用于建筑照明设计的软件研究

王大川

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400045）

0 引言

在建筑设计中，模拟自然天光与灯光照明是一项复杂的课题，涉及到许多的相关参数，但却是在建筑设计中不可忽视的重要的一项，特别是在主要针对节能和舒适度要求的绿色或生态建筑的设计中。从20世纪80年代中期开始，一系列商业和开源软件包被开发出来，用以专门处理建筑自然天光设计与灯光照明设计的相关问题，随着计算机软硬件的技术发展，建筑照明设计软件的应用日益广泛。1994年的一项调查显示，大约有50%的建筑光环境设计人员在实践工程中使用计算机模拟技术和物理模型来辅助设计，特别是使用计算机模拟来进行建筑之间的阴影分析。2004年的一项网络调查显示，参与者(照明设计相关研究人员、教育机构、设计人员）完全不使用软件技术模拟的降到了21%。

目前市场上已有超过50余种商业和开源照明设计软件包，这些软件的功能范围从简单的采光系数图表分析到复杂的虚拟场景照片级渲染。笔者主要通过对现有市场上已经被广泛使用，并且具有综合功能的照明设计软件的特点进行对比研究，采集了以下19款照明设计软件的相关数据:Radiance(开源软件包），AGi32，Calculux，Dialux，LD Assistant，LightCalc，Lightscape，Microlux，OptisWorks，OptiWin 3D pro，Rayfront，Relux，SPEOS，Vectorworks Spotlight，Visual，Lighting Reality，TracePro，LightStar 4D，Ecotect。

以上软件均是由国外相关公司与研究机构开发，有的分析准确但可视化功能不足，有的渲染结果图片精细，但数据分析能力欠缺，而且没有一个在各个功能方面都处于技术领先的主导软件。笔者从多个角度对目前使用较为广泛的照明设计软件进行研究，分析这些软件在相关功能上的优缺点，以供相关从业者与研究者在选择软件时参考或同类型研究的借鉴。

1 研究背景

照明设计软件的性能研究与对比研究很早就有研究者在进行，1988年Ubbelohde等人进行的一项研究中证明由于现实自然光的复杂程度，当时没有任何一款软件能够模拟自然天光的情况。然而在经过二十余年的建模与模拟仿真技术发展，目前几乎所有的照明设计都要依赖于计算机模拟技术的辅助。

对照明设计软件横向对比研究较为著名的是2000年澳大利亚Geoffrey G.Roy的论文［3］，该论文通过对比照明设计软件的光照算法、软件易用性、数据呈现等方面对十余款照明设计软件进行了自然采光方面的对比研究，但目前此论文中提到的大部分软件都已被市场淘汰。

类似的研究［6］，［7］，［8］，［9］主要关注了照明设计中的自然采光模拟结果准确性，通过真实情况与模拟结果进行验证对比，所研究的软件范围主要关注了几款使用范围最广的照明设计软件(Lightscape，Radiance，Dialux，AGi32）等等。国内的相关研究［10］，［11］，［12］比较类似，介绍了相关软件的功能和使用方法，所涉及的软件也是使用范围最为广泛的几款(Ecotect，Radiance，AGI32，Lumen micro）。

2 研究方法与目的

在本研究中，采集了19款被较为广泛使用的照明软件的相关数据，数据来源包括软件官方网站页面介绍，软件用户文档，软件帮助文档和软件相关教程。根据在照明设计中需要获得的数据和软件本身的功能完善性等主要研究了目前使用较为广泛的照明设计软件的算法精确性、软件易用性及开放性(导入、建模、导出等）、参数完整性、数据和可视化结果、渲染能力、用户支持等方面上的特点与对比分析。在研究中采用的数据主要来自每个软件的官方网站地址和软件介绍以及帮助文档，其他内容借鉴了参考文献中所列的类似研究。本研究可以为相关人员在选择软件时解决以下几个问题:

