照明设计工具的历史演进与核心原理：从算法到现代应用

在照明工程中，设计和分析离不开商业软件工具。尽管掌握这些工具的复杂性具有挑战性，但更大的挑战在于理解这些工具的工作原理、计算方式及其局限性。本文将从照明设计的历史出发，探讨常用的设计工具及其背后的原理，帮助设计师更好地理解和使用这些工具。

照明工程的科学基础始于瑞士-法国学者兰伯特。他的著作《Photometria》（1760年）奠定了辐射测量学与光度学的基石，系统性地描述了光的传播与反射规律。尽管此书在近250年后才被译为英文，但其核心原理至今仍是现代照明设计的理论基础。

早期的照明设计工具——利用公式进行计算：

平方反比法：E=I/d2

参数：

相传该公式最早由我国的哲学家发现并验证，但兰伯特首次将其公式化。此定律至今仍是道路与户外照明设计的核心工具。

利用系数法：N=E×A/ϕ×CU×MF

计算尺时代

在个人计算机普及前，工程师依赖计算尺完成复杂计算，例如利用系数法的迭代运算。

软件时代

照明设计程序的工作原理取决于它们如何模拟光。有许多教科书和无数学术论文讨论了它们可能使用的特定算法，但归根结底，它们基于两种概念模型：1）光线追踪，模拟几何光线；2）光能传递，模拟有限面积表面之间的光能传递。（这两种方法都在约翰·兰伯特1760年的著作《Photometria》中均有详细介绍和讨论）

随着个人计算机与全彩显示器的普及，以及对预设渲染效果的推崇，先后有超过200种照明设计软件涌现（如AGi32、DIALux、Lumen Micro）。如今，全球仅剩8家主要软件供应商。

大多数照明设计程序使用各种光线追踪方法来模拟光，其中光子映射和反向光线追踪最为流行。光线追踪方法的一个关键优势是它们能够模拟所有可能的光学效果，包括漫反射、镜面反射和光泽反射、透射、折射、焦散，甚至衍射。

然而，光线追踪的一个特别缺点是它依赖于视角。为了生成渲染图像，你必须首先指定相机的位置和方向。

尽管如此，光线追踪是建筑可视化的绝佳工具。如果你使用灯具制造商测量的光度数据，为表面材料指定适当的属性，并为绘画和木地板等选择逼真的纹理贴图，你可以用逼真的渲染图像来告诉建筑设计师灯光效果会是什么样子。

右边的图像显示了光子映射方法的最终结果。几何光线从灯具（或窗户的漫射日光）随机方向发射到环境中，它们与可见表面相交。然后，每条光线从表面反射到另一个表面——这是光的“第一次反射”。

光线追踪通常需要数亿条光线，在如此多数量光线的情况下，图像仍然会有非常多的噪点。而光子映射方法的优势在于它在光线与表面相交的点之间插值照度分布，以消除噪点，来生成有利于视觉的效果图像。

采用光线追踪算法有以下这些照明设计工具软件：

Relux、DIALux、Litestar 4D、LightStanza、LBNL Radiance

这些软件大都是大都是采用有限免费的商业政策，基础功能免费，高级功能收费，或者是采用其他限制手段，例如Relux、DIALux、Litestar 4D；LightStanz是一款云端的照明软件，类似酷家乐（当然功能比酷家乐强了不止一点），可以配合Revit做BIM模型的照明设计计算，就是很贵；Radiance是免费的开源软件，其主要功能在于建筑采光和能耗计算，开源意味着……界面不友好，适合程序员用。

光能传递是光线追踪的替代方法。它将表面离散化为小块阵列。照明设计程序会自动为复杂环境进行网格划分，下面这个简单模型展示了基本原理。