(57)【要約】  個別要素の反射を考慮したシミュレーションを行いながらも計算量を抑制する。光環境シミュレータ（１０）は、分割部（１３）と分類部（１４）と第１計算部（１５１）と第２計算部（１５２）と記憶部（１２）と変更部（１６）と第３計算部（１５３）とを備える。分類部（１４）は、複数の個別要素を、部屋（２０）に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分ける。第２計算部（１５２）は、複数の第２要素と個別要素との間の形態係数を求める。記憶部（１２）は、複数の第２要素それぞれに、形態係数を対応付けて記憶する。第３計算部（１５３）は、変更部（１６）が入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、記憶部（１２）が記憶している形態係数を用いて第２要素からの光エネルギーの強度を計算する。
2016199342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割する分割部と、
前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分ける分類部と、
前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算する第１計算部と、
前記複数の個別要素と前記複数の第２要素それぞれとの幾何学的な関係である形態係数を求め、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とに基づいて前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算する第２計算部と、
前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶する記憶部と、
操作入力を受けて前記対象空間に外部から入射する光エネルギーの入射条件を変更する変更部と、
前記変更部が前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算する第３計算部とを備える
ことを特徴とする光環境シミュレータ。
【請求項２】
前記記憶部は、所定の基準状態において前記対象空間に外部から光エネルギーが入射した場合について、前記複数の第１要素それぞれからの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶し、
前記変更部は、前記対象空間に外部から光エネルギーが入射する状態を前記基準状態とは異なる状態にするように入射条件を変更する
請求項１記載の光環境シミュレータ。
【請求項３】
前記記憶部は、前記基準状態において前記形態係数を求めた前記複数の第１要素それぞれについて、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度の計算に用いるか否かを選択する関数の値を記憶しており、
前記第３計算部は、前記基準状態において第１要素であって前記変更部による変更後に第１要素ではなくなった個別要素について、前記記憶部が記憶している関数の値を変更することによって、当該個別要素が反射した光エネルギーの強度を、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度の計算から除外する
請求項２記載の光環境シミュレータ。
【請求項４】
前記対象空間は部屋であって、前記対象空間の外部から入射する光エネルギーは太陽光である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光環境シミュレータ。
【請求項５】
前記部屋は外部から前記太陽光が入射する窓を備え、
前記変更部は、前記窓を通して入射する前記太陽光の少なくとも一部を遮る部材の配置が変更可能となるように構成されている
請求項４記載の光環境シミュレータ。
【請求項６】
前記変更部は、太陽の位置が変更可能となるように構成されている
請求項４又は５記載の光環境シミュレータ。
【請求項７】
前記個別要素は、複数種類の色成分で表される色に関する属性を持ち、
前記第１計算部は前記第１要素からの光エネルギーの強度を色成分ごとに計算ように構成され、
前記第２計算部および前記第３計算部は、前記第２要素からの光エネルギーの強度を色成分ごとに計算するように構成されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光環境シミュレータ。
【請求項８】
コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割するステップと、
前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分けるステップと、
所定の基準状態において前記対象空間に外部から光エネルギーが入射した場合について、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算し、かつ前記複数の第２要素それぞれに光エネルギーを与える個別要素と前記第２要素との幾何学的な関係である形態係数を計算するステップと、
前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶部に記憶するステップと、
操作入力を受けて前記対象空間に入射する光エネルギーの入射条件を変更するステップと、
前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算するステップとを備える
ことを特徴とする光環境のシミュレーション方法。
【請求項９】
コンピュータを、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光環境シミュレータとして機能させるためのプログラム。
【請求項１０】
コンピュータに、
コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割するステップと、
前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分けるステップと、
所定の基準状態において前記対象空間に外部から光エネルギーが入射した場合について、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算し、かつ前記複数の第２要素それぞれに光エネルギーを与える個別要素と前記第２要素との幾何学的な関係である形態係数を計算するステップと、
前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶部に記憶するステップと、
操作入力を受けて前記対象空間に入射する光エネルギーの入射条件を変更するステップと、
前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算するステップとを実行させる
ことを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間を用いた光環境シミュレータ、光環境のシミュレーション方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンピュータグラフィックスを用いて実空間に対応する仮想の３次元空間を形成し、この仮想の３次元空間を用いて実空間における様々な事象を模擬する技術が提案されている。たとえば、特許文献１には、複数の照明器具を用いて照明される仮想３次元シーンを作成するために、３次元オブジェクトを個別要素の配列に変換し、各個別要素の色成分値と照明器具の色成分値とを用いて、個別要素の色分布を実現する技術が記載されている。【０００３】
