用于建筑照明設計的軟件研究

王大川

(重慶大學建筑城規學院，重慶 400045）

0 引言

在建筑設計中，模擬自然天光與燈光照明是一項復雜的課題，涉及到許多的相關參數，但卻是在建筑設計中不可忽視的重要的一項，特別是在主要針對節能和舒適度要求的綠色或生態建筑的設計中。從20世紀80年代中期開始，一系列商業和開源軟件包被開發出來，用以專門處理建筑自然天光設計與燈光照明設計的相關問題，隨著計算機軟硬件的技術發展，建筑照明設計軟件的應用日益廣泛。1994年的一項調查顯示，大約有50%的建筑光環境設計人員在實踐工程中使用計算機模擬技術和物理模型來輔助設計，特別是使用計算機模擬來進行建筑之間的陰影分析。2004年的一項網絡調查顯示，參與者(照明設計相關研究人員、教育機構、設計人員）完全不使用軟件技術模擬的降到了21%。

目前市場上已有超過50余種商業和開源照明設計軟件包，這些軟件的功能范圍從簡單的采光系數圖表分析到復雜的虛擬場景照片級渲染。筆者主要通過對現有市場上已經被廣泛使用，并且具有綜合功能的照明設計軟件的特點進行對比研究，采集了以下19款照明設計軟件的相關數據:Radiance(開源軟件包），AGi32，Calculux，Dialux，LD Assistant，LightCalc，Lightscape，Microlux，OptisWorks，OptiWin 3D pro，Rayfront，Relux，SPEOS，Vectorworks Spotlight，Visual，Lighting Reality，TracePro，LightStar 4D，Ecotect。

以上軟件均是由國外相關公司與研究機構開發，有的分析準確但可視化功能不足，有的渲染結果圖片精細，但數據分析能力欠缺，而且沒有一個在各個功能方面都處于技術領先的主導軟件。筆者從多個角度對目前使用較為廣泛的照明設計軟件進行研究，分析這些軟件在相關功能上的優缺點，以供相關從業者與研究者在選擇軟件時參考或同類型研究的借鑒。

1 研究背景

照明設計軟件的性能研究與對比研究很早就有研究者在進行，1988年Ubbelohde等人進行的一項研究中證明由于現實自然光的復雜程度，當時沒有任何一款軟件能夠模擬自然天光的情況。然而在經過二十余年的建模與模擬仿真技術發展，目前幾乎所有的照明設計都要依賴于計算機模擬技術的輔助。

對照明設計軟件橫向對比研究較為著名的是2000年澳大利亞Geoffrey G.Roy的論文［3］，該論文通過對比照明設計軟件的光照算法、軟件易用性、數據呈現等方面對十余款照明設計軟件進行了自然采光方面的對比研究，但目前此論文中提到的大部分軟件都已被市場淘汰。

類似的研究［6］，［7］，［8］，［9］主要關注了照明設計中的自然采光模擬結果準確性，通過真實情況與模擬結果進行驗證對比，所研究的軟件范圍主要關注了幾款使用范圍最廣的照明設計軟件(Lightscape，Radiance，Dialux，AGi32）等等。國內的相關研究［10］，［11］，［12］比較類似，介紹了相關軟件的功能和使用方法，所涉及的軟件也是使用范圍最為廣泛的幾款(Ecotect，Radiance，AGI32，Lumen micro）。

2 研究方法與目的

在本研究中，采集了19款被較為廣泛使用的照明軟件的相關數據，數據來源包括軟件官方網站頁面介紹，軟件用戶文檔，軟件幫助文檔和軟件相關教程。根據在照明設計中需要獲得的數據和軟件本身的功能完善性等主要研究了目前使用較為廣泛的照明設計軟件的算法精確性、軟件易用性及開放性(導入、建模、導出等）、參數完整性、數據和可視化結果、渲染能力、用戶支持等方面上的特點與對比分析。在研究中采用的數據主要來自每個軟件的官方網站地址和軟件介紹以及幫助文檔，其他內容借鑒了參考文獻中所列的類似研究。本研究可以為相關人員在選擇軟件時解決以下幾個問題:

(1）在進行某項具體研究或設計時，例如自然采光設計、人工照明設計，選用哪類或哪幾款軟件最合適。

(2）哪類軟件適合用于研究型項目，哪類軟件適合用于實際型項目，哪類軟件適合用于教學目的。

現有的光照設計軟件基于不同的計算機算法，其模擬結果有所差異，適合建筑師和學生使用的軟件在易用性上也有一定要求，有的軟件可以呈現更好的渲染結果，有的軟件可以呈現細致的數據表格，因此，對于不同的應用目的需要選擇不同的軟件來進行。

