Ansys Speos를 활용한 광 공해(Light Pollution) 분석

광 공해(빛 공해)

지난 5월 16일부터 19일까지 삼성동 코엑스에서 제31회 국제 방송·미디어·음향·조명 전시회 (KOBA 2023)가 진행되었다. 이번 전시회의 일반 참가자로 참가하여 카메라와 렌즈, 조명, 음향 시스템의 산업에 대하여 관람하면서, Ansys 제품 중 Optics 제품이 적용될 수 있는 분야에 대하여 확인해 보았다. 그 중 한 업체에서 광 공해 관련 문의가 있었다. 그래서 이번 블로그에서는 Ansys Speos를 활용한 광 공해 분석에 대하여 작성하였다.

Photo Pollution, Light Pollution, 광 공해라고 불리는 광 공해는 오래전부터 전세계적으로 이슈가 되었다. 현재 우리 나라에서도 광 공해에 대한 관련 규제와 법령이 있으며, 측정 방식에 대한 규정도 있다. 그리고 한 자치구에서는 관련 민원으로 조치를 취한 사례도 있으며, 광 공해라는 단어로 검색을 하면 많은 사이트에서 관련 자료가 나오고 있다.

일반적으로 광 공해는 인공 조명에 의하여 발생된 빛으로부터 나오는 불필요한 빛을 의미한다. 너무 과도한 빛으로 인한 눈부심과 외부로 노출되는 불필요한 빛의 침입 등이 해당되며, 작게는 수면 방해와 밤 하늘의 별이 보이지 않는 현상부터 크게는 생태계의 이상 현상까지 다양한 영향을 발생시키고 있다. 그 중 이번 블로그에서는 대형 전광판에 의한 눈부심 현상에 대한 사례를 Ansys Speos에 적용하여 보도록 하겠다.

대형 전광판 광 공해

환경부에서 작성한 ‘광 공해 방지를 위한 조명기구 설치·관리 권고기준 가이드라인 (2021.10)’에 의하면 광 공해 방지법 적용 범위는 크게 3가지로 나누어져 있다. 안전하고 원활한 야간활동을 위하여 도로, 보행자길, 공원녹지 등의 공간을 비추는 공간 조명과 옥외광고물에 설치되거나 광고를 목적으로 그 옥외광고물을 비추는 광고 조명, 건축물 및 시설물과 조형물 또는 자연환경 등을 장식할 목적으로 그 외관에 설치되거나 외관을 비추는 장식 조명이다. 이 중 광고 조명 중에 하나로서 번화가에서 볼 수 있는 대형 전광판(점멸 또는 동영상 변화가 있는 전광류 광고물 또는 디지털 광고물) 사례에 대하여 진행하겠다.

(사진 출처: 광 공해방지를 위한 조명기구 설치·관리 권고기준 가이드라인, 2021.10)

환경부의 ‘광 공해 방지를 위한 조명기구 설치·관리 권고기준 가이드라인, 2021.10’에서는 대형 전광판에 대한 광 공해 방지에 대하여 다음과 같이 서술하였다.

광 공해 방지를 위한 광고조명 설치･관리 권고기준 제6조제3항

2. 광고물 설치 시 「광 공해 공정시험기준」 점멸･동영상 전광류 광고물의 발광표면 휘도 측정방법의 “백색신호 재생중인 점멸･동영상 전광류 광고물 발광표면 휘도 측정”에 따라 운영 소프트웨어 또는 조광기를 표 2의 빛방사허용기준 미만이 되도록 조정하는 것을 권장한다.

3. 점멸 또는 동영상 변화가 있는 전광류 광고물은 휘도 기준을 초과할 가능이 높은 백색계통의 영상을 자제하고, 백라이트를 낮추어 휘도 및 조도 기준을 만족할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

4. 영상 콘텐츠 제작 시 보행자, 운전자, 거주자가 강한 자극을 느낄 수 있는 높은 채도와 명도의 색상 사용을 최소화하는 것이 바람직하다.

5. 빠른 점멸 반복 또는 짧은 시간 내에 급격한 휘도 변화가 발생하는 영상 콘텐츠의 상영을 지양한다.
 영상 콘텐츠 전환시 과도한 휘도 차이가 발생하지 않도록 주의한다. 

표 1 환경부의 ‘광 공해 방지를 위한 조명기구 설치·관리 권고기준 가이드라인, 2021.10’ 참고

이 중 2번 항목인 “백색신호 재생중인 점멸･동영상 전광류 광고물 발광표면 휘도 측정”에 대하여 분석을 Part 1로 진행하겠으며, Part 2 시뮬레이션으로 디스플레이 화면의 이미지에 따른 휘도 측정값을 확인해 보도록 하겠다. 그리고 밤과 낮 조건을 반영한 시뮬레이션과 눈부심까지 반영한 시뮬레이션을 추가적으로 진행하겠다.