特許文献１に記載された技術は、３次元オブジェクトを個別要素の配列で表し、照明器具と個別要素との関係によって個別要素の色分布を求めている。特許文献１に記載された技術は、照明器具から個別要素に照射される光に関するシミュレーションであり、個別要素での反射については考慮されていない。個別要素での反射を考慮して計算しようとすると、計算量が大きく増加することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特表２００６−５１１９２８号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、個別要素の反射を考慮したシミュレーションを行いながらも計算量を抑制することを可能にした光環境シミュレータ、光環境のシミュレーション方法、プログラムを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明に係る光環境シミュレータは、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割する分割部と、前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分ける分類部と、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算する第１計算部と、前記複数の個別要素と前記複数の第２要素それぞれとの幾何学的な関係である形態係数を求め、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とに基づいて前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算する第２計算部と、前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶する記憶部と、操作入力を受けて前記対象空間に外部から入射する光エネルギーの入射条件を変更する変更部と、前記変更部が前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算する第３計算部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る光環境のシミュレーション方法は、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割するステップと、前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分けるステップと、所定の基準状態において前記対象空間に外部から光エネルギーが入射した場合について、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算し、かつ前記複数の第２要素それぞれに光エネルギーを与える個別要素と前記第２要素との幾何学的な関係である形態係数を計算するステップと、前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶部に記憶するステップと、操作入力を受けて前記対象空間に入射する光エネルギーの入射条件を変更するステップと、前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算するステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上述した光環境シミュレータとして機能させるためのものである。
【０００９】
また、本発明に係るプログラムは、コンピュータに、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間を構成する面を複数の個別要素に分割するステップと、前記複数の個別要素を、前記対象空間に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素とに分けるステップと、所定の基準状態において前記対象空間に外部から光エネルギーが入射した場合について、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度を計算し、かつ前記複数の第２要素それぞれに光エネルギーを与える個別要素と前記第２要素との幾何学的な関係である形態係数を計算するステップと、前記複数の第２要素それぞれに、前記複数の第１要素からの光エネルギーの強度と前記形態係数とを対応付けて記憶部に記憶するステップと、操作入力を受けて前記対象空間に入射する光エネルギーの入射条件を変更するステップと、前記入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素に分けられる個別要素については、当該第１要素からの光エネルギーの強度と前記記憶部が記憶している前記形態係数とを用いることにより、前記複数の第２要素それぞれからの光エネルギーの強度を計算するステップとを実行させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の構成によれば、個別要素の反射を考慮したシミュレーションを行いながらも計算量を抑制することが可能になるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１を示すブロック図である。
【図２】実施形態に共通する３次元空間の例を示す斜視図ある。
【図３】実施形態１において直接光が入射する個別要素の光エネルギーの強度の計算を説明する図である。
【図４】実施形態１において形態係数を説明する図である。
【図５】図５Ａは実施形態１において基準状態の例を示す図、図５Ｂは実施形態１において基準状態に対して直接光が入射する領域が減少した例を示す図、図５Ｃは実施形態１において基準状態に対して直接光が入射する領域が増加した例を示す図である。
【図６】実施形態２の動作を説明する図である。
【図７】実施形態３を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
本実施形態では、コンピュータグラフィックスにより表現された仮想の３次元空間である対象空間における光環境のシミュレーションを行う光環境シミュレータについて説明する。対象空間は、オフィス空間、店舗空間、居住空間などの部屋を想定する。すなわち、光環境シミュレータは、実空間である部屋をコンピュータグラフィックスで模擬した仮想の３次元空間である対象空間において、光環境のシミュレーションを行うように構成される。コンピュータグラフィックスによる対象空間は、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムを用いて作成される。また、対象空間は、ＢＩＭ（Building Information Modeling）のような建物のデジタルモデルから所望の空間に関するデータを抽出することにより作成してもよい。さらに、以下に説明する光環境シミュレータが作成した光環境のデータは、ＢＩＭのデータに組み入れることも可能である。
【００１３】
本実施形態では、部屋の光環境を形成する光源が太陽であり、太陽光が部屋に入射する場合について説明する。すなわち、本実施形態において、対象空間は部屋であって、対象空間の外部から入射する光エネルギーは太陽光である。ただし、部屋の外部に配置された照明器具を光源とする場合でも、以下に説明する技術は適用可能である。また、部屋に入射する光であれば、光源から直接入射する光ではなく、ビルの窓あるいは太陽光パネルなどで反射した光でもよい。
【００１４】
図１に示す光環境シミュレータ１０は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えるデバイスを主なハードウェア要素として備える。この種のデバイスは、メモリを一体に備えるマイコン（microcontroller）、あるいはメモリを別に設けるマイクロプロセッサなどが用いられる。すなわち、光環境シミュレータ１０は、コンピュータを用いて構成される。プログラムは、このコンピュータを、光環境シミュレータ１０として機能させるために用いられる。このプログラムは、ＲＯＭ（Read Only Memory）にあらかじめ記憶させておくほか、コンピュータで読取可能な光ディスクのような記録媒体で提供されるか、インターネットのような電気通信網を通して提供される。
【００１５】
コンピュータは、入力装置３１と出力装置３２とを備えるパーソナルコンピュータを想定しているが、入力装置３１および出力装置３２を備える端末装置と通信するサーバでもよい。サーバは、１台のコンピュータに限らず、複数台のコンピュータで構成されていてもよく、また、クラウドコンピューティングシステムであってもよい。入力装置３１は、マウスのようなポインティングデバイスとキーボードとを標準的な構成とする。出力装置３２は、液晶表示器などを備えるディスプレイを標準的な構成とする。
