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 Web-based RADIANCE Rendering System :Ⅰ. Establishment of the Luminaire Database) 이정은 오은숙 최안섭 * 송규동 (Jung-Eun Lee Eun-Suk Oh An-Seop Choi Kyoo-Dong Song) 요 약 현재빛환경의평가도구로서사용하고있는여러조명시뮬레이션프로그램들은대부분국외에서생산되고있는조명기구의데이터를바탕으로하고있다. 그렇게때문에국내환경에맞는빛환경의정확한평가에는한계를가지고있다. 본연구의진행은사용자들의편의성을도모하기위하여실무에서많이활용되고있는조명기구를선별하여종류별로분류하였다. 그리고국내에서생산되고있는조명기구의데이터수집을바탕으로 RADIANCE 엔진을이용하여인터넷웹기반가시화시스템개발을위한조명기구의데이터베이스를구축하였다. Abstract In the present, most lighting simulation programs are based on luminaires data produced at overseas. Currently, it is difficult to use proper domestic luminaire database in most lighting simulation programs, because there are only oversea luminaire database available. Therefore, in this study, domestic luminaire database were developed and categorized, and applied to Internet Web-based RADIANCE rendering system. Luminaire database are constructed with 3D modeling, materials, and IES candlepower distribution data of each luminaire. Key Words:RADIANCE Program, Simulation, Luminaire, Database 1. 서론 * 주저자 : 세종대학교건축공학과교수 Tel:2-348-3761, Fax:2-348-3331 E-mail:aschoi@sejong.ac.kr 접수일자 :24 년 2 월 19 일 1 차심사 :24 년 2 월 25 일 2 차심사 :24 년 6 월 16 일심사완료 :24 년 7 월 15 일 1.1 연구의배경빛은인간의삶을영위하기위해서매우중요한역할을하고있다. 특히현대인들은많은시간을인공적으로꾸며진실내환경속에서인공적인빛을밝히고생활하는데익숙해있다. 과거에는어둠을피하기위해빛을이용하였지만, 현대에는정보를 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 1 -
볼수있는시각적요소와건축공간을구성하는미적요소로서큰역할을하고있다. 그렇기때문에빛환경에대한정성적 정량적인평가가필요하다. 빛환경에대한평가의도구로서사용되는여러조명시뮬레이션프로그램이있긴하지만이들대부분은외국에서생산되는조명기구를바탕으로구성되어있기때문에, 다양한종류와다양한형태의조명기구로구성되어있어도국내의환경에적합한조명기구를선택하는데는많은어려움을갖게된다. 또한조명기구의분류가일반적인기능과형태를중심으로쉽게구분하고있어도조명기구들이가지고있는특징을정확하게이해하지못한다면정확한평가를할수없게된다. 그리고일반적으로사용되고있는시뮬레이션프로그램은빛의거동을물리적으로모델링하지않고대부분인위적인빛을통해이미지표현을하고있다. 이것은조명의특성을무시한채적합하지않는요소들을추가하여단순히보여주기위한이미지도구로사용되고있는것이다. 조명기구로부터어느정도의빛이어떻게나오는지어느위치에설치할것인지를같이고려하지않으면원하는목적에맞는조명을할수없다. 같은공간에적용하더라도전혀다른이미지와결과가나올수있다. 조명기구로부터의빛은광원및조명기구의종류, 형태, 구조, 방향, 반사판, 루버등의재질에의해좌우되기때문에 [1], 국내의환경에맞는조명기구의데이터베이스구축이필요하다. 기구의데이터베이스는조명에관한전문지식없이도편리하게사용할수있도록개발하고있는인터넷웹기반 RADIANCE 가시화시스템에적용시키고자한다. 2. 이론적배경 2.1 조명기구와배광조명기구로부터어느정도의빛이나오는지는조명기구를선정하는데매우중요한요소이다. 배광곡선은조명기구로부터나오는빛의양과방향을알수있도록표와그래프로써표현한것이다. 