Přehled a porovnání počítačových programů pro navrhování osvětlovacích soustav
| Přehled a porovnání počítačových programů pro navrhování osvětlovacích soustav prof. V. P. Budak, Mgr. D. N. Makarov, P. A. Smirnov, Světlo je základ pro vnímání okolního prostoru, kvalitní osvětlení přispívá k navození příjemného stavu lidí a k jejich běžné činorodé práci. Kromě toho je charakteristickým příznakem současné architektury. Osvětlená architektura se liší od návrhu osvětlení podobně jako „kolorovaná fotografie od malířského výtvoru (uměleckého obrazu) [1]. Na první místo se dostávají nikoliv technické, ale estetické problémy, tzn. jak kvalitně, krásně a komfortně působí realizované osvětlení. Důležitým kritériem kvality projektované osvětlovací soustavy (OS) je její světelnětechnický model. Ten umožňuje ověření a upřesnění výpočtů a také vyzkoušení světelnětechnických řešení jednotlivých částí OS. Donedávna byly tři základní typy světelnětechnických modelů: výpočtové (bez uvažování skutečných rozměrů, pomocí tabulek), přesné (na modelech 1 : 1) a makety vytvářející zobrazení podobné vizuálnímu vjemu projektované OS. V současné době se ve světelnětechnickém modelování uplatňuje jiný přístup, který je založen na počítačové vizualizaci osvětlení prostorových (3D) scén projektované OS. V tomto případě se provádějí světelnětechnické výpočty se zadanou přesností bez použití nákladných fyzických modelů.  Obr. 1. Schéma modelu místnosti Při projektování osvětlovacích soustav se jako základní nástroj pro výpočet a modelování již několik let používají specializované počítačové programy. Dnes zřejmě již nikdo nepochybuje o přednostech počítačového modelování oproti tradičnímu (ručnímu) s použitím maket. V několika posledních letech nastal boom na trhu světelnětechnického softwaru (SW) v důsledku zlevnění počítačů pro každého projektanta, objevily se jednoduché programovací prostředky, metoda globálního osvětlení otevřela možnost přesných výpočtů OS [2]. V důsledku tohoto vývoje vznikly desítky světelnětechnických programů s různou úrovní a účelem. V tomto článku jsou základní programy používané v praxi porovnány a výsledky porovnání vyhodnoceny. Nejdříve se však pokusme odpovědět na otázku: Jaké základní funkce musí program splňovat, aby se stal co nejúčinnějším pomocníkem při zpracování světelnětechnického projektu? Program musí mít intuitivně srozumitelné a pro projektanta obvyklé uživatelské grafické rozhraní (Graphical User Interface – GUI), aby bylo možné rychlé zaškolení projektantů. Program musí mít vhodnou databázi používaných osvětlovacích prostředků, umožňující její doplňování, tj. musí pracovat se standardními formáty popisu svítidel (IES, LTD atp.).  Obr. 2. Rozložení osvětlenosti (bodový zdroj, „černá“ místnost); plná čára – výsledky při bodově (bod.) zadaném rozložení svítivosti (RS), čárkovaně – výsledky při analytickém zadání, vztah (1) Žádoucím, ačkoliv ne nutným požadavkem na program je zahrnutí předpisových požadavků domácích (pozn. red.: ruských), popř. i zahraničních norem, s následným výstupem příslušné projektové dokumentace. Program musí uživateli poskytovat různé světelnětechnické parametry (osvětlenost, jas, index oslnění, izoluxní čáry atd.), přičemž přesnost výpočtu musí být aspoň 10 %1). Program buď musí mít vlastní prostředky pro vytváření trojrozměrných (3D) scén, nebo umožňovat import ze specializovaných 3D editorů (pracujících s formátem 3ds nebo dxf).