(1）在进行某项具体研究或设计时，例如自然采光设计、人工照明设计，选用哪类或哪几款软件最合适。

(2）哪类软件适合用于研究型项目，哪类软件适合用于实际型项目，哪类软件适合用于教学目的。

现有的光照设计软件基于不同的计算机算法，其模拟结果有所差异，适合建筑师和学生使用的软件在易用性上也有一定要求，有的软件可以呈现更好的渲染结果，有的软件可以呈现细致的数据表格，因此，对于不同的应用目的需要选择不同的软件来进行。

(3）选用哪类照明设计软件是能支持真实场景渲染与后期呈现使用。

(4）选用哪类照明设计软件接口方面能否与设计者现有的平台进行配合使用。

3 对比研究

3.1 光照算法

光照算法是一款照明设计软件的核心，目前，用于照明软件的核心算法主要有两种类型。第一类叫做“拟真着色(photorealistic rendering）”，这是早期发展而来的非真实场景渲染，光照类型比较单一，它主要是用来生成产品的艺术渲染图像。另一类叫做“基于物理可视化(physically-based visualization）”，此类算法通过真实模拟自然和人工光源情况、光的折射反射以及材质表现情况来进行照明模拟，比较优秀的照明设计软件都采用这类算法。

在“拟真着色”与“基于物理可视化”两类算法中有几种具体的著名算法(图1），不同的光照算法和它们支持的模拟用途具有不同的层级。一般较为综合的光照模拟软件都采用几种类型的光照算法并用:

(1）直接计算类算法:该算法的光照计算过程都是具体的物理公式和简化公式，往往是国家标准涵盖的最常用照明情况。

(2）视点相关算法(View-dependant algorithms）:光照模拟的经典算法，基于对光线的跟踪(Ray Tracing），具体包含以下几种类型:基于光源的光线跟踪算法(Forward Raytracing），基于观察者的光线跟踪算法(Backward Raytracing），同时基于光源与观察者的光线跟踪算法(Bidirectional Raytracing）。可用于光照分析与真实渲染。

(3）场景相关算法(Scene-dependent algorithms）:其中最为著名的是辐射着色(Radiosity），可以同时计算热能传递与光照分析，通常不用于真实渲染。

(4）积分算法(Integrative approaches）:这是最为精确的一种光照模拟算法，但计算耗费时间和消耗计算机资源较长，例如Radiance采用的逆向光线跟踪(backward raytracing）是公认的最佳算法。另一种较为常用的是光子贴图引擎(photon map）。积分算法可用于光照分析与真实渲染。

(5）经验算法(practical implementation）:在不需要如此精度的情况下，为了减少计算时间与资源消耗而采用的近似算法，最为著名的是蒙特卡洛算法(Monte Carlo methods），此类算法具有精确度上的限制，但目前是在各个计算机模拟学科中采用最为广泛的算法。蒙特卡洛算法可用于光照分析与真实渲染。

图1 常见光照算法

表1为部分软件的光照算法与授权方式对比，现有的照明设计软件在以上几种照明设计基本框架下采用了多种光照算法，包含公开算法与闭源专利算法。但是在多项研究［1］，［4］，［5］中的对比结果表明，由伯克利实验室开发的Radiance是最为准确而且最有影响力的照明设计软件。另一些用于特殊用途的软件，例如Lighting Reality需要对隧道、夜晚高速公路等进行实时照明数据监控，采用计算速度非常快的实时引擎算法。

表1 部分照明设计软件光照算法与模拟用途

由于软件开发者的开发用途与技术实力差距，作为核心部分的光照算法可分为几个层次，例如像AGI32，Lightscape，Dialux，Relux 这类发展时间较长，使用非常广泛的照明设计软件其内往往包含了多种算法用以不同的光照模型，或者同时使用多个算法对场景进行照明计算再通过因子叠加使结果更为准确，这类软件通常兼具。部分软件例如Microlux等作者没有公开其照明算法的技术细节，仅是通过大量模拟与实测案例来显示其模拟结果的准确性。