빛광원 ( 조명기구 ) 의각방향에대한광도분포를배광 (Candlepower Distribution) 이라하며, 이러한배광을광원의중심을통과하는평면위와수직면위에광도분포를표시하는것을배광곡선 (Candlepower Distribution Curve) 이라한다 [1]. 배광곡선은일반적으로이차원적극좌표에삼차원값을표시한수직배광곡선이사용된다. 2.2 IES 배광데이터 1.2 연구의목적본연구에서는국내에서생산되는조명기구를대상으로데이터를수집하고일반적인기능과형태를중심으로분류하여조명기구를모델링하고, 조명기구의부품에대한재질을포함시켜 IES 배광데이터와연결한다. 최종적으로조명기구의광학적데이터를이용하여조명기구의데이터베이스를구축하는것이다. 본연구에의해구축하고자하는조명기구의데이터베이스는조명디자인의가시화목적으로개발되어이미지생성위주의다른시뮬레이션도구와다르게빛환경의정확한평가를얻을수있는 RADIANCE Engine 을이용하였다 [2]. 구축된조명 그림 1. Photometric viewer 프로그램에서본배광분포 Fig. 1. Candlepower Distribution in Photometric viewer IES 배광데이터파일은특정조명이어떠한방향으로어느정도강하게빛이나가는지를알수있는데이터로 [1], 그림 1에서보는것과같이데이터를기반으로 Photometric viewer[2] 와같은프로그램을통해배광분포를확인할수있다. RADIANCE 프로그램에서인공조명을시뮬레이션하기위해서는조명광원의정확한 IES 배광데이터가필요하고, 이것을이용하여 RADIANCE Engine 을통해조명파일 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 2 -
인데이터파일 (*.dat) 과 Scene 파일 (*.rad) 로변환하는작업이필요하다. 2.3 RADIANCE 프로그램 RADIANCE 프로그램은미국국립 Lawrence Berkeley Laboratory(LBL) 의조명연구팀에서개발된프로그램이다 [3]. 광선이자연적으로진행하는방향의반대방향으로추적하여, 실제광선이발생한광원의활동을예측하는역광선추적기법 (Backward Ray-tracing Technique) 을기초로광원으로부터나온광선들의거동을확인하여빛환경을가시화할수있게한다. 초기의이프로그램은 UNIX환경의워크스테이션급컴퓨터에서만적합하게실행되었으나, 현재에는 PC의 Windows 환경에서도사용할수있는 Desktop RADIANCE 프로그램도개발되어있는상태이다. 기존보다더욱다양하고정교한조명시각시스템으로발전하여조도계산, 이미지프로세스, 시각화등이가능한조명가시화시뮬레이션프로그램이다 [4]. 이프로그램은현재미국과유럽에서건축물의 3차원투시도작성은물론빛환경의조도및휘도의정량적분석연구에많이이용되고있다. 다음의표 1은본연구수행시사용되었던 RADIANCE 프로그램의주요실행명령을나타낸것이다. 표 1. RADIANCE 프로그램의주요실행명령 Table 1. RADIANCE Variables 실행명령 OCONV XFORM IES2RAD RVIEW PFILT RA_GIF RA_TIFF RA_T16 XIMAGE 내용 SCENE 파일로부터이미지생성전단계인 octree, 파일생성 SCENE 파일의회전, 이동, 크기등의변환 IES 배광분포데이터를 RADIANCD 프로그램에맞는파일로변환이미지생성확인 RADIANCE 이미지필터링 RADIANCE 이미지를 *.gif, *.tif, *.tga 이미지 ( 그림 ) 로변환 윈도우시스템에서 RADIANCE 이미지의화면출력, 결정된위치에서조도값계산 3. 조명기구의데이터베이스구축 3.1 조명기구의데이터베이스구축과정국내조명기구회사 (D.M, T.Y, J.I, T.W, T.K 등 ) 를통해일반적인조명기구종류와많이사용되고있는조명기구를기준으로조명기구와관련된사양을입수하였다. 그리고국내 외에서수집한 IES 배광데이터와다양한조명프로그램 (Desktop RADIANCE, Lightscape 등 ) 에있는 Library 의활용을중심으로 Photometric viewer 와같은프로그램에서조명기구의램프정보및배광을확인한후데이터베이스를구축하였다. 