Simulation 모델링 및 구성

광학 시뮬레이션을 진행하기 위하여 가상의 도심 형상을 모델링하였다. 모델링은 Ansys SpaceClaim으로 진행하였으며, 기존의 가지고 있던 모델링 파일을 이용하였다. 일반적으로 Ansys SpaceClaim에서 모델링한 파일은 Ansys Speos에서 바로 이용이 가능하다. 또한, 타사의 모델링 파일과도 호환이 가능하여 외부 모델링 파일을 이용하여 광학 해석도 가능하다.

광 공해에 대한 해석을 위하여 도심 한가운데 4 거리에 대형 전광판을 설치하였다. 그리고 “백색신호 재생중인 점멸･동영상 전광류 광고물 발광표면 휘도 측정”에 대한 분석과 디스플레이 화면의 이미지에 따른 휘도 측정 분석 등 추가적으로 진행하는 시뮬레이션에 대하여 주변에 위치한 건물을 기준으로 확인할 수 있도록 Point 1, 2, 3을 지정하였다.

Part 1 – 백색신호 재생중인 점멸･동영상 전광류 광고물 발광표면 휘도 측정

휘도란, 특정 표면에서 방사되거나 반사된 빛이 우리의 눈에 얼마나 들어오는지에 대한 값을 의미한다. Ansys Speos에서는 복사 휘도(watt/m2 단위) 및 휘도(candela/m2 단위) 분포를 연산 및 해석할 수 있는 Radiance Sensor를 지원하고 있으며, Photometric, Radiometric, Colorimetric, Spectral 방식으로 결과를 표현하고 있다. Part 1 시뮬레이션에서는 이 Radiance Sensor를 이용하여 백색신호 재생 화면에 대한 휘도 값은 분석하기 위하여 다음과 같이 환경 구성을 진행하였다.

백색 신호 재생화면에 대하여 구성하기 위하여 Ansys Speos Library에서 제공하는 White LED Source를 사용하였으며, 이때 백색 신호의 밝기는 일반적으로 공개된 대형 전광판 모듈의 밝기 값을 이용하여 5,000 cd/m²  값으로 설정하였다. 또한, 주변 환경에 대해서는 백색 신호 재생에 대한 휘도 분석의 영향성을 줄이기 위하여 낮 조건인 오후 1시로 구성하여 밝기 값은 1,000 cd/m² 로 구성하여 진행하였다.

빛 방사 허용 기준에 대해서는 ‘점멸 또는 동영상 변화가 있는 전광류 광고물’의 기준 중 발광 휘도 값 기준이 가장 높은 시간인 ‘해진 후 60분 ~ 24:00시’를 기준으로 하였으며, 그 중에서도 기준 휘도 값이 가장 높은 제 4 종 상업지역을 기준으로 사용하였다.

Part 1 Simulation 결과

Point 1에서의 휘도 결과이다. 현재 디스플레이 전광판에 입력된 White source와 주변 환경의 빛이 합해진 결과를 확인할 수 있다. 휘도 결과에 대하여 휘도 최대 값을 제 4 종의 1,500 cd/m² 으로 설정할 경우, 디스플레이 전체에서 1,500 cd/m² 이상의 휘도가 측정되는 것을 확인 할 수 있다.

Point 2에서의 휘도 결과이다. 여기에서도 디스플레이 전광판에 입력된 White source와 주변 환경의 빛이 합해진 결과를 확인할 수 있으며, 휘도 결과에 대하여 휘도 최대 값을 제 4 종의 1,500 cd/m² 으로 설정할 경우, 디스플레이 전체에서 1,500 cd/m²  이상의 휘도가 측정되는 것을 확인 할 수 있다.

Point 3에서의 휘도 결과이다. 여기에서도 디스플레이 전광판에 입력된 White source와 주변 환경의 빛이 합해진 결과를 확인할 수 있으며, 휘도 결과에 대하여 휘도 최대 값을 제 4 종의 1,500 cd/m²으로 설정할 경우, 디스플레이 전체에서 1,500 cd/m² 이상의 휘도가 측정되는 것을 확인 할 수 있다.