按照照明算法的复杂和准确性，市场上常见的照明设计软件可以分为复合多种复杂算法、单一复杂算法、简单公式算法、未知专利算法四种，以上19种软件样本的照明算法对比如图2。目前市场上最为流行的大部分照明设计软件都采用了多种照明算法的复合，在早期的研究［3］中除Radiance外，大部分照明设计软件使用了单一的光子贴图引擎(photon map），在随后的发展中，由于照明场景的复杂性逐渐增加，基于积分的光子贴图引擎算法导致计算时间过长，基于经验的蒙特卡洛算法和对视点进行跟踪的算法采用了概率模型以及仅计算需要部分而缩短了计算时间成为现今流行的照明设计软件所采用的最为主要的光照算法。

图2 19种照明设计软件算法对比

图3为几种照明设计软件计算结果的光照场景分析图像。

图3 部分照明设计软件分析结果呈现

3.2 软件模拟用途

建筑照明设计软件通常用来预测照明设计环境的照度及亮度是否达到要求，以及时更正设计中可能出现的错误;虚拟将来建成环境的照明及采光的真实可视化三维效果;用以评价光照设计方案在节能方面的效果以配合节省建筑物的整体能耗。

表2为部分照明设计软件的模拟用途。Radiance，AGI32，Dialux，Rayfront，Relux，Lightscape 等软件在模拟用途上具有通用功能，能够同时模拟室内、室外的自然采光与人工光源的照明。另一部分软件如Microlux，LD Assistant，OptisWorks仅能模拟人工光源照明。Calculux，Lighting Reality等软件主要是道路与隧道照明设计的辅助软件。

表2 部分照明设计软件模拟用途

续表

3.3 软件易用性

照明设计软件的易用性对于建筑师这类使用者来说格外重要，例如Radiance具有优秀的光照算法和强大的分析能力，但在易用性上却大打折扣，使用者需要具备一定的编程知识，导致该软件一直以来都被专业照明设计师使用。Rayfront，Ecotect等软件为此专门开发了以Radiance为计算核心的外壳程序或导出程序。

在照明设计类软件的使用难度上主要有两个因素，其一是软件是否具有图形化界面，Radiacne原版所有操作几乎都基于命令形式的输入方式，大大降低了工作效率。其二是从模型建立到模拟参数设定完成的整个过程的复杂性。本节研究主要基于软件的使用手册，从以下几个方面来进行评价:

(1）是否具有图形化的用户界面;

(2）建模界面与相机浏览的方式是否与3D建模类软件类似;

(3）材质赋予方式是否简便并且能够容易被用户理解;

(4）渲染场景的建立步骤是否简便;

(5）计算过程是否有明确的进度条提示用户;

(6）输出结果有专门程序进行查看，无需导入到另外的软件进行;

(7）结果能否导出高分辨率图像或矢量图像。

以上几个方面软件每具备一项获得一分，根据软件获得的分值，对以上照明设计软件分为容易使用(6分及以上）、较好易用性(4～5分）、一般易用性(3分）、不易使用(2分及以下）。19种样本软件在易用性上得分对比见图4。总体而言目前使用较为广泛的照明设计软件大部分不具有很好的易用性(57.9%）。由伯克利实验室开发的免费开源照明设计软件Radiance始终没有太大关注用户的体验，是所有样本软件中易用性得分最低的一款照明设计软件。由于照明设计市场并不广阔，照明设计软件开发周期较长，软件界面布局复杂，建立渲染场景参数设置普遍较为繁琐，上手基本上都比较困难。

图4 照明设计软件易用性对比

使用最为广泛，由技术实力较强公司开发的几款商 用 软 件 AGi32，Dialux，Lightscape，OptisWorks，SPEOS，Ecotect，TracePro，Vectorworks Spotlight是目前市场上较为适合非专业照明设计师使用的几款照明设计软件，其中较为新兴的Vectorworks Spotlight与该公司其他Vectorworks系列CAD软件结合到一起，是一个完整的CAD建筑、规划、景观CAD设计系统中有机的一部分。