Tím zdaleka nebyl vyčerpán soupis požadavků na kvalitní světelnětechnický program. Je zřejmé, že vytvořit program vyhovující uvedeným požadavkům je technicky obtížné, nákladné, a tudíž neracionální. Proto jsou programy většinou úžeji specializované. Například některé programy velmi dobře vytvářejí vizualizaci a animované videozáznamy a jsou vhodné pro vnitřní a architekturní osvětlení, jiné jsou zaměřeny na výpočty hlavních pozemních komunikací a křižovatek a další se využívají jako pracovní nástroj v elektrotechnickém projektování. Tab. 1. Základní charakteristiky světelnětechnických programů
1) při použití Plug-in Relux Vision 2005 Tento článek pojednává o nejrozšířenějších programech na trhu, jež částečně charakterizují zaměření autorů: Dialux 4.1, Lightscape 3.2 a 3D Studio Viz 2006 společnosti Autodesk, Relux 2.4/2005 společnosti Informatic AG, dva ruské programy Light-in-Night a program WinELSO-Light, poskytnuté společností Světoservis a Ruskou průmyslovou společností. V tab. 1 jsou uvedeny vybrané charakteristiky programů a jejich možnosti. Jak je zřejmé, programy se dost liší jak svou funkcí, tak výstupní informací poskytovanou uživateli. V některých programech je to animovaný film, vyžadující od uživatele kromě světelnětechnických i režisérské znalosti, v jiných je to dvojrozměrné (2D) zobrazení s hodnotami osvětleností. Přesnost výpočtů programů Po seznámení s uvedenými programy je možné se zabývat přesností výsledků. V daném případě je zajímavé, s jakou přesností program počítá rozložení osvětleností scény. Jelikož všechny programy předpokládají difuzní povrchy, je možné hovořit také o přesnosti výpočtu rozložení jasu. V zásadě lze metodiky výpočtu používané v počítačových programech rozdělit do dvou skupin. V první je metodika založená na činiteli využití (Light-in-Night, WinELSO-Light), která umožňuje rychlý kontrolní výpočet. Do druhé patří programy využívající metody globálního osvětlení (global illuminating) – všechny ostatní uvedené programy. Jsou to metody radiozity (Radiosity) a sledování paprsků (Ray Tracing). Tyto metody umožňují vytvářet realistické zobrazení při přesném modelování jasu povrchů v 3D scénách s uvažováním mnohonásobných difuzních i zrcadlových odrazů.  Obr. 3. Rozložení osvětlenosti (plošný zdroj, jeden odraz) Je zřejmé, že hlavní rozptyl hodnot osvětlenosti vystupujících z programů bude způsoben mnohonásobnými odrazy, tj. při scéně s minimálně dvěma povrchy s nenulovými činiteli odrazu. Určitý podíl nepřesnosti výsledku však bude způsobem také schopností programu aproximovat rozložení svítivosti (RS) zadávané uživatelem, jelikož ve všech programech je RS zadáváno hodnotami svítivosti v souboru směrů s krokem 5° až 10°. Tak vzniká otázka, jaké hodnoty svítivosti určí program v obecných směrech. Proto autoři navrhli test založený na metodě J. J. Embrechtse [3], který umožňuje vyhodnotit chybu (nepřesnost) vlivem aproximace RS a vliv mnohonásobných odrazů na přesnost výpočtu. Programy byly porovnány na příkladu počítačového modelu standardní místnosti o půdorysných rozměrech 5 × 3 m a o výšce 3 m. Při porovnávání byly výpočtové parametry voleny podle programových standardních předvoleb (default), takže všechny programy byly v nezávislém rovnoprávném postavení. Při výpočtech se měnily činitele odrazu vnitřních povrchů místnosti r = 0, 0,3, 0,5, 0,7. Hodnoty osvětlenosti v „černé“ místnosti (r = 0) se vypočítávaly ručně podle známých vzorců [4] v kontrolních bodech podle obr. 1 na podlaze virtuální místnosti. Rovněž byly testovány tři typy svíticích těles: bodové, přímkové a plošné, protože je pravděpodobný výskyt výpočtu nebodových těles jako výpočtu bodových těles. Byly vytvořeny dvě zkušební RS složitého tvaru2), protože nebylo známo, jak programy aproximují hodnoty svítivosti, a prověření programů na jednoduchých tvarech3) RS neposkytuje výsledky. V programech může být svítivost počítána lineární interpolací, kvadratickou nebo jinou. Vstupní hodnoty prvního RS byly stanoveny takto. Byly vypočítány příslušné úhly g mezi vertikálou a spojnicemi zdroj světla – kontrolní body. Tak vzniklo třináct úhlů od 0° do 39°, každému z nichž byla přiřazena určitá hodnota svítivosti. Druhé RS na rozdíl od prvního mělo matematický popis:
