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소원 채
6 years ago
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1 한국조명전기설비학회추계학술대회논문집 조명시뮬레이션소프트웨어의조도값비교에관한연구 (A Study on the Comparison of Illuminance Values from Lighting Simulation Softwares) 원슬기 * 박병철 ** 최안섭 *** (* 세종대학교건축공학과석사과정 ** 세종대학교건축공학과박사과정 *** 세종대학교건축공학과교수 ) (Seul-Ki Won Byung-Chul Pak An-Seop Choi) Abstract Using various lighting simulation softwares has continuously been increased as a method for estimation of quantitative index and analysis of lighting design. The purpose of this paper is to compare illuminance values from various lighting simulation softwares. For this purpose, we researched detailed algorithm of luminous flux transfer method and compared the results from the three of the computer lighting simulation softwares (Lumen-Micro 2000, Relux 2006 and Lightscape 3.2) by computing illuminance values. 1. 서론 1.1 연구의배경및목적다양한소프트웨어를이용한조명디자인및시뮬레이션을통한검증은빛환경의조도및휘도분포에대한예측및평가의수단으로조명분야에서그사용이증가하고있다. 컴퓨터그래픽기술의발달과 Auto CAD 를비롯한 3D 모델링프로그램과호환성이있는프로그램들의증가로인해, 실제의배광데이터를이용해특정공간에계획한조명의효과를가시화하는작업이가능해졌다. 조명용소프트웨어는그종류에따라자체의 CAD 프로그램으로간편한모델링을한후빠른시간에그공간의조도및휘도평가를수행할수있는소프트웨어가있다. 또수치적인측정뿐아니라가시화에초점을맞추어상대적으로긴시간을투자해호환성있는 3D 모델링프로그램으로작업한공간을 Import하고, 다양한오브젝트에맵핑을하고구체적인재질을설정하는소프트웨어도있다. 조명디자인단계에서이와같은다양한소프트웨어를사용하여조도와휘도및조명효과를검증하는사례가증가하고있으며, 프로젝트를발주한발주자나클라이언트의대부분은소프트웨어를통해검증된데이터에신뢰를가지고자체적인필터링없이가시화된그대로를받아들이게된다. 그러나실제다양한공간의조명시뮬레이션을시행해보면같은조명기구를사용하더라도소프트웨어에따라결과값이상이하게나오는경우 가빈번하게발생한다. 이러한경우일반적인조도계산의알고리즘을이해한다면그원인을파악할수있고, 경우에따라결과값에대한보정이가능할것으로판단된다. 따라서본연구에서는다양한조명소프트웨어중 Lumen-Micro 2000과 Relux 2006, 그리고 Lightscape 3.2를선정하여동일한조건으로특정공간을시뮬레이션해보고, 도출된결과값을조도계산알고리즘을바탕으로비교분석하고자한다. 이를통하여소프트웨어의사용및결과값분석의이해를도울수있을것이다. 1.2 연구의방법및범위 본연구는다양한조명소프트웨어를이용해특정공간을동일한조건하에시뮬레이션해보고, 그결과값을비교분석하는연구이다. 다음의그림 1은본연구의진행단계를나타내고있다. STEP 1 STEP 2 STEP 3 이론고찰 - 선정된조명소프트웨어에대한이론고찰 - 광속전달법을이용한조도계산알고리즘에대한이론고찰 시뮬레이션 - 공간및시뮬레이션조건설정 ( 직접 / 간접등기구 ) - 시뮬레이션시행 분석결과분석및원인파악 그림 1. 연구의방법및절차 Fig. 1. Research method and procedure