【００１６】
端末装置は、サーバと通信可能であればよく、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末、シンクライアントなどから選択される。端末装置が、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末などから選択され、実質的にコンピュータである場合には、光環境シミュレータ１０の機能を、サーバと端末装置とで分担することが可能である。
【００１７】
以下に説明する光環境シミュレータ１０の処理は、第１処理と第２処理とに分かれている。そのため、第１処理はサーバが行い、第２処理は端末装置が行うように役割を分担させることが可能である。第１処理は、対象空間への光の入射条件を所定の条件としてシミュレーションを行う処理であり、第２処理は、対象空間への光の入射条件を変更した場合に、第１処理の結果を用いてシミュレーションを行う処理である。したがって、第１処理は、処理負荷が比較的大きく比較的多くのハードウェア資源を必要とするのに対して、第２処理は、処理負荷が比較的小さくスマートフォンあるいはタブレット端末であっても実行可能である。
【００１８】
以下では、シミュレーションを行う対象空間が、図２に示すような部屋２０である場合について説明する。また、部屋２０には窓２１があり、窓２１から太陽光が入射すると仮定する。つまり、光源は太陽であり、平行光線が部屋２０に入射すると仮定する。部屋２０は、窓２１を備える壁面２２のほかは、床面２３と天井面２４と３面の壁面２５とで囲まれている。この部屋２０は、直方体状であって、１つの壁面２２に窓２１が形成されている。図２では部屋２０の中に家具を配置していないが、家具が存在する場合でも以下に説明する技術は適用可能である。
【００１９】
上述した部屋２０の構成は、説明を簡単にするために定めており、部屋２０の形状などは適宜に設定することが可能である。すなわち、光環境シミュレータ１０は、入力装置３１からの操作入力を受けて、対象空間（部屋２０）の構成が変更可能になるように構成されている。
【００２０】
光環境シミュレータ１０は、部屋２０への太陽光の入射に影響を与える部材を変更することが可能になるように構成されている。部屋２０への太陽光の入射に影響を与える部材には、ブラインド、カーテン、ひさし、オーニング、遮熱ガラスなどのほか様々な部材が知られている。すなわち、光環境シミュレータ１０は、この種の部材の種類、配置、性能などの入射条件を変更することが可能であり、部屋２０の光環境について入射条件に応じたシミュレーションを行うことによって、部材の種類、配置、性能などを適正化するための支援を行うことが可能である。また、部屋２０への太陽光の入射は、窓２１の形状によっても変化する。そのため、光環境シミュレータ１０は、窓２１の形状についても対象空間に関する入射条件として変更することが可能である。部屋２０の光環境について窓２１の形状に応じた光環境のシミュレーションを行うと、窓２１の形状を適正化するための設計支援を行うことが可能になる。なお、窓２１は、単なる開口であって、サッシによる影を形成しないと仮定する。
【００２１】
さらに、太陽の位置は日時に応じて変化し、太陽から部屋２０に入射する光エネルギーは、部屋２０の向き、気象あるいは大気の状態（雲、霧、黄砂などの存在）などの外部条件によって変化する。ただし、本実施形態は、気象および大気の状態については考慮せず、部屋２０に対する太陽の高度と方位のみに着目する。また、太陽の高度と方位とは、日時（年月日および時刻）と、部屋２０の緯度および経度と、部屋２０の向きとの組み合わせによって一意に定めることができる。したがって、コンピュータ上に構築した仮想空間において、対象空間である部屋２０の緯度および経度と、部屋２０の向き（窓２１の向き）とを定めておき、入力装置３１から日時を与えることにより、与えられた日時に応じた太陽の高度および方位でのシミュレーションを行うことが可能である。
【００２２】
光環境シミュレータ１０のユーザは、対象空間に関する入射条件を変更する場合に、出力装置３２であるディスプレイ装置を用いて対象空間の形状を目視した状態で、入力装置３１を操作する。すなわち、対象空間への光の入射条件を変更する操作入力を与え、入射条件を変更した結果をディスプレイ装置で確認することができる。つまり、ユーザは入射条件の変更を対話的に行うことが可能である。また、シミュレーションの結果も出力装置３２であるディスプレイ装置に表示される。
【００２３】
以下では、図２のように、窓２１を通して太陽光が部屋２０に入射し、床面２３の一部に窓２１から入射した光が一度も反射されることなく照射されている状態を想定する。以下では、窓２１から入射した光であって一度も反射されていない光を「直接光」と呼び、一度でも反射された光を「反射光」と呼ぶ。また、部屋２０への太陽光の入射に影響を与える部材が、仮想空間に配置されていない状態を「基準状態」と呼ぶ。基準状態は、太陽と部屋２０との相対位置が所定の位置関係であり、かつ部屋２０への太陽光の入射に影響を与える部材が配置されていない状態を意味する。
【００２４】
図２では、床面２３において窓２１から入射した直接光が照射されている領域を符号Ｄ１で表し、床面２３において窓２１から入射した直接光が照射されていない領域を符号Ｄ２で表している。なお、図２に示す例では、直接光が床面２３にのみ照射されているが、太陽と部屋２０との相対位置によっては、直接光が壁面２５に照射される場合もある。
【００２５】
床面２３に照射された直接光は、床面２３で反射する。床面２３からの反射光は部屋２０を囲む面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）に照射される。反射光が照射された面では、再び反射光が生じ、部屋２０の様々な場所に光が拡散する。したがって、直接光と反射光とを重ね合わせることにより、太陽光による面の照度を求めることが可能である。
【００２６】
ただし、部屋２０を囲む面での反射光の強度は、当該面に照射された照射光の強度よりも大幅に小さいから、多くの場合、反射光については再反射を考慮する必要がない。部屋２０を囲む面の大部分は拡散反射面であり、直接光を１回反射した反射光は２回目の反射では大きく減衰するから、２回目以降の反射光は計算外として扱っても大きな誤差は生じない。つまり、部屋２０の光環境については、直接光と１回目の反射光とに着目するだけで、簡易なシミュレーションが可能である。
【００２７】
なお、反射光の強度が所定の基準値以上である場合に、反射光の強度を計算に用いるという処理を行ってもよい。ただし、光が反射するたびに反射光の強度を評価する処理を行うとすれば計算量が増加する。そこで、反射の回数が設定した回数に達した後に、反射光の強度を評価することにより計算量の増加を抑制することが望ましい。反射光の強度を評価するまでの反射回数は、たとえば２回とすればよい。ここに、直接光を反射すると１回目の反射になり、１回目の反射光を反射すると２回目の反射になる。以下では、直接光が反射した反射光を「１次反射光」と呼び、１次反射光が反射した反射光を「２次反射光」と呼ぶ。また、直接光が反射してからの反射回数をｎとし、反射回数がｎ回である反射光をｎ次反射光と呼ぶ。なお、ｎ＝０，１，２，…であり、ｎ＝０は直接光を意味する。本実施形態では、ｎ＝０，１の場合、つまり直接光および１次反射光のみを用いる場合を例として説明する。
【００２８】
光環境シミュレータ１０は、仮想の３次元空間である対象空間に関して光環境のシミュレーションを行うから、対象空間のデータを取得するためにデータ取得部１１を備える。データ取得部１１は、光環境シミュレータ１０とは別の装置から対象空間のデータを受け取る。対象空間のデータは、対象空間を構成する物体（オブジェクト）の形状を表すデータと、物体の表面の反射率とを含む。具体的には、対象空間は部屋２０であるから、データ取得部１１は、部屋２０の窓２１の形状、位置、寸法と、部屋２０を囲む面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）の形状、位置、寸法、反射率とを含むデータを取得する。