Při zadávání RS byly v tomto případě použity jen hodnoty svítivosti ve směrech 0°, 5°, 10° atd., tj. po 5°. Model místnosti byl vytvořen v 3D grafice Studio Max 7 a RS bylo zadáváno přímo do souborů IES, LDT, u programů „nerozumějícím„ těmto formátům bylo nutné použít různé promyšlené úpravy. Například Dialux nepřijal formát IES4), a tak bylo nutné upravovat soubor v textovém editoru. Pro Relux, který formát IES vůbec nepřijal, bylo třeba vytvořit soubor ve formátu LDT5). Na obr. 2 jsou křivky rozložení osvětlenosti v kontrolních bodech na podlaze černé místnosti. Je zřejmé, že hodnoty vypočtené všemi programy se liší od přesných hodnot (ruční výpočet) o méně než 3 %. V případě použití analytického RS chyba roste do 10 až 15 %; to svědčí o vlivu algoritmu aproximace, v programech lze předpokládat použití kvadratické aproximace. Podobné výsledky byly dosaženy i v případě změny typu svíticího tělesa; RS, rozptyl hodnot nepřesahoval 5 %. To znamená, že všechny programy dobře počítají přímou složku osvětlenosti. Dále byl uvažován případ s jedním odrazem. Byl zadán činitel odrazu jedné stěny (r = 0,5), ostatní stěny zůstaly beze změny. Výsledky (obr. 3) vedou k předpokladu, že 3DViz a Lightscape využívají stejnou metodu výpočtu. Na tom není nic neobvyklého, protože 3D Studio Viz je pokračováním programu Lightscape 3.2 a společnost Autodesk přirozeně nezačala měnit výpočtové algoritmy. Dosažené výsledky u dvou druhých programů, Relux a Dialux, jsou trochu vyšší, avšak v podstatě stejné; to lze vysvětlit použitými složitými algoritmy. Vlastní příčinu rozdílu výsledků zatím vzhledem k nepřístupnosti zdrojových kódů programů autoři neznají. Další úvahy byly zaměřeny na zkoumání mnohonásobných odrazů (obr. 4). Byly zadány činitele odrazu: podlahy 0,3, stěn 0,5 a stropu 0,7. Z grafů na obr. 4 je zřejmé, že tendence rozdílu mezi oběma skupinami programů pokračuje. Zde se nabízí přirozená otázka: Která skupina programů dává větší chybu? K odpovědi na tuto otázku byla využita práce V. V. Soboleva [5], která umožňuje přesné řešení mnohonásobných odrazů dvou rovnoběžných nekonečných rovin osvětlených bodovým zdrojem libovolně mezi nimi umístěným s konstantní svítivostí 1 cd při jejich vzájemné vzdálenosti 1 m. Rozložení osvětlenosti na jedné z těchto rovin bylo vypočteno pomocí vzorce
kde r je vzdálenost od paty normály spuštěné na rovinu z bodového zdroje do zkoumaného bodu na této rovině, F(k) dáno vztahem
kde J0(x) je Besselova funkce prvního druhu nulového řádu, K1(x) modifikovaná Besselova funkce ryze imaginárního argumentu nebo McDonaldova funkce prvního řádu. Je zřejmé, že v programu nelze vytvořit nekonečné roviny, odporuje to počítačové logice. Bylo proto rozhodnuto nahradit takové roviny v programu čtverci o straně 10 m. Na jednom z nich byly (stejně jako v předchozím případě) rovnoměrně rozmístěny kontrolní body pro výpočet osvětlenosti.  Obr. 4. Rozložení osvětlenosti při mnohonásobných odrazech (bodový zdroj); plná čára – výsledky při bodově zadaném RS, čárkovaně – výsledky při analytickém zadání RS Výsledky jsou znázorněny na obr. 5. Z grafu je zřejmé, že nejpřesnější výpočet poskytl Lightscape (chyba nepřesáhla 3 %), následovaly Dialux s programem Relux. Rozdíly ve výsledcích, podle předpokladu autorů, mohou být způsobeny použitím standardních výpočtových parametrů. Nelze však zapomenout na skutečnost, že standardní parametry jsou přizpůsobeny určité průměrné přesnosti výpočtů a jejich nastavení může v závislosti na složitosti scén a úkolů prováděných uživatelem zásadně ovlivnit přesnost výsledků. Autoři se domnívají, že jde o závažnou otázku, kterou budou řešit v dalších pracích. Zhodnocení výsledků Bylo sledováno několik světelnětechnických programů s různou složitostí a funkcemi. Bylo by tedy účelné pokusit se vymezit oblasti jejich použití ve světelnětechnické i projektové praxi, kde by tyto programy byly nejefektivnější a kde by nejvíce pomáhaly projektantovi-světelnému technikovi při řešení jeho úkolů. Dialux 4.1 – univerzální program pro světelnětechnické výpočty. Lze ho doporučit jako dobrý nástroj pro výpočty vnitřního i uličního osvětlení s možností tvorby realistických zobrazení. Jeho použití je možné jak v projektovém, tak (díky podprogramu Dialux-Light) v manažerském nebo konzultačním oddělení podniku. Umožňuje rychlý výpočet počtu svítidel a hladin osvětleností. Lightscape 3.2 a 3D Studio Viz 2006 – oba programy jsou v současné době vedoucími programy ve světelnětechnických výpočtech. Při výpočtech využívají složité algoritmy (v programu 3DViz se používá zdokonalený algoritmus adaptivní vizualizace, umožňující v určité míře vytvářet realističtější obrazy, a v důsledku toho animované filmy vyšší kvality). Oblasti použití jsou velmi široké:
