Komputerowe wspomaganie projektowania. Projektowanie oświetlenia

W ciągu ostatnich kilkunastu lat projektowanie oświetlenia zmieniło się znacząco. Obecnie praktycznie wszystkie wykonywane w tym celu projekty oparte są na wspomaganiu komputerowym.

Komputerowa wspomaganie projektowania - programy

Używane do projektowania oświetlenia aplikacje można zasadniczo podzielić na dwie grupy. Pierwsza to czysto analityczne, specjalistyczne programy oświetleniowe, w których projektant otrzymuje wyniki w postaci: liczbowej lub wykresu izoluksów i izokandeli, rozkładu natężenia oświetlenia i luminancji w różnych płaszczyznach, informacji o równomierności tych parametrów, olśnieniu czy też o systemie konserwacji. Programy te (np. DIALux, DIALux evo, Relux), ze względu na zapotrzebowanie rynku, rozwijają się bardzo szybko, wzbogacane m.in. o coraz większe możliwości wizualizacyjne, dzięki czemu doganiają drugą grupę. Należą do niej programy graficzne, dotychczas używane głównie jako narzędzie do konstrukcji, projektowania obiektów architektonicznych w postaci trójwymiarowych scen oraz tworzenia wizualizacji komercyjnych (np. AutoCAD, Revit, 3ds Max, SketchUp). Z kolei coraz większe wymagania użytkowników, idące w kierunku fotorealizmu, wymusiły konieczność implementacji do wspomnianych programów fotometrycznego oświetlenia: opraw oświetleniowych, elektrycznych źródeł światła oraz światła naturalnego, dziennego.

Można więc powiedzieć, że obecnie dostępne aplikacje obu grup stanowią w ręku projektanta narzędzia uniwersalne. Za ich pomocą może on bowiem opracować koncepcje podparte fotorealistycznymi wizualizacjami, bez potrzeby korzystania z kilku programów naraz. Mimo że wizualizacje uważane są za podstawowe narzędzie do tworzenia iluminacji obiektów, obie grupy programów nadają się do projektowania zarówno oświetlenia zewnętrznego, jak i wewnętrznego.

Projektowanie oświetlenia wnętrz

Literatura przedmiotu mówi o sześciu kryteriach projektowania oświetlenia wnętrz. Pierwsze trzy: oświetleniowe, psychologiczne i estetyczne, związane są z otoczeniem świetlnym, kolejne określają jego energetyczne, środowiskowe i ekonomiczne aspekty. Jedynie kryterium oświetleniowe jest sformalizowane i wyrażone w formie nakazowej, na podstawie norm. Do najważniejszych parametrów w nim określonych należą:

• poziom natężenia oświetlenia, w zależności od rodzaju pomieszczenia lub charakteru czynności w nim wykonywanych,
• rozkład luminancji,
• wskaźnik UGR olśnienia,
• kierunkowość i barwa światła,
• wskaźnik oddawania barw,
• tętnienie,
• współczynnik oświetlenia dziennego.

Z punktu widzenia tego kryterium zadaniem projektanta jest więc zdefiniowanie rodzaju źródeł światła, typu opraw oświetleniowych, ich liczby, a także takiego ich rozmieszczenia oraz sposobu konserwacji, aby wymagania zostały bezwzględnie spełnione. Czynności wykonywane w pomieszczeniach będą wówczas odbywały się sprawnie i bezpiecznie.Wspomniane normy nie poruszają tematyki pozostałych aspektów oświetlenia wnętrz. Wizualizacje komputerowe stanowią zatem część uzupełniającą projekt, która pomaga projektantom, architektom i inwestorom dokonać jego oceny z psychologicznego oraz estetycznego punktu widzenia, a co za tym idzie – dobrać oświetlenie do charakteru wnętrza, wyposażenia, materiałów wykończeniowych, barwy oraz rodzaju zastosowanego sprzętu.

Projektowanie iluminacji obiektów - przewaga symulacji komputerowych

Iluminacja obiektów, czyli wyeksponowanie ich walorów za pomocą światła elektrycznego w porze nocnej, stała się bardzo popularnym środkiem podnoszącym ich atrakcyjność oraz bezpieczeństwo wokół nich. Tok projektowania iluminacji budynków znacząco różni się od oświetlenia wnętrz, nie ma bowiem określonych wymagań nakazowych, a jedynie zalecenia przedstawione przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową CIE. Dotyczą one średnich wartości poziomów luminancji, w zależności od jasności tła rozpatrywanego obiektu.

Punktem wyjścia były poziomy luminancji średniej, ściśle sformułowane przez normę oświetlenia drogowego. W raporcie CIE zdefiniowano trzy stosowane alternatywnie poziomy luminancji średniej obiektu iluminacji: ≥ 4, 6 i 12 cd/m², zależnie od tego, czy jego tło ma odpowiednio niską, średnią czy wysoką luminancję.