(3）選用哪類照明設計軟件是能支持真實場景渲染與后期呈現使用。

(4）選用哪類照明設計軟件接口方面能否與設計者現有的平臺進行配合使用。

3 對比研究

3.1 光照算法

光照算法是一款照明設計軟件的核心，目前，用于照明軟件的核心算法主要有兩種類型。第一類叫做“擬真著色(photorealistic rendering）”，這是早期發展而來的非真實場景渲染，光照類型比較單一，它主要是用來生成產品的藝術渲染圖像。另一類叫做“基于物理可視化(physically-based visualization）”，此類算法通過真實模擬自然和人工光源情況、光的折射反射以及材質表現情況來進行照明模擬，比較優秀的照明設計軟件都采用這類算法。

在“擬真著色”與“基于物理可視化”兩類算法中有幾種具體的著名算法(圖1），不同的光照算法和它們支持的模擬用途具有不同的層級。一般較為綜合的光照模擬軟件都采用幾種類型的光照算法并用:

(1）直接計算類算法:該算法的光照計算過程都是具體的物理公式和簡化公式，往往是國家標準涵蓋的最常用照明情況。

(2）視點相關算法(View-dependant algorithms）:光照模擬的經典算法，基于對光線的跟蹤(Ray Tracing），具體包含以下幾種類型:基于光源的光線跟蹤算法(Forward Raytracing），基于觀察者的光線跟蹤算法(Backward Raytracing），同時基于光源與觀察者的光線跟蹤算法(Bidirectional Raytracing）。可用于光照分析與真實渲染。

(3）場景相關算法(Scene-dependent algorithms）:其中最為著名的是輻射著色(Radiosity），可以同時計算熱能傳遞與光照分析，通常不用于真實渲染。

(4）積分算法(Integrative approaches）:這是最為精確的一種光照模擬算法，但計算耗費時間和消耗計算機資源較長，例如Radiance采用的逆向光線跟蹤(backward raytracing）是公認的最佳算法。另一種較為常用的是光子貼圖引擎(photon map）。積分算法可用于光照分析與真實渲染。

(5）經驗算法(practical implementation）:在不需要如此精度的情況下，為了減少計算時間與資源消耗而采用的近似算法，最為著名的是蒙特卡洛算法(Monte Carlo methods），此類算法具有精確度上的限制，但目前是在各個計算機模擬學科中采用最為廣泛的算法。蒙特卡洛算法可用于光照分析與真實渲染。

圖1 常見光照算法

表1為部分軟件的光照算法與授權方式對比，現有的照明設計軟件在以上幾種照明設計基本框架下采用了多種光照算法，包含公開算法與閉源專利算法。但是在多項研究［1］，［4］，［5］中的對比結果表明，由伯克利實驗室開發的Radiance是最為準確而且最有影響力的照明設計軟件。另一些用于特殊用途的軟件，例如Lighting Reality需要對隧道、夜晚高速公路等進行實時照明數據監控，采用計算速度非常快的實時引擎算法。

表1 部分照明設計軟件光照算法與模擬用途

由于軟件開發者的開發用途與技術實力差距，作為核心部分的光照算法可分為幾個層次，例如像AGI32，Lightscape，Dialux，Relux 這類發展時間較長，使用非常廣泛的照明設計軟件其內往往包含了多種算法用以不同的光照模型，或者同時使用多個算法對場景進行照明計算再通過因子疊加使結果更為準確，這類軟件通常兼具。部分軟件例如Microlux等作者沒有公開其照明算法的技術細節，僅是通過大量模擬與實測案例來顯示其模擬結果的準確性。

按照照明算法的復雜和準確性，市場上常見的照明設計軟件可以分為復合多種復雜算法、單一復雜算法、簡單公式算法、未知專利算法四種，以上19種軟件樣本的照明算法對比如圖2。目前市場上最為流行的大部分照明設計軟件都采用了多種照明算法的復合，在早期的研究［3］中除Radiance外，大部分照明設計軟件使用了單一的光子貼圖引擎(photon map），在隨后的發展中，由于照明場景的復雜性逐漸增加，基于積分的光子貼圖引擎算法導致計算時間過長，基于經驗的蒙特卡洛算法和對視點進行跟蹤的算法采用了概率模型以及僅計算需要部分而縮短了計算時間成為現今流行的照明設計軟件所采用的最為主要的光照算法。