Part 1 시뮬레이션을 통해 “백색신호 재생중인 점멸･동영상 전광류 광고물 발광표면 휘도 측정”에 대한 결과를 Ansys Speos로 확인해 보았다. 백색 신호를 재생할 경우 측정되는 휘도 값은 디스플레이에서 나오는 밝기와 주변 환경의 밝기가 합해진 결과로 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 시뮬레이션에서 설정한 디스플레이의 밝기 값은 매스컴과 일부 전광판 관련 자료에서 나온 값을 입력하였다. 이 값은 디스플레이의 화면을 표현하는 모듈에 대한 값이므로 실제 설치되어 있는 전광판의 광학 정보와는 다를 것이다. 만약, 실제 설치되어진 전광판의 정보를 백색 신호(White source)에 정확하게 넣을 수 있다면 Ansys Speos로도 대형 전광판의 밝기와 주변 환경을 고려한 휘도 측정을 통해 광 공해에 관한 경향성을 파악할 수 있을 것으로 분석되어진다.

Part 2 – 화면 이미지 따른 휘도 차이 확인

Part 2 시뮬레이션에서는 디스플레이 화면 이미지에 따른 휘도 차이를 확인하기 위하여 다음과 같은 환경 구성을 진행하였다.

디스플레이 화면에 대해서는 위 두 종류 이미지(모아소프트 로고 및 바탕화면)로 진행하였다. 이미지에 대한 밝기는 Part 1 시뮬레이션과 동일하게 5,000 cd/m² 로 설정하였으며, 주변 환경 조건은 이미지에 대한 휘도 값 차이만을 확인하기 위하여 전체적으로 동일한 빛 조건이 주어지는 Uniform 환경 조건(1,000 cd/m²)으로 설정하였다.

Part 2 시뮬레이션 결과

Part 2 시뮬레이션을 진행한 Image 1의 휘도 결과값이다. 이번 시뮬레이션 결과에서도 휘도에 대한 최대 값을 제 4 종의 1,500 cd/m²로 설정하였다. Image 1의 휘도 결과를 보면 Point 1과 2, 3에 대한 결과로 대부분의 흰색 바탕 부분에서는 디스플레이 이미지 Source에서 지정한 밝기가 반영되어 휘도 기준 최대 값으로 측정이 되고 있으며, 글자가 위치되어 있는 부분에서는 글자의 색상에 의하여 약 150 cd/m² 정도의 휘도 값으로 측정되고 있다.

Part 2 시뮬레이션을 진행한 Image 2의 휘도 결과값이다. 이번 결과에서도 휘도에 대한 최대 값을 제 4 종의 1,500 cd/m²로 설정하였다. Image 2의 휘도 결과를 보면 이미지상 흰색에 가까운 밝은 색상(백색 계통)의 이미지 부분에서만 최대 휘도 값을 넘기고 있으며, 이미지의 배경으로 어두운 부분에 대해서는 약 130 cd/m² 정도의 휘도 값으로 측정되고 있다.

Part 2 시뮬레이션을 통해 디스플레이에 표시되는 이미지에 따른 휘도 차이를 확인하였다. 디스플레이에서 노출되어지는 이미지가 백색 계통의 색상이 많아질 경우, 전광판에서 나오는 밝기가 그대로 휘도 값으로 측정되는 것을 Ansys Speos에서 확인할 수 있었다. 그리고 같은 밝기를 가지는 이미지라도 이미지에서 나타나는 색상에 따라 휘도 차이가 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 만약, 전광판을 설치하기 이전에 재생될 이미지와 전광판 디스플레이의 실제 밝기를 Ansys Speos에 반영한다면 색상에 따른 휘도 값 차이에 대한 경향성도 분석할 수 있을 것으로 판단되어진다.

Part 3 – 낮/밤 조건 반영

Ansys Speos에서는 Natural Light Ambient Source를 활용하여 낮이나 밤 시간 모델을 기반으로 자연광을 생성할 수 있다. 낮 시간 모델의 경우 복사 범위가 380nm~780nm인 태양과 하늘을 생성하고 하늘의 흐린 정도를 수정하여 광원의 휘도를 조정할 수 있다. 밤 시간 모델의 경우 복사 범위가 380nm~1,100nm(근적외선)인 하늘을 생성하고 달빛, 별빛, 황도광, 대기광을 고려할 수 있다. Part 3 시뮬레이션에서는 이와 같은 Natural Light Ambient Source를 활용하여 같은 이미지와 같은 밝기의 화면에 대하여 낮과 밤 조건을 반영한 시뮬레이션을 진행하였다.

