광원을 이용한 컴퓨테이셔널 형상 제작 연구

Abstract

The purpose of this study is to automate the process of generating the target shape using the light projection mechanism and to establish a system that can quantitatively correct shape distortion occurring in the actual lighting environment. The researcher's existing projection-based formative research proposed a method of reducing repetitive experiments that occur in shape production with a proportional calculation method based on the ideal conditions of the point light source, but there was a disadvantage that the versatility was low because it had to be used by hand calculation. In addition, it is difficult to systematically reflect physical variables such as semi-shadow, diffusion, and boundary blur according to the light source area that inevitably occur in the actual surface light source, and as a result, it has limitations that cause structural differences between digital simulation and the physical environment. In particular, the existing method of repeatedly measuring and correcting errors at individual points to ensure the accuracy of the shape was also limited in terms of reproducibility and efficiency. Therefore, this study established a computational design process that converts the experimental structure established in previous studies into algorithmic procedures in a digital simulation environment using Rhinoceros and Grashopper. First, we designed an algorithm that analyzes the outer information of the target shape to reversely calculate the first perforated pattern, and implemented a system that can automatically generate it in a digital simulation environment. In addition, in order to solve the shape displacement problem caused by the physical characteristics of the actual surface light source, a displacement analysis procedure was prepared based on the four pole points of the projected shape: up, down, left, and right. The analyzed displacement value is integrated into a single amount of correction, and the correction algorithm is configured to ensure the consistency of the overall shape proportion and the clarity of the local boundary at the same time. This process was optimized in the direction of minimizing the difference in shape between the digital simulation environment and the physical environment through an iterative calculation structure based on an objective function. The established automation system was verified by comparing and analyzing the perforated patterns generated in the digital simulation stage with the corresponding actual projection experiment results. As a result, it was confirmed that the physical error occurring in the surface light source was effectively mitigated by applying a single offset-based correction algorithm, and the visual reproducibility of the target shape was significantly improved. This means that the intention of this study to systematically interpret and algorithmically integrate structural differences between digital-physical environments beyond simply correcting the outline of the shape has been practically implemented. The integrated algorithm and automation system proposed in this study provide the basis for the formative expression using the physical characteristics of light to expand beyond the experimental characteristics to the overall production environment. This expandability is expected to function as a new design infrastructure that can be applied to the overall light-based formative design, such as light art, public lighting, architectural envelope design, media facade, and interactive space production in the future. Furthermore, it can be evaluated as an important attempt toward standardization and automation of the design process in that it can quantify formative intentions and systematically manage uncertainties in the physical environment through digital algorithms. 【Key words】Light Source Projection, Computational Design, Digital Simulation, Automation System, paprameters|본 연구는 빛의 투영 메커니즘을 활용하여 목표 형상을 생성하는 과정 을 자동화하고, 실제 조명 환경에서 발생하는 형상 왜곡을 정량적으로 보정할 수 있는 시스템을 구축하는 데에 목적이 있다. 연구자의 기존 투영 기반 조형 연구는 점광원의 이상적 조건을 전제로 한 비례 계산식으로 형상 제작에 발 생하는 반복 실험을 줄이는 방법을 제안하였으나, 수기계산을 이용하여야 하 므로 범용성이 떨어지는 단점이 존재했다. 또한, 실제 면광원에서 필연적으로 발생하는 반그림자, 확산, 광원 면적에 따른 경계 흐림과 같은 물리적 변수들 을 체계적으로 반영하기 어렵게 하며, 결과적으로 디지털 시뮬레이션과 물리 환경 간의 구조적 차이를 유발하는 한계를 지닌다. 특히 형상의 정확성 확보 를 위해 개별 지점의 오차를 반복적으로 측정하고 보정하는 기존 방식은 재 현성과 효율성 측면에서도 제약이 있었다. 이에 본 연구는 라이노(Rhinoceros)와 그래스호퍼(Grasshoppe)를 활용한 디지털 시뮬레이션 환경에서, 선행연구에서 구축된 실험 구조를 알고리즘 절 차로 전환하는 컴퓨테이셔널 설계 프로세스를 정립하였다. 먼저 목표 형상의 외곽 정보를 분석하여 1차 타공 패턴을 역산출하는 알고리즘을 설계하고, 이 를 디지털 시뮬레이션 환경에서 자동으로 생성할 수 있는 시스템을 구현하였 다. 더불어 실제 면광원의 물리적 특성에 의해 발생하는 형상 변위 문제를 해 결하기 위해, 투영된 형상의 상·하·좌·우 네 개의 극점을 기준으로 한 변위 분 석 절차를 마련하였다. 분석된 변위값은 단일 보정량으로 통합되며, 보정 알 고리즘은 형상 전체 비례의 일관성과 국부 경계의 선명도를 동시에 확보할 수 있도록 구성되었다. 이러한 과정은 목적함수 기반의 반복적 산출 구조를 통해 디지털 시뮬레이션 환경과 물리 환경 간 형상 차이를 최소화하는 방향 으로 최적화되었다. 구축된 자동화 시스템은 디지털 시뮬레이션 단계에서 생성된 타공 패턴과 이에 대응하는 실제 투영 실험 결과를 비교 분석함으로써 검증되었다. 그 결 과, 면광원에서 발생하는 물리적 오차는 단일 오프셋(offset) 기반의 보정 알 고리즘을 적용함으로써 효과적으로 완화되었으며, 목표 형상의 시각적 재현도 가 유의미하게 향상됨을 확인하였다. 이는 단순히 형상의 외곽만을 보정하는 수준을 넘어, 디지털-물리 환경 간의 구조적 차이를 시스템적으로 해석하고 이를 알고리즘적으로 통합하려는 본 연구의 의도가 실질적으로 구현되었음을 의미한다. 본 연구에서 제안하는 통합 알고리즘 및 자동화 시스템은 빛의 물리적 특 성을 활용한 조형 표현이 실험적 성격을 넘어 제작 환경 전반으로 확장될 수 있는 기반을 제공한다. 이러한 확장성은 향후 라이트 아트, 공공조명, 건축 외 피 디자인, 미디어 파사드, 인터랙티브 공간 연출 등 빛 기반 조형 설계 전반 에서 적용 가능한 새로운 설계 인프라로 기능할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 디지털 알고리즘을 통해 조형적 의도를 정량화하고, 물리 환경에서의 불확실성을 체계적으로 관리할 수 있다는 점에서 디자인 프로세스의 표준화 와 자동화를 향한 중요한 시도로 평가될 수 있을 것으로 판단된다. 【주요어】광원 투영, 컴퓨테이셔널 디자인, 디지털 시뮬레이션, 자동화 시스템, 매개변수