1단계종류별 ( 실내 외 ) IES data 수집 4 단계 *.mat 적용 (Material 지정 ) 7단계 rview 명령 ( 이미지생성확인 ) 2단계조명기구 3D 모델링 (*.dwg) 5단계 IES data 연결 (ies2rad, xform사용 *.rad, *.dat) 8 단계 test (*.pic, *.tga 생성 ) 3단계 TORAD 변환 (*.rad, *.view) 6 단계 oconv 명령 (*.oct 파일로변환 ) 최종 DB 파일구성 *.rad *_1.rad *.jpg *.txt 그림 2. 조명기구데이터베이스구축의기본흐름 Fig. 2. Fundamental flow chart of established luminaire DB 그림 2는인공조명기구의데이터베이스구축의흐름을보여준것으로써조명기구의데이터베이스구축과정은다음과같이진행되었다 [5]. 인공조명의데이터베이스구축을위해 CAD 프로그램상에서조명기구 3D 모델링을한후보조변환프로그램인 Torad Lisp 를이용하여 3D로작업한 CAD 파일 (*.dwg) 로부터레이어별 *.rad 파일과 *.view파일을생성시켰다. 그리고텍스트편집기를이용하여대상물에따른재료특성데이터를추가하고, 수집된 IES 배광데이터를이용하 여 RADIANCE Engine 에서 *.rad 파일과 *.dat 파일을생성시킨후조명기구의아래에위치시킨다. 조명기구의기하학적 광학적모델링이완료되면 oconv 명령을실행하여 *.oct 파일로변환하고, *.oct파일로생성된이미지파일은 rview 명령을통해확인한다. 그리고 RADIANCE 프로그램에서의최종이미지파일인 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 3 -
*.pic파일을생성한후 TGA, JPG 또는 TIF 파일로변환하여배광을확인하는작업을진행하였다. 3.2 데이터수집및문제점국내에서사용되고있는조명기구의사양들을조사하여자료를수집하였다. RADIANCE 프로그램에서인공조명을시뮬레이션하기위해서는조명광원의배광분포곡선에따라각도별광도값을 *.rad 파일로작성하여야한다. 이것은조명기구를생산하는회사에서배포하는 IES 배광데이터형식을활용하여, RADIANCE 프로그램에서활용될수있는값으로변형될수있으며, 그결과인공조명의성능을정량적 정성적으로분석할뿐만아니라현실과거의동일한이미지를가시화할수있게되는것이다. 그러나국내의조명기구를생산하는업체에서는 IES 배광데이터를거의만들지않고있는실정으로, 배광데이터수집에한계가있다. 본연구에서는배광분포데이터의자료수집을위한대안법으로국외의조명기구생산업체에서배포되는 IES 배광데이터를참고하여배광분포를검토하였다. 즉, 외국조명기구의데이터를바탕으로국내조명기구와비교하여조명기구의재질이나배광분포곡선이같은조명기구를찾아국내조명기구의 IES 배광데이터에적용하여데이터베이스를구축하였다 [5]. 3.3 조명기구의분류본연구의진행은사용자들의편의성을도모하기위하여실무에서많이활용되고있는조명기구별로분류하였다. 표 2와같이크게실내와실외로구분하였고, 국내조명기구의자료가미비한경우는국외조명기구와비교하여국내조명기구에적용하고국외조명기구도함께데이터베이스구축에포함하였다. 3.4 인공조명조명기구의 3D모델링국내에서사용되고있는조명기구를기준으로규격에맞게 CAD 프로그램에서 SIZE별로 3D 모델링을하였다. 다음의그림 3은회전축을가진조명기구를레이어별로구분하여모델링하는과정을보여준다. 3.5 데이터변환을위한 Macro Program 조명기구의데이터베이스작업을하기이전에조명기구에는천정이나벽에고정되는조명기구가있는가하면회전축을가지고있는여러종류의조명기구가있다. 이것들의혼란를막기위해서데이터베이스구축시임의로정한두개의 rad 파일 (*.rad, *_1.rad) 과회전축과관련된위치를 txt파일로작성하였다. 그림 3. 조명기구의레이어별 3D 모델링 Fig. 3. 3D modeling of luminaires for each layer 3.5.1 Torad 변환과정 CAD 프로그램에서 3D 모델링한파일을가지고 Torad Lisp 명령을실행한후 *.dwg 파일을레이어별로 *.rad와 *.view 파일을생성시킨다 ( 그림 4). 표 2. 조명기구의분류 Table 2. Grouping of luminaires 실내 (Interior) 실외 (Exterior) 천장등 (Ceiling light) 형광등 (Flourescent light) 다운라이트 (Down light) 벽부착등 (Bracket) 스포트라이트 (Spot light) 팬던트 (Pendant) 투광기 (Flood light) 벽부착등 (Bracket) 볼라드 (Bollard) 가로등 (Street light) 그림 4. CAD 프로그램내의 Torad 명령실행모습 Fig. 4. Torad command execution in CAD program 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 4 -