디스플레이 화면에 대해서는 백색 계통의 이미지가 많은 Image 1 (모아소프트 로고)과 색상별 차이가 많이 없는 Image 2 (모아소프트 바탕화면)로 진행하였다. 이미지에 대한 밝기는 이전 시뮬레이션과 동일하게 5,000 cd/m²로 설정하였으며, 주변 환경 조건은 낮과 밤에 대한 조건을 부여하기 위하여 Natural Light source를 이용하였다. 낮의 시간은 오후 1시로 지정하였으며 밤의 시간은 오후 10시로 진행하였다. 그리고 밤에 대해서는 주변에 가로등 및 외부 노출 빛들이 없는 조건으로 진행하였다.

Part 3 시뮬레이션 결과

Point 1에서 Image 1의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과이다. 두 결과에 대한 휘도 기준 값(Max : White)은 두 결과에 대한 비교를 위하여 5,000 cd/m²으로 지정하였다. 낮 조건인 오후 1시의 결과에 의하면 낮에는 태양으로 인하여 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있다. 그러나 밤 조건인 오후 10시의 결과는 외부 노출 빛이 없다는 조건하여서 디스플레이에 의하여 발생하는 밝기에 의한 휘도 값만 나오고 있다. 또한, 디스플레이 주변 환경의 휘도 값이 1e-7 의 매우 낮은 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500 cd/m²이상의 휘도가 배경 색상인 백색 계열에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Point 2에서 Image 1의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과이다. 여기에서도 두 결과에 대한 휘도 기준 값(Max: White)은 두 결과에 대한 비교를 위하여 5,000 cd/m²으로 지정하였다. Point 1과 동일하게 낮 조건인 오후 1시의 결과는 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있으며, 밤 조건인 오후 10시의 결과는 디스플레이 주변 환경의 매우 낮은 휘도 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500  cd/m²이상의 휘도가 White 계열 색상에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Point 3에서 Image 1의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과에서도 낮 조건의 경우 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있으며, 밤 조건의 경우 오후 10시의 결과에서는 디스플레이 주변 환경의 매우 낮은 휘도 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500  cd/m² 이상의 휘도가 White 계열 색상에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Point 1에서 Image 2의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과이다. 두 결과에 대한 휘도 기준 값(Max : White)은 두 결과에 대한 비교를 위하여 5,000 cd/m² 으로 지정하였다. 낮 조건인 오후 1시의 결과에 의하면 낮에는 태양으로 인하여 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있다. 그러나 밤 조건인 오후 10시의 결과는 외부 노출 빛이 없다는 조건하여서 디스플레이에 의하여 발생하는 밝기에 의한 휘도 값만 나오고 있다. 또한, 디스플레이 주변 환경의 휘도 값이 1e-7 cd/m²의 매우 낮은 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500  cd/m² 이상의 휘도가 White 계열 색상에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Point 2에서 Image 2의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과이다. 여기에서도 두 결과에 대한 휘도 기준 값(Max : White)은 두 결과에 대한 비교를 위하여 5,000 cd/m² 으로 지정하였다. Point 1과 동일하게 낮 조건인 오후 1시의 결과는 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있으며, 밤 조건인 오후 10시의 결과는 디스플레이 주변 환경의 매우 낮은 휘도 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500  cd/m²이상의 휘도가 White 계열 색상에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Point 3에서 Image 2의 낮과 밤의 차이를 비교한 결과에서도 낮 조건의 경우 디스플레이에 나오는 이미지의 휘도가 주변에 비하여 낮은 결과로 나오고 있으며, 밤 조건의 경우 오후 10시의 결과에서는 디스플레이 주변 환경의 매우 낮은 휘도 값이 나오는 반면, 디스플레이에서는 1,500  cd/m² 이상의 휘도가 White 계열 색상에서 발생되는 것을 확인할 수 있다.

백색 계열의 색상이 많이 들어간 Image 1의 경우, 이미지에 포함된 백색 바탕으로부터 디스플레이의 밝기인 5,000 cd/m² 값이 나오고 있다. 그러나 낮의 경우에는 태양의 밝기로 인하여 주변 환경과 휘도 차이가 발생하지는 않지만, 밤의 경우 주변의 매우 낮은 휘도 값으로 인하여 디스플레이와 주변 환경 간의 휘도 차이가 발생할 것으로 예상되어지고 있다. 또한, 어두운 계열 색상을 가진 Image 2에 대해서도 낮에는 태양의 밝기로 인하여 주변과 휘도 차이는 적으나, 밤의 경우 백색 이미지의 부분에서 1,500 cd/m² 이상의 값이 나오고 있어 주변과의 휘도 값 차이가 발생하고 있다. 다만, 백색 계열 이외의 어두운 계열 색상에서는 약 150 cd/m² 의 휘도 값을 발생시켜 백색 계열의 색상이 많이 들어가지 않은 이미지를 밤 시간에 재생할 경우, 주변 환경과 디스플레이 간의 휘도 차이를 감소시켜 광 공해 발생을 감소시킬 수 있을 것으로 파악할 수 있겠다.