【００２９】
データ取得部１１は、受け取ったデータを以後の処理に適する形式に変換する。変換後のデータは、光環境シミュレータ１０に設けた記憶部１２に保存される。ここに、対象空間のデータを作成する機能は、光環境シミュレータ１０を構成するコンピュータが備えていてもよい。この場合、入力装置３１および出力装置３２を用いてユーザが対象空間のデータを作成し、データ取得部１１は、このデータを受け取る。
【００３０】
本実施形態では、光環境のシミュレーションを行うために、対象空間において着目する面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）を複数個の小面積の領域に分割し、異なる小面積の領域の間で受け渡す光エネルギーを評価する技術を採用している。以下では、小面積の領域を、個別要素と呼ぶ。個別要素は平面であって、個別要素には、対象空間に設定した座標系での３次元の座標値と、平面の向きとが対応付けられる。個別要素の向きは、たとえば、個別要素の法線ベクトルで表す。また、対象空間に含まれる面が曲面である場合でも、個別要素によって近似される。
【００３１】
光環境シミュレータ１０は、対象空間を構成する物体（オブジェクト）の面を複数の個別要素に分割する分割部１３を備える。本実施形態において、分割部１３は、データ取得部１１が取得した対象空間のデータを用いて、部屋２０を囲む面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）をそれぞれ個別要素に分割する。個別要素の面積は小さいほうが望ましいが、面積が小さいほど個別要素の個数が増加し、計算量の増加につながる。したがって、個別要素の面積は、結果として要求される精度と、処理負荷の程度とに応じて定められる。
【００３２】
分割部１３は、たとえば、部屋２０を囲む面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）を、それぞれ所定サイズである長方形状（正方形を含む）の個別要素に分割する。個別要素のサイズをｐ画素×ｑ画素として、ｐ，ｑは、たとえば１０から５００程度の範囲から選択する。また、分割部１３は、個別要素が、面の一辺に沿った第１方向（たとえば、縦方向）と、第１方向に直交する第２方向（たとえば、横方向）とに並ぶように、面を分割する。なお、ｐ，ｑの値が大きいほど精度は上がるが処理負荷が大きくなる。
【００３３】
分割部１３は、個別要素を生成した後、個別要素を区別する識別子（たとえば、「０００１０１」など）と、個別要素を代表する座標値（たとえば、重心の座標値）と、個別要素の向きを表す法線ベクトルとを含むデータを、記憶部１２に格納する。データ取得部１１が取得するデータは物体の反射率を含んでおり、分割部１３は、個別要素に反射率を対応付けて記憶部１２に格納する。
【００３４】
部屋２０への光の入射条件は、基準状態がデフォルトになる。入射条件には、太陽に関する条件も含まれ、太陽に関しても光環境シミュレータ１０にデフォルトの条件が定められている。太陽に関するデフォルトの条件は、複数種類から選択可能である。たとえば、太陽に関するデフォルトの条件として、春分、夏至、秋分、冬至などの南中時を用いることが可能である。
【００３５】
シミュレーションを行う対象空間が個別要素に分割され、かつ部屋２０への光の入射条件が定まると、部屋２０の光環境に関するシミュレーションが可能になる。光環境シミュレータ１０は、部屋２０への光の入射条件としてデフォルトの入射条件を用いる第１処理と、第１処理の後に入射条件を変更して行う第２処理とが可能になるように構成されている。以下では、まず第１処理を説明し、その後に第２処理を説明する。
【００３６】
光環境シミュレータ１０は、部屋２０の個別要素について、窓２１から入射した直接光を受ける個別要素と、直接光を受けずに反射光のみを受ける個別要素とに区分する。ここでは、直接光を受ける個別要素を「第１要素」、反射光のみを受ける個別要素を「第２要素」と呼ぶ。部屋２０に定めた個別要素が、第１要素になるか第２要素になるかは、部屋２０への光の入射条件に応じて定まる。
【００３７】
そのため、光環境シミュレータ１０は分類部１４を備え、分類部１４は、分割部１３が分割した複数の個別要素について第１要素と第２要素とに分ける機能を有する。つまり、分類部１４は、記憶部１２が記憶している基準状態での部屋２０への光の入射条件を用いて、個別要素を第１要素と第２要素とに分類する。たとえば、分類部１４は、個別要素のうちで直接光を受ける個別要素を第１要素として抽出し、第１要素を除く個別要素を第２要素に分類する。
【００３８】
光環境シミュレータ１０は、分類部１４が分類した第１要素からの光エネルギーの強度を計算する第１計算部１５１と、第１処理において第２要素からの光エネルギーの強度を計算する第２計算部１５２と、第２処理において第２要素からの光エネルギーの強度を計算する第３計算部１５３とを備える。第１処理では、第１計算部１５１と第２計算部１５２とが個別要素それぞれについて光エネルギーの強度の計算を行い、第２処理では、第１計算部１５１と第３計算部１５３とが個別要素それぞれについて光エネルギーの強度の計算を行う。なお、第１計算部１５１と第２計算部１５２と第３計算部１５３とは、計算方法の相違によって区分している。以下では、光エネルギーの強度を、「エネルギー強度」と呼ぶ。
【００３９】
第１計算部１５１は、第１要素のエネルギー強度を以下の計算で求める。すなわち、図３に示すように、第１要素Ｘ１が受ける直接光の強度は、第１要素Ｘ１への直接光の入射角と、第１要素Ｘ１に入射する直接光のエネルギー強度とによって決まる。また、第１要素Ｘ１のエネルギー強度は、第１要素Ｘ１が受ける直接光のエネルギー強度と、第１要素Ｘ１の反射率とによって決まる。
【００４０】
いま、第１要素Ｘ１への直接光の入射角をθ１、第１要素Ｘ１に入射するエネルギー強度をＥｓ、第１要素Ｘ１の反射率をα１とすると、直接光に対する第１要素Ｘ１の反射光のエネルギー強度は、次式で表される。すなわち、第１要素Ｘ１での反射光のエネルギー強度は、Ｅｓ・（１−α１）・cosθ１と表される。なお、第１要素Ｘ１が受ける直接光のエネルギー強度Ｅｓは、記憶部１２に格納された部屋２０への光の入射条件によって決めることができる。
【００４１】
一方、第２計算部１５２は、第２要素からのエネルギー強度を以下の計算で求める。第２要素Ｘ２が受ける反射光の強度は、他の個別要素Ｘｊ（ｊは、個別要素を区別する識別子である）から受けるエネルギー強度と、２つの面の幾何学的な関係を表す形態係数とによって決まる。形態係数には、２つの面の角度と距離とが含まれている。形態係数は一般的に用いられているから、ここでは詳述しないが、図４に示すように、２つの面Ｓ１、Ｓ２を結ぶ方向の直線が各面の法線方向ｎ１、ｎ２に対してなす角度φ１、φ２、２つの面の距離ｒなどを用いて求められる。着目する第２要素に入射する光エネルギーの密度に形態係数を掛け合わせると、第２要素が受ける反射光の強度が求められる。
【００４２】
ところで、第２要素Ｘ２のエネルギー強度を精度よく計算するためには、他の個別要素Ｘｊとして、直接光を受ける個別要素だけではなく、反射光を受ける個別要素を含めることが必要である。ただし、本実施形態では、計算を簡易に行うために、反射光を受ける個別要素は、第２要素Ｘ２に光を入射させる個別要素の対象外にしている。つまり、上述したように、２回目以降の反射光（ｎが２以上であるｎ次反射光）は光環境の計算においては計算外にしている。
【００４３】
２回目以降の反射光を計算外にするという制約条件を定めることにより、第２要素Ｘ２のエネルギー強度の計算は、第１要素Ｘ１からの反射光のみを考慮すればよいことになる。以下の説明では、第２要素Ｘ２のうちで着目する第２要素をＸｋで表し、第１要素Ｘ１のうち第２要素Ｘｋに反射光を入射させる第１要素をＸｊで表す（図４参照）。個別要素Ｘｋのエネルギー強度を計算するには、第１要素Ｘｊで生じた反射光を総合する。第２計算部１５２は、直接光が入射するすべての第１要素Ｘ１について、第２要素Ｘｋへの光エネルギーの影響を合算することによって第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを求める。つまり、エネルギー強度Ｌｋは、第２要素Ｘｋが発する光エネルギーの強度である。