2 2. 이론적고찰 2.1 조명소프트웨어본연구에서는다양한조명시뮬레이션소프트웨어중 Lumen-Micro 2000과 Relux 2006, Lightscape 3.2 의세소프트웨어를선정하여시뮬레이션을시행하였다. 다음은선정된세소프트웨어의특징을간략하게설명한내용이다. (1) Lumen-Micro 2000 Lumen-Micro 2000은조명디자인분석및설계를위한소프트웨어로실내외의조명설계와시뮬레이션을할수있는 Tool로구성되어있다. Lumen-Micro 2000 내의 CAD Tool 을사용하여공간을간편하게설계할수있고, 비교적짧은시간내에정확한수치와간단한 Graphic 결과를얻을수있는장점을가진다 [1]. 뛰어난사용자환경을제공하고그레이스케일렌더링과면칼라렌더링모두가능한장점이있지만자체내장된모델링도구가제한되어있고곡면모델의조도계산에어려움이있다. 또한매핑효과가부재하다는단점을가진다. (2) Relux 2006 Relux 2006은공개된인터페이스와기구개발자들에의해서현재개발된조명기구의데이터들을동시에사용할수있는조명설계 Tool 이다. 한개의소프트웨어에실내공간, 외부공간, 도로설계를위한인공조명, 자연광시스템등을모두집약시키고, Radiance 인터페이스를사용한정확한재질의연산과 Relux CAD를이용한캐드와의호환성을장점으로들수있다. (3) Lightscape 3.2 Lightscape 3.2는 Windows 기반으로개발된조명분석및 3D 이미지를만들수있는소프트웨어로현실적인조명효과를표현할수있다. 광속전달법과광선추적기법을함께사용하는 Lightscape 3.2는조명시뮬레이션을포함하여가상현실, 건축, 조명디자인및애니메이션등폭넓은분야의작업에사용되어실사와같은시뮬레이션을가능하게해준다 [2]. 2.2 조도계산방법실내조도를계산하는방법으로광속전달법 (Luminous Flux Method) 이있는데, 이는조도의성분을직접성분과간접성분으로나누어계산하는방법이다. 여기에서 직접성분은실내면의반사를거치지않고조명기구로부터작업면으로직접전달되는광속을의미한다. 그리고실내면들의반사를여러번거치고전달된광속을간접성분이라한다. 이방법은실내의모든면들이완전확산면 (Lambertian Surface) 일경우이면들을다수의유한요소로나누어그면사이에전달되는광속량을계산하는방법으로, 이를통해간접성분을비교적정확하게계산할수있다. 1. 직접성분직접성분은 ISQL(Inverse Square Law : 역자승법칙 ) 을이용하여구할수있는데역자승법칙이란, 점광원에의한조도가광원으로부터의거리제곱에반비례하여감소하는법칙을의미한다 [3]. 역자승법칙을이용할때에는조명기구로부터측정하고자하는지점까지의거리가기구장변의 5배이상되어야하는 5-Times Rule이성립되어야한다. 이규칙이성립되지않을경우에는조명기구를면분할하여유한요소로나누고, 각각의유한요소로부터전달되는광속을계산한다. 2. 간접성분간접성분의계산에서는실내면을유한요소로나누고, 직접성분에서와마찬가지로 5-Times Rule 이성립되도록역자승법칙을사용해조도값을구한다. 그리고구해진조도값에면의반사율을곱하여초기광속발산도값을구한다. 그리고한면에서빛이나갔을때다른면이그빛을얼마나받는가에대한 Form Factor 를구하고, Flux Balance Equation 을만든후이의반복을통해각유한요소에수렴된값으로최종적인광속발산도를구한다. 이방법으로는 Gauss-Seidal, Jacobi, Southwell 방법등이있다 [4]. 그후최종적으로 Configuration Factor를이용해점으로의조도값을구한후, 직접성분과간접성분의합으로최종조도값을산출하게된다. 2. 시뮬레이션 2.1 시뮬레이션조건및방법시뮬레이션공간은일반적인침실로선정하였다. 시뮬레이션조건은아래의표 1과같다. 그림 2는모델링된방의크기와조명기구위치를나타내고있다. 조도측정높이는바닥면높이로하였고, 측정지점은가로세로 30cm간격으로지정하여총 143점의조도값을측정하였다. 조명기구는실의정중앙에위치시켰으며, 조명

Direct value from Lumen-Micro 3 32 42 52 61 66 69 69 69 66 61 52 42 32 2.7 41 54 66 76 82 85 85 85 82 76 66 54 41 2.4 50 65 79 91 98 101 101 101 98 91 79 65 50 2.