圖2 19種照明設計軟件算法對比

圖3為幾種照明設計軟件計算結果的光照場景分析圖像。

圖3 部分照明設計軟件分析結果呈現

3.2 軟件模擬用途

建筑照明設計軟件通常用來預測照明設計環境的照度及亮度是否達到要求，以及時更正設計中可能出現的錯誤;虛擬將來建成環境的照明及采光的真實可視化三維效果;用以評價光照設計方案在節能方面的效果以配合節省建筑物的整體能耗。

表2為部分照明設計軟件的模擬用途。Radiance，AGI32，Dialux，Rayfront，Relux，Lightscape 等軟件在模擬用途上具有通用功能，能夠同時模擬室內、室外的自然采光與人工光源的照明。另一部分軟件如Microlux，LD Assistant，OptisWorks僅能模擬人工光源照明。Calculux，Lighting Reality等軟件主要是道路與隧道照明設計的輔助軟件。

表2 部分照明設計軟件模擬用途

續表

3.3 軟件易用性

照明設計軟件的易用性對于建筑師這類使用者來說格外重要，例如Radiance具有優秀的光照算法和強大的分析能力，但在易用性上卻大打折扣，使用者需要具備一定的編程知識，導致該軟件一直以來都被專業照明設計師使用。Rayfront，Ecotect等軟件為此專門開發了以Radiance為計算核心的外殼程序或導出程序。

在照明設計類軟件的使用難度上主要有兩個因素，其一是軟件是否具有圖形化界面，Radiacne原版所有操作幾乎都基于命令形式的輸入方式，大大降低了工作效率。其二是從模型建立到模擬參數設定完成的整個過程的復雜性。本節研究主要基于軟件的使用手冊，從以下幾個方面來進行評價:

(1）是否具有圖形化的用戶界面;

(2）建模界面與相機瀏覽的方式是否與3D建模類軟件類似;

(3）材質賦予方式是否簡便并且能夠容易被用戶理解;

(4）渲染場景的建立步驟是否簡便;

(5）計算過程是否有明確的進度條提示用戶;

(6）輸出結果有專門程序進行查看，無需導入到另外的軟件進行;

(7）結果能否導出高分辨率圖像或矢量圖像。

以上幾個方面軟件每具備一項獲得一分，根據軟件獲得的分值，對以上照明設計軟件分為容易使用(6分及以上）、較好易用性(4～5分）、一般易用性(3分）、不易使用(2分及以下）。19種樣本軟件在易用性上得分對比見圖4。總體而言目前使用較為廣泛的照明設計軟件大部分不具有很好的易用性(57.9%）。由伯克利實驗室開發的免費開源照明設計軟件Radiance始終沒有太大關注用戶的體驗，是所有樣本軟件中易用性得分最低的一款照明設計軟件。由于照明設計市場并不廣闊，照明設計軟件開發周期較長，軟件界面布局復雜，建立渲染場景參數設置普遍較為繁瑣，上手基本上都比較困難。

圖4 照明設計軟件易用性對比

使用最為廣泛，由技術實力較強公司開發的幾款商 用 軟 件 AGi32，Dialux，Lightscape，OptisWorks，SPEOS，Ecotect，TracePro，Vectorworks Spotlight是目前市場上較為適合非專業照明設計師使用的幾款照明設計軟件，其中較為新興的Vectorworks Spotlight與該公司其他Vectorworks系列CAD軟件結合到一起，是一個完整的CAD建筑、規劃、景觀CAD設計系統中有機的一部分。

3.4 數據輸入

數據輸入對于照明設計軟件而言意味著軟件計算采用的數據能否輸入真實物理世界的相關數據，并且通過對光照與場景模型的適度抽象進行模擬計算。通常被照明設計軟件使用的外部輸入數據包含文本文檔、模型文件、燈光文件、氣象數據、場景光照等。

照明設計軟件發展至今已有幾種通用的數據文件用以描述各種物理現實。對于場景物理模型，一般會使用CAD軟件的模型格式如Dwg，Dxf或各種通用三維模型描述格式3ds，Obj，Stl等。對于燈光數據，一般采用IES(美國照明工程學會）標準光度學數據文件。對于場景自然和人工環境光照，一般使用HDR高動態光照渲染貼圖。