3.4 数据输入

数据输入对于照明设计软件而言意味着软件计算采用的数据能否输入真实物理世界的相关数据，并且通过对光照与场景模型的适度抽象进行模拟计算。通常被照明设计软件使用的外部输入数据包含文本文档、模型文件、灯光文件、气象数据、场景光照等。

照明设计软件发展至今已有几种通用的数据文件用以描述各种物理现实。对于场景物理模型，一般会使用CAD软件的模型格式如Dwg，Dxf或各种通用三维模型描述格式3ds，Obj，Stl等。对于灯光数据，一般采用IES(美国照明工程学会）标准光度学数据文件。对于场景自然和人工环境光照，一般使用HDR高动态光照渲染贴图。

3.4.1 模型输入

目前大部分的照明设计软件不仅仅有独立的建模系统，通常都能导入其他CAD软件生成的三维模型，通常导入的模型存在相当多的问题需要修复，例如Ecotect导入的三维模型由于几何描述方式不同会存在很多破面需要修复才能在照明设计中继续加以应用。由于三维模型的转换能力涉及到每个软件本身的具体应用，笔者不做探讨，仅分析软件对通用三维模型数据的导入能力对比。

大部分照明设计软件支持通用CAD三维模型格式Dwg，Dxf等，但CAD类建模软件如AutoCAD的建模能力有限，通常只能较为抽象地描述场景模型，曲面与曲线只能通过多边形的方式在照明设计软件中进行描述。部分软件支持通用的3D三维模型格式如Sat，3ds，例如 LightScape，AGI32，Relux 等软件，因此能够描述较为复杂的模型，在处理复杂场景时使用3D建模软件来进行前期场景建立也较为节省时间。另一部分软件依赖于其他大型CAD或3D软件的建模环境，作为插件形式集成于该软件中(图5），例如LD Assistant(集成与 AutoCAD软件）、SPEOS(建模部分集成于CATIA和PRO/E）、OptisWorks(建模系统集成于CATIA V5，SolidWorks和PRO/E）等。少部分软件则自带一个建模环境，但此类建模环境往往不太强大，复杂场景的建立需要大量时间，例如LightCalc通过Matlab以数学方式来建立房间模型(图6），场景建立能力较差。

图5 基于AutoCAD2010的LD Assistant照明设计软件

图6 使用LightCalc描述房间模型

依据上述描述，按照明设计软件模型输入能力可分为支持多种三维格式、支持单一三维格式、基于3D建模软件插件、不支持外部导入三种情况，图7为样本软件在模型输入能力上的饼图比例。目前大部分照明设计软件都支持一种或多种外部三维格式的模型输入(70%），只有少部分基于自带的建模系统或者基于成熟的三维建模系统(30%）。

图7 照明设计软件三维输入能力对比

3.4.2 光源数据输入

光源数据是对实际天光系统或者人工光源系统进行抽象的一种数据储存。对于自然光和人工光源都有标准的数据格式，自然光是一个根据时间与地点动态变化的光源，在照明设计软件中较为常见的采用的天光模型有均匀天空模型和由国际发光照明委员会(Commission Internationale de L’Eclairage）开发的CIE天空模型标准(图8）。CIE天空模型可以解决大部分自然天光情况。在以上19款样本照明设计软件中，Radiance，AGI32，Dialux，Lightscape，Rayfront，Relux，Ecotect7款软件(36.8%）支持 CIE 天空模型，其余不支持，部分软件不支持自然光照明设计。

图8 CIE天空亮度分布图

对于人工采光在业界有多种不同的标准，有由学术机构开发的也有由商业灯具公司开发的。其中较为著名的有北美照明工程师社区(Illumination Engineering Society of North America）采用的IESNA标准、英国注册建筑服务工程师协会(Chartered.Institution of Building Services Engineers）采用的CIBSE标准、德国柏林照明咨询公司提出的EULUMDAT标准。软件可采用的人工光源格式有 IES，CIE，CIBSE，ULD，LDT，LTLI等，其中IES与CIBSE两种灯具格式照明设计软件支持最多，样本软件中有73.7%支持了其中一种或两种格式。此外支持最多的人工光源格式为EULUMDAT标准的LDT格式，占42.1%。少数几款软件LightCalc，Lighting Reality(10%）不支持外部输入人工光源数据。