Part 4 – Human Eye / Glare Effect

Ansys Speos의 고급 기능인 Human Eye Sensor는 관측자의 Field Of View, 시력, 심도를 고려하여 사람의 Field Of View를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있는 물리 기반의 센서이며, 사람의 시야를 정확하게 복제하기 위해 눈의 신체적 특성을 고려되고 있는 센서이다. 또한, Virtual Human vision lab에서 제공하는 고급 기능 중이 하나인 Glare effect 기능은 사람의 연령대를 고려한 눈부심 효과까지 확인할 수 있는 기능이다. Part 4 시뮬레이션에서는 Part 3 시뮬레이션에서 진행한 Image 1과 Image 2의 밤 조건에 대하여 Ansys Speos의 고급 기능인 Human Eye와 Glare Effect 효과를 반영하여 추가 진행하였다.

Part 4 시뮬레이션에서 Point 1의 결과 이미지다. 외부로 노출된 빛이 없이 디스플레이에서 나오는 빛으로도 눈부심이 발생하는 것을 Ansys Speos로 확인할 수 있겠다. 또한, 디스플레이에서 재생되는 백색 계열의 이미지가 어두운 계열의 색상보다 더 눈부심 효과(Glare Effect)를 발생시키는 현상을 확인할 수 있겠다.

Part 4 시뮬레이션에서 Point 2의 결과 이미지다. 여기에서도 디스플레이에서 나오는 빛에 의하여 눈부심이 발생하는 것을 Ansys Speos로 확인할 수 있겠으며, 백색 계열의 이미지가 어두운 계열의 색상보다 더 눈부심 효과(Glare Effect)를 발생시키는 현상을 확인할 수 있겠다.

Part 4 시뮬레이션 Point 3의 결과에서도 Ansys Speos의 Human Eye 기능과 Glare Effect 기능을 사용하여 어두운 밤 환경에서 눈부심 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있겠다. 또한, 백색 계열의 이미지에서 더 많은 눈부심 효과(Glare Effect)를 발생시킴을 확인할 수 있겠다.

Ansys Speos의 Human Eye와 Glare Effect 기능은 등급이 높은 라이선스에서 사용할 수 있는 기능이다. 만약, 디스플레이 전광판의 정확한 광학 정보와 주변환경 조건을 포함한 환경 조건을 모델링 후 Human Eye 기능과 Glare Effect 기능까지 이용하면 주변 사람들과 주변 건물에서 느낄 수 있는 광 공해 현상을 미리 확인할 수 있겠다.

맺음말

Part 1 시뮬레이션과 Part 2 시뮬레이션을 통해 Ansys Speos를 활용한 대형 전광판(점멸 또는 동영상 변화가 있는 전광류 광고물 또는 디지털 광고물)에 대한 광 공해 발생 경향성에 대한 분석을 확인해 보았다. 광 공해에 대한 분석을 정확하게 하려면 디스플레이 모듈에서의 밝기가 아닌 전광판 전체에서의 밝기와 광도(Intensity) 등 정확한 광학 정보가 필요할 것으로 보이며, 이러한 정보가 없을 경우, 실제 측정값과 동일한 결과를 나타내기에는 어려울 것으로 예상되고 있다. 다만, Part 3 시뮬레이션과 Part 4 시뮬레이션을 통해 정확한 광학 정보를 입력할 경우, Ansys Speos를 통해 낮과 밤 조건을 구현한 결과를 확인할 수 있겠으며, Human Eye 기능과 Glare Effect 기능을 이용하여 실제 사람이 느낄 눈부심까지 확인할 수 있겠다.

또한, Ansys SpaceClaim을 활용하여 전광판이 설치될 환경을 모델링한 후, Speos를 통해 특정 지점 또는 특정 이미지 재생 상태에서의 휘도를 시뮬레이션으로 분석하여 광 공해 발생 여부에 대한 경향성을 파악할 수 있겠으며, 실제 설치된 전광판에서 백색 계통의 화면이 재생될 경우 주변 환경과의 휘도 값 차이를 예상하여, Ansys Speos로부터 광 공해 발생 여부를 분석할 수 있을 것으로 예상된다. 이외에도 Ansys Speos의 조도 센서를 이용하여 주거지에 도달한 조도 값도 예상할 수 있겠으며, Interactive 기능을 이용한 Ray Tracing으로 빛의 경로도 분석할 수 있겠다.

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