【００４４】
以下では、上述した制約条件を定めない場合の計算方法を説明した後に、本実施形態のように、制約条件を定めた場合の計算方法を説明する。いま、着目する第２要素Ｘｋに個別要素Ｘｊからｎ次反射光のみが入射したと仮定した場合において、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度をＬ（ｋ，ｊ，ｎ）で表すとすれば、Ｌ（ｋ，ｊ，ｎ）は、次式で表される。すなわち、Ｌ（ｋ，ｊ，ｎ）＝Ｅ（ｊ，ｎ）・（１−αｋ）・ｆ（ｊ，ｋ）である。ここに、Ｅ（ｊ，ｎ）は、第２要素Ｘｋが個別要素Ｘｊから受けるエネルギー強度、ｆ（ｊ，ｋ）は個別要素Ｘｊと第２要素Ｘｋとの幾何学的な位置関係を表す形態係数、αｋは第２要素Ｘｋの反射率である。
【００４５】
Ｌ（ｋ，ｊ，ｎ）は、第２要素Ｘｋが１つの個別要素Ｘｊから受け取ったｎ次反射光のエネルギー強度に基づいているから、次式のように、部屋２０のすべての個別要素Ｘｊからのｎ次反射光に基づくエネルギー強度を合算すれば、第２要素Ｘｋのｎ次反射光によるエネルギー強度Ｌ（ｋ，ｎ）が求まる。すなわち、Ｌ（ｋ，ｎ）＝Ｌ（ｋ，１，ｎ）＋Ｌ（ｋ，２，ｎ）＋…＋Ｌ（ｋ，ｍ，ｎ）である。ｍは部屋２０における個別要素Ｘｊの総数である。
【００４６】
第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋは、すべての反射光のエネルギー強度の合計である。つまり、ｎ次反射光のエネルギー強度をＬ（ｋ，ｎ）として、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋは、１次以上のｎ次反射光のエネルギー強度の合算として、Ｌｋ＝Ｌ（ｋ，１）＋Ｌ（ｋ，２）＋Ｌ（ｋ，３）…と表される。
【００４７】
ところで、反射光のエネルギー強度は、反射回数が多いほど減衰するから、Ｌ（ｋ，１）＞Ｌ（ｋ，２）＞Ｌ（ｋ，３）であり、一般的な部屋２０では、Ｌ（ｋ，１）≫Ｌ（ｋ，２）である。したがって、一般的な部屋２０では、１次反射光のみを含んでいれば、実用上で問題のない精度が得られる。すなわち、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋは、Ｌｋ≒Ｌ（ｋ，１）であり、Ｌ（ｋ，１）＝Ｌ（ｋ，１，１）＋Ｌ（ｋ，２，１）＋…＋Ｌ（ｋ，ｍ，１）であるから、比較的少ない計算量でエネルギーの強度Ｌｋを求めることが可能である。
【００４８】
要するに、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを高精度に算出するには、２次以上のｎ次反射光を計算に用いる必要があるが、１次反射光だけを計算に用いてエネルギー強度Ｌｋを求めた場合でも、必要な精度を得ることが可能である。そのため、本実施形態では、第２計算部１５２が第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを求める際に、反射回数が２回以上である反射光を計算外にするという上述の制約条件を課している。このような計算を行うことにより、エネルギー強度Ｌｋを求める際の計算量を大幅に低減することが可能になる。
【００４９】
以上説明したように、第１処理では、第１要素Ｘ１および第２要素Ｘ２からのエネルギー強度を基準状態において求める。すなわち、第１要素Ｘ１からのエネルギー強度Ｌ１は、第１計算部１５１が第１要素Ｘ１に入射する直接光の光エネルギーＥｓに基づいて求める。また、第２要素Ｘ２からのエネルギー強度Ｌ２は、第２計算部１５２が個別要素Ｘｊからのエネルギー強度に基づいて計算する。第２要素からのエネルギー強度Ｌ２を求める際には、１次反射光のみを用いるという制約条件を課している。つまり、第２計算部１５２は、第２要素Ｘ２からのエネルギー強度Ｌ２を求めるために第１要素Ｘ１からの反射光のみを用いる。
【００５０】
ところで、個別要素Ｘｊから着目する第２要素Ｘｋに入射する１次反射光による第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌ（ｋ，ｊ，１）は、Ｌ（ｋ，ｊ，１）＝Ｅ（ｊ，ｎ）・（１−αｋ）・ｆ（ｊ，ｋ）である。反射率αｋは固定値とみなせ、形態係数ｆ（ｊ，ｋ）は、個別要素Ｘｊごとに一つの値に定まる。したがって、（１−αｋ）・ｆ（ｊ，ｋ）＝β（ｊ，ｋ）とおくことができる。つまり、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋは、Ｌｋ≒Ｅ（１，１）・β（１，ｋ）＋Ｅ（２，１）・β（２，ｋ）＋…＋Ｅ（ｍ，１）・β（ｍ，ｋ）と表される。
【００５１】
この数式のうち、着目する第２要素Ｘｋが個別要素Ｘｊから受け取る光エネルギーＥ（ｊ，１）は、直接光の光エネルギーＥｓを変数とする関数の形式で一般化することが困難である。ただし、第２要素Ｘｋが個別要素Ｘｊから受け取る光エネルギーＥ（ｊ，１）は、直射光の光エネルギーＥｓに応じて決まる。つまり、光エネルギーＥ（ｊ，１）は、光エネルギーＥｓに応じて単調増加し、光エネルギーＥｓが決まれば、光エネルギーＥ（ｊ，１）は一意に決定される。
【００５２】
ところで、第２要素Ｘ２からのエネルギー強度Ｌ２を求めるために用いる個別要素Ｘｊは、第１要素Ｘ１のみとするように制約条件を課しているが、基準状態でない状態では、第１要素Ｘ１となる個別要素Ｘｊを変化させる必要がある。また、第１要素Ｘ１と第２要素Ｘ２との位置関係によっては、第１要素Ｘ１での反射光が第２要素Ｘ２に入射しない場合があり、第１要素Ｘ１であっても第２要素Ｘ２からのエネルギー強度Ｌ２の計算に含まれない可能性がある。
【００５３】
本実施形態では、個々の個別要素Ｘｊごとに、着目する第２要素Ｘｋに反射光を入射させるか否かを選択する関数δ（ｊ，ｋ）を用いている。関数δ（ｊ，ｋ）の値は、０と１との２つの値であり、δ（ｊ，ｋ）＝１であれば該当する個別要素Ｘｊの反射光を第２要素Ｘｋからのエネルギー強度の計算に用い、δ（ｊ，ｋ）＝０であれば該当する個別要素Ｘｊの反射光を第２要素Ｘｋからのエネルギー強度の計算に用いないことを表す。
【００５４】
以上のように、着目する第２要素Ｘｋからのエネルギー強度を定めるには、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度に影響を与える個別要素Ｘｊごとに、基準状態でのエネルギー強度Ｅ（ｊ，１）と、係数β（ｊ，ｋ）と、関数δ（ｊ，ｋ）とが必要である。係数β（ｊ，ｋ）は、第２要素Ｘｋの反射率αｋ、個別要素Ｘｊと第２要素Ｘｋとの間の形態係数ｆ（ｊ，ｋ）を含む。形態係数ｆ（ｊ，ｋ）は、周知のように、個別要素Ｘｊと第２要素Ｘｋとの距離、向きの情報を含んでいる。これらの値は、第２計算部１５２が求め、記憶部１２に格納する。
【００５５】
記憶部１２に格納されるデータの例を表１に示す。表１は、着目する１つの第２要素Ｘｋに関して、エネルギー強度Ｌｋを定めるために必要なデータを含んでいる。つまり、記憶部１２に格納されるデータは、基準状態において、第２要素Ｘｋに光エネルギーを入射させる個別要素Ｘｊの識別子、個別要素Ｘｊからのエネルギー強度（個別要素Ｘｊからのエネルギー強度）、係数β（ｊ，ｋ）、関数δ（ｊ，ｋ）の値を含む。なお、表１では、係数β（ｊ，ｋ）を「β係数」、関数δ（ｊ，ｋ）を「δ関数」と記載している。
【００５６】
【表１】
2016199342.tif 000003
【００５７】
表１を用いると、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを四則計算だけで求めることができる。すなわち、第２計算部１５２は、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを、記憶部１２に記憶されているデータを用いて、Ｌｋ＝Σ（他の個別要素からのエネルギー強度×β係数×δ関数の値）という計算により求める。なお、（他の個別要素からのエネルギー強度×β係数×δ関数の値）の総和は、第２要素Ｘｋに関して記憶部１２に格納されているすべての個別要素Ｘｊに関する和を意味する。
【００５８】