3.5 输出

照明设计软件的输出可分为图像和数据两个部分。每个照明设计软件至少有图像和数据输出中的其中一种。仅输出数据格式的照明设计软件通常是输出事先定义好的房间网格点的模拟数据，数据格式是一种量的输出，通常以纯数字或表格、统计图的方式出现，无法直观反映采光和照明结果，所传达的含义也只有专业照明设计者能读懂，目前市场上的绝大部分照明设计都带有图像输出能力。图像输出包括真实采光和照明场景的渲染图像、互动的分析图像和有数据解释的图像，如图9为Radiance输出的带有场景亮度等高线分析的渲染图像。

图9 Radiance光环境分析亮度等高线图像

照明设计软件的使用者包含两种类型:第一种是并非灯光与采光设计专家的建筑师，此类使用者通常以在自然采光和人工采光环境中得到的感受经验来判断其设计的优劣，另一类为自然采光和人工采光的专业研究者和光学物理学家，他们不是全职设计师但却擅长通过数据来评价设计的好坏，因此现在的大部分照明设计软件都能够输出多种信息用以满足不同的使用者需求。其中照明设计软件能否输出准确的设计场景真实的可视化渲染图像是衡量一款照明设计软件是否优秀的重要标准之一，在样本软件中，支持渲染图像与不支持渲染图像的软件对比如图10所示，其中支持渲染图像的照明设计软件占到了68.4%。

图10 支持渲染图像与不支持渲染图像的软件对比

4 小结

用于建筑辅助设计的照明模拟技术在20余年里经历了迅速的发展，从早期的仅能进行简单场景的数据分析到如今的照明设计软件普遍能仿真模拟复杂照明设计场景的真实图像。从软件特点上看主要在以下方面的技术不断演变:照明算法的精确性、照明场景的参数设定详细性、场景描述的复杂程度和与建筑整体能耗等方面的计算相联系。现在市场上较为常见的照明设计软件大多都遵守相关照明规范标准，这些软件大部分差异在于其输入与输出部分。或许是因为照明设计软件市场并不太广泛的原因，此类软件的开发和软件更新周期远远比不上三维建模、CAD类等需求较大的软件，部分软件仍然缺乏相当的人性化界面和使用设计。

由伯克利实验室开发的Radiance以其优秀算法仍然是模拟结果评价最好的软件之一，并且被很多同类软件作为核心引擎采用，例如Rayfront，Daysim等。例如Dialux，Calculux这类照明设计软件较多用来模拟人工光源照明设计，通过规范的采光文件标准格式，被各种灯具厂商支持。另有一类软件如LD Assistant，OptisWorks等被植入到成熟的CAD系统中，例如AutoCAD，CATIA等作为插件的形式，借用其强大的场景搭建能力进行使用。这种整合成熟CAD空间描述系统和专业照明模拟的技术比拥有成熟的3D模型导入能力更为方便，是以后照明设计软件发展的方向之一。

整体而言，照明设计类软件已经发展较为成熟，Amorim，Claudia Naves David的文章通过对市面上应用较为广泛的照明设计软件进行测量手段与模拟手段的数据对比差异通常在20%以内，目前被广为使用的此类软件在核心算法上都是相当优秀的。但照明设计类软件在软件易用性上普遍还有提升空间，例如软件界面、用户帮助文档等，以适合建筑师这类使用者，这样照明设计软件才能更为广泛地被应用到建筑设计、高校相关课程中，而不是照明设计专家才能使用的专业软件。

［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］刘宾.国内常用照明设计软件比较分析［D］.天津:天津大学，2007

［11］胡国剑，郝洛西.照明计算软件Dialux与Agi32的比较分析［J］.照明工程学报，2005

［12］刘宾，王爱英，秦鑫.常用照明设计软件简介及比较［J］.灯与照明，2005