 Obr. 5. Rozložení osvětlenosti při mnohonásobných odrazech mezi dvěma rovinami (r = 0,8 při bodovém zdroji); plná čára – výsledky podle rovnice (2), čárkovaně – výsledky podle programů Program 3D Sudio Viz může být navíc použit jako plnohodnotný 3D editor, jenž je funkčně shodný s programem 3D Studio Max. Doporučuje se pro specialisty v oboru designérských a světelnětechnických návrhů. Relux 2.4 – v mnohém se shoduje s programem Dialux, má rozsáhlou databázi světelnětechnických prostředků různých výrobců. U verze 2.4 chybí vizualizace; to omezuje jeho využití. Verze Relux 2005 obsahuje zásadní doplňky, jako je rozšíření grafického rozhraní, možnost výpočtu denního osvětlení, podstatné zdokonalení výpočtového modulu Radiosity a mnoho dalšího. Pro umožnění tvorby realistických zobrazení je nutný přídavný modul ReluxVision 2005. Spolupráce programu Relux s AutoCAD může být velmi zlepšena použitím Plug-in ReluxCAD 1.06) Program lze doporučit projektantům-světelným technikům k výpočtu jednoduchých scén. Velmi užitečný může tento program být při projektování světelnětechnických prostředků, které chybějí v databázi jiných programů. WinELSO Light 5 – jeden z mála programů vytvořených ruskými zpracovateli. Jeho hlavním rysem je jeho přizpůsobení projektování elektrických instalací (volba zařízení, výpočty, zpracování prováděcí dokumentace) v souladu s ruskými normativními dokumenty. Jde o plně funkční doplněk (plug-in) k světově známému editoru vektorové a 3D grafiky AutoCAD 2000–2005. Chybějící vizualizace u verze 5 znamená určitá omezení při použití programu, uváží-li se však, že byl vytvořen jako nástroj automatizace projektování elektrických rozvodů, není tento nedostatek tak velký. Jednou z předností programu, kromě jednoduchosti obsluhy a použití ruské normativní základny, je možnost výpočtů osvětlení a automatického rozmísťování svítidel současně v několika místnostech a venkovních prostorech přímo ve stavebních výkresech 2D nebo 3D vyhotovených v AutoCAD. Program tedy lze doporučit světelnětechnickým firmám i organizacím projektujícím elektrické vybavení obytných, veřejných i výrobních objektů, v nichž jsou požadovány výpočty osvětlení a volba osvětlovacích prostředků. Light-in-Night 2.71 (Road) je další program ruského původu, jenž byl vytvořen ve společnosti Světoservis. Lze jej jako plně funkční soubor programů doporučit projektovým organizacím k výpočtům osvětlení ulic a dopravních uzlů. Ideální je jeho použití s dalšími světelnětechnickými programy. Zpracovatelé programu přislíbili v nejbližší době vydat jeho novou verzi s vizualizací a rovněž s některými úpravami uživatelského rozhraní.  Obr. 6. Celkové subjektivní hodnocení porovnávaných programů Na obr. 6 jsou uvedena subjektivní hodnocení porovnávaných programů v desetibodové stupnici. Závěr Jak je zřejmé z obr. 6, hlavní boj mezi programy se odehrál u druhého místa. To charakterizuje obecnou tendenci na trhu světelnětechnického softwaru. Program Lightscape byl ukončen verzí 3.2, dále nebyl zpracovatelskou firmou podporován, takže souhrn jeho užitečných funkcí postupně stárne, zatímco druhé dva programy vedoucí skupiny jsou neustále inovovány a jejich funkčnost se rozšiřuje. Ze zjištěné situace vyplývá, že v současné době existují tři základní směry rozvoje světelnětechnických programů:
Vytvořením produktu, který by sjednotil naznačené tři skupiny programů, se v současné době zabývají vývojáři programu Dialux-a; to potvrzuje vydání poslední verze programu. Výsledky rozboru však potvrzují, že k úplnému sjednocení programů nedojde, neboť cíle a úkoly programátorského světa jsou příliš rozdílné. Celkově lze říci, že programy uvažované v tomto článku umožňují s větší či menší přesností vypočítat rozložení osvětlenosti scény, chyby se pohybují v doporučeném intervalu od 20 do 10 % normovaných hodnot. Nejpřesnější výsledky byly zjištěny u dvou programů, a to Autodesk a Dialux 4.0. Literatura: 1) podmíněnou celkovou chybou měření svítivosti svítidla, nikoliv přesností zadání činitelů odrazu povrchů a přesností aproximace čar svítivosti v programu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