3.4.1 模型輸入

目前大部分的照明設計軟件不僅僅有獨立的建模系統，通常都能導入其他CAD軟件生成的三維模型，通常導入的模型存在相當多的問題需要修復，例如Ecotect導入的三維模型由于幾何描述方式不同會存在很多破面需要修復才能在照明設計中繼續加以應用。由于三維模型的轉換能力涉及到每個軟件本身的具體應用，筆者不做探討，僅分析軟件對通用三維模型數據的導入能力對比。

大部分照明設計軟件支持通用CAD三維模型格式Dwg，Dxf等，但CAD類建模軟件如AutoCAD的建模能力有限，通常只能較為抽象地描述場景模型，曲面與曲線只能通過多邊形的方式在照明設計軟件中進行描述。部分軟件支持通用的3D三維模型格式如Sat，3ds，例如 LightScape，AGI32，Relux 等軟件，因此能夠描述較為復雜的模型，在處理復雜場景時使用3D建模軟件來進行前期場景建立也較為節省時間。另一部分軟件依賴于其他大型CAD或3D軟件的建模環境，作為插件形式集成于該軟件中(圖5），例如LD Assistant(集成與 AutoCAD軟件）、SPEOS(建模部分集成于CATIA和PRO/E）、OptisWorks(建模系統集成于CATIA V5，SolidWorks和PRO/E）等。少部分軟件則自帶一個建模環境，但此類建模環境往往不太強大，復雜場景的建立需要大量時間，例如LightCalc通過Matlab以數學方式來建立房間模型(圖6），場景建立能力較差。

圖5 基于AutoCAD2010的LD Assistant照明設計軟件

圖6 使用LightCalc描述房間模型

依據上述描述，按照明設計軟件模型輸入能力可分為支持多種三維格式、支持單一三維格式、基于3D建模軟件插件、不支持外部導入三種情況，圖7為樣本軟件在模型輸入能力上的餅圖比例。目前大部分照明設計軟件都支持一種或多種外部三維格式的模型輸入(70%），只有少部分基于自帶的建模系統或者基于成熟的三維建模系統(30%）。

圖7 照明設計軟件三維輸入能力對比

3.4.2 光源數據輸入

光源數據是對實際天光系統或者人工光源系統進行抽象的一種數據儲存。對于自然光和人工光源都有標準的數據格式，自然光是一個根據時間與地點動態變化的光源，在照明設計軟件中較為常見的采用的天光模型有均勻天空模型和由國際發光照明委員會(Commission Internationale de L’Eclairage）開發的CIE天空模型標準(圖8）。CIE天空模型可以解決大部分自然天光情況。在以上19款樣本照明設計軟件中，Radiance，AGI32，Dialux，Lightscape，Rayfront，Relux，Ecotect7款軟件(36.8%）支持 CIE 天空模型，其余不支持，部分軟件不支持自然光照明設計。

圖8 CIE天空亮度分布圖

對于人工采光在業界有多種不同的標準，有由學術機構開發的也有由商業燈具公司開發的。其中較為著名的有北美照明工程師社區(Illumination Engineering Society of North America）采用的IESNA標準、英國注冊建筑服務工程師協會(Chartered.Institution of Building Services Engineers）采用的CIBSE標準、德國柏林照明咨詢公司提出的EULUMDAT標準。軟件可采用的人工光源格式有 IES，CIE，CIBSE，ULD，LDT，LTLI等，其中IES與CIBSE兩種燈具格式照明設計軟件支持最多，樣本軟件中有73.7%支持了其中一種或兩種格式。此外支持最多的人工光源格式為EULUMDAT標準的LDT格式，占42.1%。少數幾款軟件LightCalc，Lighting Reality(10%）不支持外部輸入人工光源數據。

3.5 輸出

照明設計軟件的輸出可分為圖像和數據兩個部分。每個照明設計軟件至少有圖像和數據輸出中的其中一種。僅輸出數據格式的照明設計軟件通常是輸出事先定義好的房間網格點的模擬數據，數據格式是一種量的輸出，通常以純數字或表格、統計圖的方式出現，無法直觀反映采光和照明結果，所傳達的含義也只有專業照明設計者能讀懂，目前市場上的絕大部分照明設計都帶有圖像輸出能力。圖像輸出包括真實采光和照明場景的渲染圖像、互動的分析圖像和有數據解釋的圖像，如圖9為Radiance輸出的帶有場景亮度等高線分析的渲染圖像。