3 기구설치높이는직접등기구 2.4m, 간접등기구 2.1m 이다. 표 1. 시뮬레이션조건 Table 1. Condition of simulation 방크기 3.6m 3m 2.4m 천정 0 / 0.8 반사율벽체 0 / 0.5 ( 직 / 간접 ) 바닥 0 / 0.2 직접 : 28W T5 2 간접 : 28W T5 2 사용광원 레이션을위해 IES data 에의해자동으로입력되는 Lumen 값을 LLF를고려한값으로보정해주는과정이필요하다. 표 2. Lumen-Micro 로산출된직접성분값 ( 단위 :lx) Table 2. Direct value from Lumen-Micro 표 3. Relux 로산출된직접성분값 ( 단위 :lx) Table 3. Direct value from Relux 그림 2. 시뮬레이션공간의평면및투시도 Fig. 2. Plane figure and perspective plan of Room 3. 시뮬레이션결과분석 3.1 직접등기구결과분석 (1) 직접성분분석 다음의표 2 4 는앞절에서언급한세종류의조명소프트웨어를사용하여가상의공간을동일한조건으로시뮬레이션하고, 그결과로산출된값을나타낸것이다. 보다정확한분석을위하여일차적으로천정, 벽체, 바닥의반사율을모두 0% 로설정하여조명기구로부터작업면으로직접전달되는직접성분값만을비교하였다. 세종류의소프트웨어로산출된결과값을보면, 같은측정지점의값들을비교하였을때 Lumen-Micro 와 Relux 값의표준편차가 4, 평균조도는각각 82.05, 로그값이매우근사함을알수있다. 그러나 Lightscape 의경우에는평균값이 로결과값에서타소프트웨어와약 20% 정도의차이를보이고있다. 이는시뮬레이션과정에서별도로광손실율인 LLF 값을지정해주지않는 Lightscape 알고리즘의특성에기인한것으로판단된다. 측정된결과값에타소프트웨어에적용된 LLF 값 0.8 을적용한값이굵은글씨로표기된숫자이다. LLF 값이적용된직접성분의평균은 81.8 로타소프트웨어의결과값과근사함을확인할수있다. 따라서 Lightscape 를사용한조도분석의경우, 보다정확한시뮬 표 4. Lightscape 로산출된직접성분값 ( 단위 :lx) Table 4. Direct value from Lightscape (2) 간접성분분석다음의표 5 7 은직접성분분석의방법과동일한조건으로시뮬레이션하여산출된간접성분값을나타낸

4 것이다. 바닥과천정, 그리고벽체의반사율을각각 0.2, 0.8, 0.5로하여도출된전체조도값과앞서산출한직접성분의차를이용해간접성분만을비교하였다. 표 5. Lumen-Micro 로산출된간접성분값 ( 단위 :lx) Table 5. Indirect value from Lumen-Micro 표 6. Relux 로산출된간접성분값 ( 단위 :lx) Table 6. Indirect value from Relux 표 7. Lightscape 로산출된간접성분값 ( 단위 :lx) Table 7. Indirect value from Lightscape 간접성분만을도출한결과를보면, 소프트웨어별차이가직접성분에비해크다는것을알수있다. 특징적인점은, Relux 의측정지점별결과값을보았을때, 네벽면에서 30 cm떨어진지점들의값이그외의지점과는현저하게차이가난다는것이다. 평균값으로비교를해보면, 직접성분에서와마찬가지로 Lightscape 의결과값에 LLF 0.8 을적용하여보정한평균값은 19.2 로 Relux 결과값인평균 과비교하였을때측정지점별최대편차 7, 평균편차 3 정도로비교적근사한데비해 Lumen-Micro 의값은평균 30.12, 최대편차 15, 평균편차 11 정도의큰차이가났다. 이러한값의차이는앞서이론고찰에서살핀바있는조명계산알고리즘적용방법에서소프트웨어에따라차이가있어발생하는것으로예측할수있다. 동일하게적용된공간이라할지라도소프트웨어에따라각면을유한요소몇개로나누는지에따라결과값의차이가생길수있다. 또한간접성분의계산을위해 Flux Balance Equation을만들고반복하는과정이다른경우에도이처럼상이한값이도출될수있다. (2) 직간접성분분석다음의표 8 10은각소프트웨어에서도출된직접성분과간접성분을합하여산출된전체조도값을나타낸것이다. Lightscape 의결과값은이상의 3.1과 3.2절에서와마찬가지로 LLF 0.8을적용하여보정한값으로나타내었다. 표 8. Lumen-Micro 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 8. Illuminance value from Lumen-Micro 표 9. Relux 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 9. Illuminance value from Relux 표 10. Lightscape 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 10. Illuminance value from Lightscape