上述した処理は、１つの第２要素Ｘｋからのエネルギー強度を計算する処理であるから、第２計算部１５２は、部屋２０の光環境を求めるために、すべての第２要素Ｘ２について同様の計算を行う。言い換えると、記憶部１２には、すべての第２要素Ｘ２について、表１のようなデータが記憶される。
【００５９】
次に、第２処理について説明する。第２処理は、対象空間において、基準状態とは異なる状態を設定して光環境を求める処理であって、光環境シミュレータ１０は、基準状態とは異なる状態を設定することを可能にするために変更部１６を備える。変更部１６は、入力装置３１からの操作入力を受けて、部屋２０への光の入射条件を変更可能に構成されている。上述したように、入射条件には、部屋２０に関する条件と、太陽に関する条件とがある。変更部１６は、入射条件を変更する際に、入力装置３１と出力装置３２とを用いた対話的入力を可能にする。つまり、出力装置３２であるディスプレイに部屋２０を表示し、入力装置３１の操作によって、ディスプレイに表示された部屋２０について入射条件を変更可能にする。
【００６０】
本実施形態では、部屋２０に関する条件の変更は、窓２１から入射する太陽光に影響する条件を変更することを意味している。具体的には、部屋２０に関する条件の変更は、窓２１から部屋２０に入射する太陽光の少なくとも一部を遮る部材を窓２１の近辺に配置することに相当する。この種の部材には、ブラインド、カーテン、ひさし、オーニング、遮熱ガラスなど種々の部材が知られている。部屋２０に関する条件を変更する場合、出力装置３２であるディスプレイに、コンピュータグラフィックスで表す仮想空間として部屋２０を表示した状態で、入力装置３１の操作によって、この種の部材をコンピュータ上の仮想空間に配置する。部材の種類、位置、大きさなどの条件は、ユーザが入力装置３１を操作することにより適宜に変更することが可能である。
【００６１】
部屋２０に関する条件を変更すれば、部屋２０の光環境についても変更が必要である。もちろん、個別要素（第１要素Ｘ１および第２要素Ｘ２）について、上述した計算を繰り返せば、変更後の部屋２０の光環境を求めることが可能である。しかしながら、上述した計算は計算量が非常に大きいから、部屋２０に関する条件を変更するたびに同様の計算を行うとすれば、処理負荷が非常に大きくなる。
【００６２】
光環境シミュレータ１０は、記憶部１２に格納された表１のようなデータを用いて光環境を計算する第３計算部１５３を備えている。上述した第２計算部１５２は、第２要素Ｘ２に反射光を入射させる個別要素Ｘｊごとに、第２要素Ｘ２と個別要素Ｘｊとの関係を表す形態係数を含めて個別要素Ｘｊからの光エネルギーに基づくエネルギー強度Ｌ（ｋ，ｊ，１）の計算を行っている。そのため、第２計算部１５２の計算量は比較的多くなっている。これに対して第３計算部１５３は、第２計算部１５２が求めた表１のようなデータを使用することにより、第２計算部１５２よりも少ない計算量で第２要素Ｘ２からのエネルギー強度を求めることを可能にしている。
【００６３】
表１に示すデータは、上述したように、基準状態という入射条件の下で求めた特定の第２要素Ｘｋの輝度Ｌｋを決めるためのデータであり、関数δ（ｊ，ｋ）の値、エネルギー強度Ｌｊ、係数β（ｊ，ｋ）を含んでいる。関数δ（ｊ，ｋ）の値は、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋに影響を与える個別要素Ｘｊを選択する情報である。Ｌｊは個別要素Ｘｊからのエネルギー強度を表す情報である。これらの情報は、対象空間の入射条件が変われば変化する。ここに、係数β（ｊ，ｋ）は、個別要素に関する情報であるから、個別要素が変わらなければ変化することはない。
【００６４】
一方、太陽光の部屋２０への入射に影響を与える部材を仮想空間に配置することによって部屋２０に関する条件を変更した場合、直接光が入射する第１要素Ｘ１が変化する。すなわち、変更部１６が、入力装置３１からの操作入力によって、部屋２０に入射する太陽光に影響を与える部材に関する条件を変更した場合、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度に影響を与える個別要素Ｘｊが変わることになる。
【００６５】
この場合の計算例について説明する。基準状態では、図５Ａのように、床面２３に対して直接光が入射する領域がＤ１１であり、部屋２０への入射条件を変更することにより、図５Ｂのように、床面２３に対して直接光が入射する領域がＤ１２のように減少した場合を想定する。図５Ｂでは減少した領域をＤ１３で表している。つまり、領域Ｄ１１は、領域Ｄ１２と領域Ｄ１３とを合わせた範囲になる。
【００６６】
ここで、表１のデータを、基準状態での第２要素Ｘｋに関するデータとし、領域Ｄ１３に含まれている個別要素をＸｓとする。図５Ｂの状態では、直接光が個別要素Ｘｓに照射されないから、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋに関与しなくなる。そこで、変更部１６は、表１のデータにおいて、関数δ（ｊ，ｋ）のうち個別要素Ｘｓに対応する関数δ（ｓ，ｋ）の値を０に変更する。ここでは、説明のために、個別要素Ｘｓのみを対象にしているが、実際には、変更部１６は、領域Ｄ１３に含まれるすべての個別要素について、関数δ（ｊ，ｋ）の値を０に変更する。
【００６７】
たとえば、表１に示したデータでは、個別要素Ｘｓについて１次反射光に関する数値が「１１８」であるが、個別要素Ｘｓに直接光が入射しなくなることにより、第２要素Ｘｋでは、個別要素Ｘｓからの１次反射光を受け取ることがなくなる。そこで、変更部１６は、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを計算する際に、基準状態では直接光が入射していた個別要素Ｘｊのうち、変更後には直接光が入射しなくなった個別要素Ｘｓについて、関数δ（ｓ，ｋ）の値を０に修正し、エネルギー強度Ｌｋの計算から除外する。
【００６８】
第３計算部１５３は、変更部１６が部屋２０への入射条件の変更に伴って関数δ（ｊ，ｋ）の値を変更した後に、第２計算部１５２と同様にして、Ｌｋ＝Σ（他の個別要素からのエネルギー強度×β係数×δ関数の値）という計算を行うことにより、第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを求める。第３計算部１５３は、記憶部１２に格納されているデータを用いて上述のような計算を行うだけであるから、第２計算部１５２と比較して計算量が大幅に少なくなる。
【００６９】
上述した動作は、記憶部１２に記憶させるデータを作成したときに、直接光が入射していた個別要素Ｘｊに対して、変更部１６による変更を行った後に、直接光が入射する個別要素Ｘｊが減少する場合であれば適用可能である。そのため、太陽の位置が変化し、直接光が入射する個別要素Ｘｊに変化が生じた場合でも、同様の計算が可能である。
【００７０】
ところで、基準状態は、窓２１の付近に太陽光を遮る部材が存在しない状態を想定しているから、通常であれば、変更部１６により部屋２０に関する条件を変更しても、基準状態で直接光が入射しない個別要素に直接光が入射するようになることはない。ただし、窓２１の形状と窓２１のサイズとの少なくとも一方の変更を変更部１６に許容している場合には、基準状態であれば直接光が入射していない個別要素に対して、直接光が入射するようになる可能性が生じる。
【００７１】
ここでは、変更部１６が部屋２０への入射条件を変更することにより、図５Ｃのように、床面２３に対して直接光が入射する領域がＤ１４のように増加した場合を想定する。図５Ｃでは増加した領域をＤ１５で表している。つまり、領域Ｄ１５は、領域Ｄ１４と領域Ｄ１１との差に相当する。
【００７２】
いま、変更部１６が部屋２０に関する条件を変更することにより、図５Ｃのように、基準状態では直接光が入射しなかった個別要素Ｘｔに、直接光が入射するようになったとする。この場合、第１計算部１５１は、個別要素Ｘｔについて、上述した動作例と同様に、個別要素Ｘｔからのエネルギー強度Ｌｔを計算する。個別要素Ｘｔは、記憶部１２に格納された基準状態のデータには含まれていないから、第２要素Ｘ２からのエネルギー強度Ｌ２を計算するためのデータに、個別要素Ｘｔに関するデータを追加する。つまり、第１計算部１５１は個別要素Ｘｔからのエネルギー強度Ｌｔを計算して記憶部１２に格納する。また、第２計算部１５２は第２要素Ｘｋごとに、係数β（ｔ，ｋ）を計算して記憶部１２に格納する。
