 우 ) 5.3. 서울시잠원동 OO골프연습장야간조명설계새로건설되는잠원동 OO 골프연습장을대상으로필요조도에따른기본조명설계를실시하고, 야간에골프연습장을이용할경우주간과같은밝은시환경을제공하기위하여많은조명기구들을사용하고있으며제대로설계및제어되지못할경우조명기구로부터방사된빛이인근주거용건물로유입되어인근주민들에게눈부심현상을유발시키는문제점들이발생될가능성이있기때문에, 인근주거용건물에서눈부심현상이유발되지않도록각설계안에따른차양막을설치하여조명설계지침을제시한프로젝트이다. 그림 19~그림 23은본프로젝트에서생성된 RADIANCE 이미지의일부이다. 그림 21. A 안 ( 좌 ) 과 B 안 ( 우 ) 의수평면조도분포 그림 22. 조명설계 A안에대한차광막설치위치및크기 그림 19. 골프연습장을중심으로한주변건물들의 그림 22. 조명설계 B안에대한차광막설치위치및 3-D 모델 크기 第 16 卷第 1 號 2002 年 2 月

8 RADIANCE 프로그램가장큰단점이라고볼수있는사용환경에있어서도 Windows 환경에서도작동이가능한 Desktop RADIANCE가개발되어활용되고있으므로우리나라에서도급속하게사용자그룹이형성되어활용될것으로보인다. 그림 22. 정면에서본조명설계 A안의차광막설치전 ( 좌 ) 과설치후 ( 우 ) 의눈부심현상시뮬레이션결과그림 23. 정면에서본조명설계 B안의차광막설치전 ( 좌 ) 과설치후 ( 우 ) 의눈부심현상시뮬레이션결과 6. 결론 RADIANCE 프로그램은역광선추적기법 (Backwards Ray-tracing Technique) 을바탕으로하여자연채광및인공조명의정확한정량적, 정성적평가모두가가능한유용한프로그램이다. 또한, RADIANCE 프로그램은 3차원공간의기하학적모델링에필요한도구, 광원및재료의광학적특성을모델링하는데필요한도구, 계산결과를가시화하여이미지파일을작성및변환하는도구, 눈부심현상을분석하여가시화하는도구등빛환경의모델링및분석, 평가에필요한거의모든기능을제공하고있어다양하고폭넓게활용될수있다. RADIANCE 프로그램은다른조명시뮬레이션프로그램인 Lightscape, Lightools, Lumen Micro 등과는다르게소스코드자체가무료로배포되기때문에사용자가부담없이쉽게접할수있을뿐만아니라, 참고문헌 [1] 김훈, 조명전기설비학회지, 제11권제 2호, pp. 23~28.1. [2] 양혜인, RADIANCE 프로그램에의한빛환경설계및평가의타당성검증. 한양대학교대학원석사학위논문. [3] Compagnon, R RADIANCE: A Simulation Tool for Day-Lighting Systems. University of Cambridge. [4] Compagnon, R The Radiance Simulation Software in the Architecture Teaching Context. University of Cambridge. [5] Crone, S Rendering Reality. Architectural dissertation, Lighting Systems Reaearch Group at Lawrence Berkeley Laboratory. [6] Ward, G. J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System. Computer Graphics(Proceedings of '94 SIGGRAPH conference). [7] Ward, G. L Rendering with Radiance: a Practical Tool for Global Illumination. Silicon Graphics, Inc. 著者紹介 송규동 ( 宋圭棟 ) 1957년 1월 4일. 1986년한양대학교대학원건축공학과공학석사취득. 1989년미국 University of Oklahoma, College of Architecture 건축학석사 (MArch) 취득. 1993년미국 Texas A&M University, College of Architecture 건축학박사 (Ph.D.) 취득. 1994년~현재한양대학교공학대학건축학부교수. 照明ㆍ電氣設備學會誌

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DBPIA-NURIMEDIA Journal of the korean institute of llluminating and Electrical installation Engineers Vol, 18.No 5,pp. 1~8 September 24 [ 논문 : 18-5-1] 인터넷웹기반 RADIANCE 가시화시스템의개발 :Ⅰ. 조명기구의데이터베이스구축 (Development of Internet