3.5.2 회전조명기구의데이터베이스구축을위한 Torad변환과정기존에상용화되어있는렌더링프로그램들은조명기구에대한데이터베이스가하나로 Library 화되어있어서투광기와같은조명기구의경우 Aiming 방향에따른회전시조명기구전체가회전되어조명기구가고정되는부분이공중에떠있는현상이발생한다. 따라서본연구에서는그림 5와같이 CAD 프로그램에서아래의단계를거쳐고정축과회전축에관련하여 Torad 변환을통해기존의문제점을보완하였다. 1) 고정축은고정되는부분이 (,, ) 인상태에서고정축의레이어만활성화시킨후 rad 파일로변환하여작성한다. 2) 회전을하게되는기구의레이어만을활성화시킨후회전축이위치하는중심좌표를 txt 파일로작성한다. 3) 회전을하는기구의중심좌표를 (,, ) 으로이동시킨후 rad 파일로변환하고, IES 배광데이터를포함하여 *_1.rad로작성한다. -Z축은광원의 Aiming 방향이된다. 2) 벽부착형의조명기구일경우, +Y축방향으로기구가벽에부착되고, -Y축이기구의돌출되는부분이된다. -Z축은마찬가지로광원의 Aiming 방향이된다. 3) 투광기와같이회전축을가진조명기구는 +Z 축을기준으로고정되는부분이향하고, -Z축이광원의 Aiming 방향이된다. < 직부등 > < 벽부착등 > < 사각투광기 > < 투광기 > 그림 6. 조명기구의좌표축설정 Fig. 6. Fixed rotation-axis of luminaires 그림 5. 회전축을가진조명기구 Fig. 5. Rotation-axis of luminaires 3.5.3 좌표축설정그림 6은다양한형태의조명기구를세개의축에의해모든조명기구가설명될수있도록기준을설정하였다. 1) 장변과단변이있는형광등과같은조명기구일경우 X축의방향으로기구의장변이놓이게되며, 3.6 조명기구데이터작성 3.6.1 Material 지정 (*.mat) 조명기구는 Housing, Reflector, Lamp, Lens 등여러가지재질을가지고있다. 각각의특성에맞는재질은 Torad Lisp의명령을통해레이어별로생성된각각의 *.rad 파일에선행되어야한다. 1) # white enamel housing material void plastic housing 5.8.8.8.3.2 2) # reflector material void metal reflect 5.95.95.95.95.2 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 5 -
3) # glow material for lamp (bulb) surfaces void glow lamp 4 1 1 1 3.6.2 IES 배광데이터적용인공조명을시뮬레이션하기위해조명기구회사에서수집한 IES 배광데이터를표 3과같이 ies2rad 와 xform 명령을통하여조명기구에맞는조명파일을작성한다 (ies_*.dat, ies_*.rad 파일생성 )[4]. 이렇게생성된 ies.rad(light) 파일은 xform을이용하여 3D 모델링한조명기구의좌표확인후에 IES 배광데이터를조명기구에서의램프위치에위치시킨다. 이트, 팬던트, 투광기, 벽부착등, 볼라드, 가로등 ) 를구축하였다. 단, 국내의조명기구만으로미비한것은국외의조명기구로보완하여최종데이터베이스를구축, 정리하였다. 표 4. 조명기구의데이터베이스정리 Table 4. Database arrangement of luminaires (ex:flood light, Down light) 표 3. IES 배광데이터변환 Table 3. Transformation of Candlepower Distribution data 형식 1 ) ies2rad -dm -t lamp_type -m input filename ies2rad -dm -t default -m.85 ies_*.ies 형식 2 ) xform -rx degrees -ry degrees -rz degrees \ -t x y z file_name xform -t ( 축좌표 XYZ) ies_*.rad > *.rad 3.6.3 최종조명기구데이터베이스파일 RADIANCE 의인터넷웹기반에업로드하기위한조명기구의최종데이터베이스파일은다음의그림 7과같다. 조명기구의파일명은 IES 배광데이터번호를기준으로구축하였다. 그림 7. 조명기구의데이터베이스파일 Fig. 7. Database files of luminaires 4. 조명기구의데이터베이스적용 4.1 구축데이터국내에서사용되고있는조명기구를기준으로다음의표 4와같은형식으로조명기구의데이터베이스 ( 천장등, 형광등, 다운라이트, 벽부착등, 스포트라 4.2 이미지테스트다음의그림 8은앞에서설명한단계별로진행하 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 6 -