圖9 Radiance光環境分析亮度等高線圖像

照明設計軟件的使用者包含兩種類型:第一種是并非燈光與采光設計專家的建筑師，此類使用者通常以在自然采光和人工采光環境中得到的感受經驗來判斷其設計的優劣，另一類為自然采光和人工采光的專業研究者和光學物理學家，他們不是全職設計師但卻擅長通過數據來評價設計的好壞，因此現在的大部分照明設計軟件都能夠輸出多種信息用以滿足不同的使用者需求。其中照明設計軟件能否輸出準確的設計場景真實的可視化渲染圖像是衡量一款照明設計軟件是否優秀的重要標準之一，在樣本軟件中，支持渲染圖像與不支持渲染圖像的軟件對比如圖10所示，其中支持渲染圖像的照明設計軟件占到了68.4%。

圖10 支持渲染圖像與不支持渲染圖像的軟件對比

4 小結

用于建筑輔助設計的照明模擬技術在20余年里經歷了迅速的發展，從早期的僅能進行簡單場景的數據分析到如今的照明設計軟件普遍能仿真模擬復雜照明設計場景的真實圖像。從軟件特點上看主要在以下方面的技術不斷演變:照明算法的精確性、照明場景的參數設定詳細性、場景描述的復雜程度和與建筑整體能耗等方面的計算相聯系。現在市場上較為常見的照明設計軟件大多都遵守相關照明規范標準，這些軟件大部分差異在于其輸入與輸出部分。或許是因為照明設計軟件市場并不太廣泛的原因，此類軟件的開發和軟件更新周期遠遠比不上三維建模、CAD類等需求較大的軟件，部分軟件仍然缺乏相當的人性化界面和使用設計。

由伯克利實驗室開發的Radiance以其優秀算法仍然是模擬結果評價最好的軟件之一，并且被很多同類軟件作為核心引擎采用，例如Rayfront，Daysim等。例如Dialux，Calculux這類照明設計軟件較多用來模擬人工光源照明設計，通過規范的采光文件標準格式，被各種燈具廠商支持。另有一類軟件如LD Assistant，OptisWorks等被植入到成熟的CAD系統中，例如AutoCAD，CATIA等作為插件的形式，借用其強大的場景搭建能力進行使用。這種整合成熟CAD空間描述系統和專業照明模擬的技術比擁有成熟的3D模型導入能力更為方便，是以后照明設計軟件發展的方向之一。

整體而言，照明設計類軟件已經發展較為成熟，Amorim，Claudia Naves David的文章通過對市面上應用較為廣泛的照明設計軟件進行測量手段與模擬手段的數據對比差異通常在20%以內，目前被廣為使用的此類軟件在核心算法上都是相當優秀的。但照明設計類軟件在軟件易用性上普遍還有提升空間，例如軟件界面、用戶幫助文檔等，以適合建筑師這類使用者，這樣照明設計軟件才能更為廣泛地被應用到建筑設計、高校相關課程中，而不是照明設計專家才能使用的專業軟件。

［1］Reinhart C.，Fitz A..Findings from a survey on the current use of daylight simulations in building design，2005

［2］Reinhart C.F.，Fitz A..Key findings from a online survey on the use of daylight simulation programs，2004

［3］Geoffrey G.Roy.A Comparative Study of Lighting Simulation Packages Suitable for use in Architectural Design，2000

［4］M.Susan Ubbelohde，Christian Humann.Comparative E-valuation of Four Daylighting Software Programs

［5］Carlos E.Ochoa，Myriam B.C.Aries，Jan L.M.Hensen.Current Perspectives on Lighting Simulation for Building Science，2010

［6］Ubbelohde，M.S.，J.Weidt，J.Johnson.Daylighting Software Evaluation Project Report，Minneapolis，MN:Regional Daylighting Center，University of Minnesota，1989

［7］Christakou，Dimitrios Evangelos，Amorim，Claudia Naves David.Computer Simulation of Daylight:a comparison for architect’s utilization，2005

［8］Using Simulation Software Calibration Tests as a Consumer Guide-a Feasibilty Study Using Lighting Simulation Software

［9］Christakou，Dimitrios Evangelos，Amorim，Claudia Naves David.Daylightng Simulation:Comparison of Softwares for Architec-T’s Utilization

［10］劉賓.國內常用照明設計軟件比較分析［D］.天津:天津大學，2007

［11］胡國劍，郝洛西.照明計算軟件Dialux與Agi32的比較分析［J］.照明工程學報，2005

［12］劉賓，王愛英，秦鑫.常用照明設計軟件簡介及比較［J］.燈與照明，2005