5 직접성분과간접성분의비교에서와동일하게 Lightscape 의도출된값에 LLF 값 0.8 을적용하여보정한결과를이용해세값을비교하였다. 그결과 Relux 와 Lightscape 의결과값은최대편차 12 평균편차 4.7 로근사하게나왔다. 그러나이를 Lumen-Micro 의결과값과비교해보면, 최대편차 13 평균편차 6.2 로차이가비교적큼을알수있다. 이는앞서분석한바와같이조도계산알고리즘차이에따른간접성분의결과값이달라발생한결과이다. 3.2 간접등기구결과분석다음의표 은각소프트웨어에서간접등기구를설치한후시뮬레이션하여도출된조도값을나타낸것이다. 간접등기구를시뮬레이션하였을경우직접성분값이 0 이므로직접성분분석은생략하였다. Lightscape 의결과값은이상의 3.1 절에서와마찬가지로 LLF 0.8 을적용하여보정한값으로나타내었다. 표 11. Lumen-Micro 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 11. Illuminance value from Lumen-Micro 표 12. Relux 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 12. Illuminance value from Relux 표 13. Lightscape 로산출된조도값 ( 단위 :lx) Table 13. Illuminance value from Lightscape 간접등기구를시뮬레이션하여도출된조도값을비교해보면, 직접등기구를사용했을때보다전체조도값의차이가더큼을알수있다. 평균값을비교하였을때 Lumen-Micro 와 Lightscaoe의차이는최대편차 10, 평균편차 7로크게나왔으며 Relux 의값이나머지두소프트웨어값의중간값정도로도출되었다. 4. 결론및향후연구계획 본연구에서는다양한조명소프트웨어중 Lumen-Micro 와 Relux, 그리고 Lightscape를선정하여동일한조건으로특정공간을시뮬레이션해보고, 도출된결과값을조도계산알고리즘을바탕으로비교분석하였다. 결과값을분석한결과 LLF 값이적용되어있지않은 Lightscape를제외하고는, 직접성분의값은매우근사한값으로도출되었다. 또한 Lightscape에 LLF값을적용하여보정한결과값으로는세소프트웨어모두비슷한양의직접성분을가지는것으로나왔다. 그러나간접성분에서는직접성분에비해소프트웨어별차이가크게났는데, 이는조도계산알고리즘상에서유한요소를나누는개수, 혹은 Flux Balance Equation을반복하는과정에서차이가나는것으로예측할수있다. 그리고, 직접등기구를사용했을때보다간접등기구를사용했을때전체조도값의차이가더크게남을알수있었다. 향후연구에서는실제공간에서의반사율및조도를측정하고, 이를각소프트웨어별로시뮬레이션하여정확성을비교해보는연구가필요할것으로사료된다. 그리고소프트웨어별조도계산알고리즘을분석하여보다구체적이고정량적인분석이가능하도록해야한다. 이러한과정이소프트웨어의사용및결과값분석의이해를돕고, 조명디자인단계에서의정확한예측을가능케할것이다. 감사의글 이연구에참여한연구자 ( 의일부 ) 는 사업의지원비를받았음. 참고문헌 2 단계 BK21 [1] Lumen-Micro User's Guide, 2000 [2] Lightscape User's Guide, 1999 [3] R. Mcmullan, 건축환경과학, 1997 [4] 최안섭, 실내조명계산에서의 Form Factor 계산메카니즘의효율성과정확성에관한연구, 2002 [5]

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DBPIA-NURIMEDIA Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 24, No.1, pp. 35~44 January 2010 논문 24-1-5 적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 (A Study on the Comparison