여조명기구의기하학적, 광학적모델링을한후최종적으로구축된조명기구의데이터베이스를가지고 RADIANCE 프로그램에적용한것이다. 이미지파일인 *.pic 파일을생성하여 Window 시스템에서확인가능한이미지로변환하여몇가지조명기구 ( 형광등, 벽부착등, 가로등, 볼라드, 투광기등 ) 를테스트하였다. 4.3 인터넷웹기반가시화시스템다음의그림 9는지금까지설명한단계로진행되어구축된조명기구의데이터베이스가적용된 RADIANCE Engine 을이용한인터넷웹기반가시화시스템의모습이다 [6]. 사용자는 MS Windows 기반의일반 PC로서웹브라우져와 AutoCAD 프로그램을기본적으로탑재하여야하고, 본홈페이지에서다운로드받은 AutoCAD 파일변환프로그램과조명기구데이터변환프로그램을이용하여시뮬레이션할수있다. 그림 9. 인터넷웹기반가시화시스템 irad Fig. 9. Internet Web-based visualization system irad 5. 결론 그림 8. 조명기구의테스트이미지 Fig. 8. Test image of luminaires 본연구에서는국내에서생산되는조명기구의데이터베이스구축연구를시작으로다양하고광범위한조명기구의일부만을가지고데이터베이스화하였다. 이것은 RADIANCE Engine 을이용한인터넷웹기반가시화시스템의개발 의효율적활용을위해적용되었다. 향후에는더욱더효과적이고체계적 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 7 -
인방법으로국내조명기구에대한데이터베이스를지속적으로구축하여 RADIANCE 프로그램이외의여러가지시뮬레이션프로그램에서도국내의환경에적용하여검증과평가의도구로서정확성을향상시킬수있는방안에대한연구가진행되어야할것이다. 본연구는건설교통부 21 년건설기술연구사업연구비에의하여연구되었음. References [1] Qualification for lighting designers, 조명디자이너자격인증교재, 한국조명 전기설비학회, 1999. [2] Lithonia Lighting, http://www.lithonia.com. [3] Greg Ward Larson, Rob Shakespeare, RENDERING WITH RADIANCE, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, 1998. http://radsite.lbl.gov. [4] 송규동외, RADIANCE 프로그램과인터넷환경을이용한조명시뮬레이션시스템개발, 대한건축학회논문집, 제 19 권 4 호, 23. [5] 오은숙외, RADIANCE 프로그램을이용한인터넷웹기반가시화시스템에서의조명기구 DB 구축, 한국조명 전기설비학회학술대회논문집, 22. [6] http://irad.hanyang.ac.kr. 저자소개 이정은 ( 李晶銀 ) 198 년 4 월 21 일생. 23 년세종대건축공학과졸업. 현재세종대건축공학과석사과정. 오은숙 ( 吳恩淑 ) 1974 년 6 월 16 일생. 22 년경기대건축공학과졸업. 현재세종대건축공학과석사과정. 최안섭 ( 崔安燮 ) 1967 년 1 월 4 일생. 1991 년한양대건축공학과졸업. 1993 년 The Pennsylvania State University 건축공학과졸업 ( 석사 ). 1997 The Pennsylvania State University 건축공학과졸업 ( 박사 ). 현재세종대건축공학과교수. 송규동 ( 宋圭棟 ) 1957 년 1 월 4 일생. 1984 년한양대건축학과졸업. 1986 년한양대건축공학과졸업 ( 석사 ). 1989 년 University of Oklahoma 건축학과졸업 ( 석사 ). 1993 년 Texas A&M University 건축학과졸업 ( 박사 ). 현재한양대건축학부교수. 조명ㆍ전기설비학회논문지제18권제5호, 24년 9월 - 8 -