【００７３】
上述した計算は、基準状態について行った計算と同様の計算であるが、直接光が入射するようになった領域Ｄ１５だけの局所的な計算であるから、計算量が大幅に増加することはない。また、変化していない領域Ｄ１１については、第３計算部１５３が記憶部１２のデータを用いた計算を行う。
【００７４】
このように、変更部１６が部屋２０に関する条件を変更し、直接光が入射する領域が基準状態に比べて増加した場合でも、比較的少ない計算量で、個々の個別要素からのエネルギー強度を計算することが可能になる。したがって、変更部１６が変更した入射条件を反映した光環境を短時間で計算することが可能になる。つまり、本実施形態の光環境シミュレータ１０を用いると、入力装置３１を用いた入射条件の変更を、出力装置３２であるディスプレイに表示される部屋２０の光環境に直ちに反映させることが可能になる。言い換えると、入射条件の変更による光環境の変化を対話的にシミュレーションすることが可能になる。
【００７５】
上述した本実施形態の光環境シミュレータ１０は、分割部１３と分類部１４と第１計算部１５１と第２計算部１５２と記憶部１２と変更部１６と第３計算部１５３とを備える。分割部１３は、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間（部屋２０）を構成する面を複数の個別要素に分割する。分類部１４は、複数の個別要素を、対象空間（部屋２０）に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素Ｘ１と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素Ｘ２とに分ける。第１計算部１５１は、複数の第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度を計算する。第２計算部１５２は、複数の個別要素と複数の第２要素Ｘ２それぞれとの幾何学的な関係である形態係数を求める。さらに、第２計算部１５２は、複数の第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度と形態係数とに基づいて複数の第２要素Ｘ２それぞれからの光エネルギーの強度を計算する。記憶部１２は、複数の第２要素Ｘ２それぞれに、複数の第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度と形態係数とを対応付けて記憶する。変更部１６は、操作入力を受けて対象空間（部屋２０）に外部から入射する光エネルギーの入射条件を変更する。第３計算部１５３は、変更部１６が入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素Ｘ１に分けられる個別要素については、当該第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度と記憶部１２が記憶している形態係数とを用いることにより、複数の第２要素Ｘ２それぞれからの光エネルギーの強度を計算する。
【００７６】
また、本実施形態に係る光環境のシミュレーション方法は、以下のステップを有する。すなわち、コンピュータグラフィックスで表された仮想の３次元空間である対象空間（部屋２０）を構成する面を複数の個別要素に分割するステップを有する。また、複数の個別要素を、対象空間（部屋２０）に外部から入射する光エネルギーを直接受ける複数の第１要素Ｘ１と、他の個別要素から光エネルギーを受ける複数の第２要素Ｘ２とに分けるステップを有する。さらに、所定の基準状態において対象空間（部屋２０）に外部から光エネルギーが入射した場合について、複数の第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度を計算し、かつ複数の第２要素Ｘ２それぞれに光エネルギーを与える個別要素と第２要素Ｘ２との幾何学的な関係である形態係数を計算するステップを有する。次に、複数の第２要素Ｘ２それぞれに、複数の第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度と形態係数とを対応付けて記憶部１２に記憶するステップを有する。また、操作入力を受けて対象空間に入射する光エネルギーの入射条件を変更するステップを有し、入射条件を変更したときに、変更前後に共通して第１要素Ｘ１に分けられる個別要素については、当該第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度と記憶部１２が記憶している形態係数とを用いることにより、複数の第２要素Ｘ２それぞれからの光エネルギーの強度を計算するステップとを有する。
【００７７】
記憶部１２は、所定の基準状態において対象空間（部屋２０）に外部から光エネルギーが入射した場合について、複数の第１要素Ｘ１それぞれからの光エネルギーの強度と形態係数とを対応付けて記憶する。また、変更部１６は、対象空間（部屋２０）に外部から光エネルギーが入射する状態を基準状態とは異なる状態にするように入射条件を変更する。
【００７８】
この構成によれば、基準状態での第１要素Ｘ１からのエネルギー強度と、第１要素Ｘ１と第２要素Ｘ２との関係である形態係数とを記憶部１２に記憶しており、変更部１６が変更した入射条件と基準状態との差に基づいて変更後の光環境を計算することが可能になる。
【００７９】
記憶部１２は、基準状態において形態係数を求めた複数の第１要素それぞれについて、複数の第２要素Ｘ２それぞれからの光エネルギーの強度の計算に用いるか否かを選択する関数の値（関数δ（ｊ，ｋ）の値）を記憶していることが望ましい。また、第３計算部１５３は、基準状態において第１要素Ｘ１であって変更部１６による変更後に第１要素Ｘ１ではなくなった個別要素について、記憶部１２が記憶している関数の値を変更することが望ましい。すなわち、第３計算部１５３は、関数の値を変更することによって、当該個別要素が反射した光エネルギーの強度を、複数の第２要素Ｘ２それぞれからの光エネルギーの強度の計算から除外する。
【００８０】
この構成によれば、変更部１６による入射条件の変更を、第１要素Ｘ１に対応した関数の値の変更のみで、光環境に反映させることが可能になり、入射条件を変更した後の計算量を大幅に低減させることが可能になる。
【００８１】
部屋２０は外部から太陽光が入射する窓２１を備え、変更部１６は、窓２１を通して入射する太陽光の少なくとも一部を遮る部材の配置が変更可能となるように構成されていることが望ましい。
【００８２】
すなわち、変更部１６は、ブラインド、カーテン、ひさし、オーニング、遮熱ガラスなどの部材を窓２１の近辺に配置することが可能であり、この種の部材による部屋２０の光環境の変化について、シミュレーションを行うことが可能になる。
【００８３】
本実施形態では、計算量を低減するために、第２要素Ｘ２に対して１次反射光のみが入射する場合を例として記載したが、第２要素Ｘ２に対して他の第２要素Ｘ２から２次以上のｎ次反射光が入射することを妨げない。ただし、実用上は、４次程度のｎ次反射光になれば、第２要素Ｘ２からのエネルギー強度に目視で区別できる程度の変化を与えない。したがって、１次反射光よりも高次の反射光を含めて計算する場合であっても、２次反射光あるいは３次反射光までを含んでいればよい。
【００８４】
なお、２次以上のｎ次反射光を用いる場合には、ｎ次反射光が生じる第２要素Ｘ２とｎ次反射光を受ける第２要素Ｘ２との関係を表す形態係数を求める必要がある。また、ｎ次反射光の光エネルギーは、１次反射光の光エネルギーの関数として表しておくことが望ましい。ｎ次反射光の光エネルギーを１次反射光の光エネルギーの関数の形式で表しておけば、変更部１６が入射条件を変更し、１次反射光の光エネルギーに変化が生じても、１次反射光の光エネルギーからｎ次反射光の光エネルギーを簡単に求めることが可能である。すなわち、２次以上のｎ次反射光を反映させた場合でも計算量の増加を抑制することができる。
【００８５】
（実施形態２）
実施形態１では、太陽の位置が固定である場合を想定しているが、太陽の位置は日時（年月日および時刻）に応じて変化する。本実施形態では、変更部１６により入射条件として太陽の位置が変更された場合の動作を説明する。太陽の位置については、部屋２０に関する条件を変更する場合と同様に、入力装置３１と出力装置３２とを用いて対話的に変更することが可能である。また、部屋２０および窓２１の向きなどの条件が与えられている場合には、入力装置３１および出力装置３２を用いて、年月日および時刻を指定することにより、変更部１６が太陽の位置を変更してもよい。
【００８６】
変更部１６が太陽の位置を変更すると、たとえば、図６のように、直接光が入射する第１要素Ｘ１が変わる。図６に示す例では、図５Ａに示した基準状態で直接光が入射する領域Ｄ１１に対して、減少した領域Ｄ１６と増加した領域Ｄ１７とが同時に生じる可能性がある。さらに、太陽の位置が変化すると、太陽から第１要素Ｘ１への直接光の入射角度が変化するから、直接光が入射する第１要素Ｘ１からのエネルギー強度が変化する。その結果、記憶部１２が記憶している特定の第２要素Ｘｋに関するデータについて、第２要素Ｘｋに１次反射光を入射させる個別要素Ｘｊが変わり、第２要素Ｘｋに個別要素Ｘｊでの１次反射光の光エネルギーが変化する。
【００８７】
第２要素Ｘｋに１次反射光を入射させる個別要素Ｘｊの変化は、実施形態１と同様の技術によって対応することができる。一方、個別要素Ｘｊでの１次反射光の光エネルギーの変化については、変更部１６による入射条件の変更に伴って、第１計算部１５１が再計算を行う。
【００８８】
以後の処理は、実施形態１と同様である。つまり、第１計算部１５１は、直接光を受ける第１要素Ｘ１からのエネルギー強度Ｌ１を計算し、第１要素Ｘ１に対応付けて記憶部１２に格納する。また、第２計算部１５２は、計算したエネルギー強度Ｌ１を特定の第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを求めるためのデータとして記憶部１２に格納する。記憶部１２に格納されていない個別要素に直接光が入射するようになった場合、第２計算部１５２は、この個別要素Ｘｊを記憶部１２に格納し、この個別要素Ｘｊについて係数β（ｊ，ｋ）を求めて記憶部１２に格納する。さらに、変更部１６は、記憶部１２に格納されたデータのうち、基準状態に対して減少した領域Ｄ１６の個別要素Ｘｕに対応する関数δ（ｕ，ｋ）の値を０にし、基準状態に対して増加した領域Ｄ１７の個別要素Ｘｖに対応する関数δ（ｖ，ｋ）の値を１にする。
【００８９】
これらの処理が終了した後、第３計算部１５３は、記憶部１２に格納されたデータを用いて第２要素Ｘｋからのエネルギー強度を求める。すなわち、部屋２０の光環境が求められる。本実施形態でも、基準状態で直接光が入射している個別要素と、入射条件の変更後に直接光が入射している個別要素との一部は共通していると考えられる。基準状態と変更後の状態とで共通している個別要素については、記憶部１２に格納した係数β（ｊ，ｋ）を用いることが可能である。したがって、本実施形態でも実施形態１と同様に、計算量の低減を図ることが可能である。
【００９０】
本実施形態において、日時を自動的に変化させ、日時に応じて太陽の位置を変化させるようにすれば、１日における部屋２０の光環境の変化、あるいは季節による部屋２０の光環境の変化などのシミュレーションも可能になる。
【００９１】
本実施形態の光環境シミュレータでは、変更部１６は、太陽の位置が変更可能となるように構成されている。
【００９２】
この構成では、太陽の位置が変わった場合について、部屋２０の光環境のシミュレーションが可能になる。本実施形態の他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００９３】
（実施形態３）
実施形態１、実施形態２では、部屋２０を囲む面（壁面２２、床面２３、天井面２４、壁面２５）の色を考慮していないが、面は白色とは限らないから、光環境のシミュレーションを行うには、色成分を考慮することが望ましい。また、太陽光の色についても考慮することが望ましい場合もある。
【００９４】
面の色を考慮する場合は、個別要素の属性に、個別要素の色を表す色成分を含める。色成分の表現方法は種々提案されているが、本実施形態では、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色それぞれの強度を色成分の値とする。３色の色成分は、それぞれ０から１の間の値をとる。３色の色成分の値を（ｒ，ｇ，ｂ）で表すとすれば、個別要素の色Ｃは、色成分の関数Ｃ（ｒ，ｇ，ｂ）という形式で表すことができる。すなわち、個別要素に表２のような形式で色に関する属性を持たせることにより、部屋２０を囲む面の色を表すことができる。
【００９５】
【表２】
2016199342.tif 000004
【００９６】
色成分の値（ｒ，ｇ，ｂ）は、データ取得部１１が取得するデータに含まれており、表２に示すデータは、記憶部１２に記憶される。光環境シミュレータ１０で色を含む光環境のシミュレーションを行う場合には、図７に示すように、光環境シミュレータ１０に色処理部１７を設ける。
【００９７】
色処理部１７は、データ取得部１１が取得したデータの色成分の値（ｒ，ｇ，ｂ）を、色成分ごとに個別に扱うように振り分ける処理を行う。データを色成分ごとに振り分けることによって、データを単色として扱うことが可能になるから、振り分け後の処理は、実施形態１または実施形態２と同様である。また、個別要素のエネルギー強度の計算が終了した後は、単色のデータとして処理した色成分の値（ｒ，ｇ，ｂ）を、色処理部１７において個別要素ごとにまとめる。
【００９８】
個別要素の色成分が第２要素Ｘｋからのエネルギー強度に与える影響は、３色の色成分ごとの反射率を考慮して求められる。すなわち、光環境シミュレータ１０は、色処理部１７が振り分けた色成分ごとにエネルギー強度の計算を行う。第２要素Ｘｋからのエネルギー強度Ｌｋを求めるには、第２要素Ｘｋに反射光を入射させる複数の個別要素Ｘｊについて、色成分ごとの反射率を求めた上で、個別要素Ｘｊについて色成分ごとのエネルギー強度の合計を求め、求めたエネルギー強度を実施形態１または実施形態２の技術に適用する。
【００９９】
なお、個別要素の色は、反射した色成分の値（ｒ，ｇ，ｂ）を関数Ｃ（ｒ，ｇ，ｂ）に代入した値で表される。また、色を考慮する場合、第２要素Ｘｋについても、色成分ごとに反射光の強度を求めることが望ましい。太陽光の色を考慮する場合についても同様であって、個別要素のエネルギー強度を色成分ごとに求めればよい。
【０１００】
本実施形態の光環境シミュレータ１０では、個別要素は、複数種類の色成分で表される色に関する属性を持つ。また、第１計算部１５１は第１要素Ｘ１からの光エネルギーの強度を色成分ごとに計算ように構成され、第２計算部１５２および第３計算部１５３は、第２要素Ｘ２からの光エネルギーの強度を色成分ごとに計算するように構成されている。
【０１０１】
この構成によれば、個別要素の色、あるいは太陽光の色を考慮した光環境のシミュレーションが可能になる。本実施形態の他の構成および動作は実施形態１あるいは実施形態２と同様である。
【０１０２】
なお、上述した実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、請求の範囲を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることはもちろんのことである。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  光環境シミュレータ
１１  データ取得部
１２  記憶部
１３  分割部
１４  分類部
１６  変更部
２０  部屋
２１  窓
２２  壁面
２３  床面
２４  天井面
２５  壁面
３１  入力装置
３２  出力装置
１５１  第１計算部
１５２  第２計算部
１５３  第３計算部
Ｘ１  第１要素（個別要素）
Ｘ２  第２要素（個別要素）
Ｘｊ  第１要素（個別要素）
Ｘｋ  第２要素（個別要素）
Ｘｓ  個別要素
Ｘｔ  個別要素
Ｘｕ  個別要素
Ｘｖ  個別要素
【図１】
2016199342.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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