Zasadniczą różnicą jest jednak to, że iluminacja budynków pełni przede wszystkim rolę estetyczną. Odnosząc się więc do oświetlenia wnętrz, kryterium estetyczne stawiane jest w tym przypadku na pierwszym miejscu. Oczywiście należy stosować się do zaleceń, jednak najważniejszy jest efekt, czyli to, jak obiekt będzie wyglądał po zmroku. Dane liczbowe nie są w stanie przekazać tych informacji, więc to obraz stanowi trzon projektu. W przypadku iluminacji obiektów, w odróżnieniu od wnętrz, projektant ma do wyboru kilka metod planowania:

• Jedna z nich opiera się na odręcznych szkicach i rysunkach bądź na cyfrowym przetwarzaniu fotografii dziennych lub wieczornych budynku, jeśli oczywiście istnieje (wizualizacja 2D). Sposób ten można nazwać opracowaniem koncepcji oświetlenia. Projektant, często z wykształceniem architektonicznym lub artystycznym, przedstawia swoją wizję w tym zakresie, która następnie zawsze musi zostać podparta właściwymi obliczeniami dokonywanymi przez oświetleniowca. Jego zadaniem jest tak dobrać sprzęt, aby koncepcja była możliwa do osiągnięcia. Należy jednak podkreślić, że najczęściej jest to kompromis między wyobrażeniem a rzeczywistością. Ponadto ta metoda projektowania nie może funkcjonować autonomicznie.

• Druga to próba terenowa lub fotorealistyczna komputerowa wizualizacja oświetlenia. Pierwsza to nic innego jak oświetlenie budynku w porach wieczornych lub nocnych rzeczywistym sprzętem oświetleniowym. Metoda ta, używana wyłącznie w przypadku iluminacji obiektów, ma swoje wady i zalety. Do drugich niewątpliwie zalicza się spektakularność pokazu. Projektant i architekt, a często również inwestor, stojąc przed oświetlonym wieczorem obiektem, mogą bezpośrednio na nim weryfikować swoje wizje. Niestety jest to zadanie dość niewygodne, dlatego zwykle sprawdzana jest tylko jedna koncepcja. Podczas krótkotrwałego pokazu niemożliwa jest zmiana metody iluminacji, sprzętu oświetleniowego lub jego usytuowania. Należy również pamiętać o ograniczeniu gabarytowym budynku. Z tego względu poza nielicznymi wyjątkami, próby terenowe dotyczą zwykle jedynie jego części. Trudno bowiem oczekiwać, aby projektant dysponował odpowiednio dużą liczbą sprzętu potrzebnego do takich prób. Posiłkowanie się specjalistycznymi firmami również nie zawsze jest wystarczające. Nie jest więc możliwa pełna analiza oświetlenia, czyli luminancji średniej całego obiektu. Ten sposób projektowania sprawdza się jedynie dla płaszczyznowej metody iluminacji. W przypadku akcentowej i mieszanej, w których sprzęt mocowany jest na elewacji, nierzadko wysoko, staje się on bezużyteczny. Czasem da się usytuować oprawy oświetleniowe na gzymsach, attykach czy parapetach, ale prowizoryczny montaż nigdy nie odda właściwego rozkładu światłocienia na budynku.

Mankamenty obu sposobów eliminuje wygodna i praktyczna metoda oparta na symulacji komputerowej oświetlenia wirtualnego modelu 3D. Pozwala ona na próby oświetlenia, podczas których projektant widzi na ekranie monitora efekty swoich koncepcji. Współcześnie wizualizacja komputerowa jest podstawowym narzędziem projektowania iluminacji obiektu. Wszystkie związane z nią wady są niewspółmiernie małe w stosunku do otrzymywanych korzyści. Dzięki symulacjom komputerowym istnieje możliwość przeanalizowania pod względem wymagań, zaleceń oraz zgodności z zasadami iluminacji budynków praktycznie nieograniczonej liczby wariantów oświetlenia, pomijając sprzęt oświetleniowy. Oceny odbywają się zarówno na podstawie fotorealistycznych wizualizacji, jak i na podstawie rozkładów luminancji na poszczególnych płaszczyznach obiektu. Projektant może szybko skorygować nieprawidłowości, dobierając do projektu inne rozwiązania oświetleniowe, sprzęt, sterowanie czy wręcz jego lokalizację. Metoda ta umożliwia również zastosowanie sprzętu będącego jeszcze w fazie projektowania, np. przeznaczonego do danego rozwiązania.

Jej zastosowanie jest dużą zaletą w przypadku konieczności konsultacji z konserwatorem zabytków, jeśli obiekt podlega jego ochronie, gdyż umożliwia nieograniczoną analizę różnych koncepcji.

Fotorealistyczna komputerowa wizualizacja oświetlenia

Wizualizacja to graficzne przedstawienie charakterystycznego stanu obiektu (zjawiska bądź procesu) na jego obrazie, za pomocą umownego zestawu symboli graficznych, które odpowiadają cechom ilościowym tego stanu. Wizualizacja stanu oświetlenia, w przeciwieństwie do innych, nie wymaga przyjmowania symboli i może być symulowana bezpośrednio przez barwę oraz luminancję powierzchni, ponieważ są to podstawowe cechy charakteryzujące wygląd oświetlanego obiektu.

Można zatem powiedzieć, że jest ona bardzo bliska rzeczywistości. Wiąże się to również z uzyskiwanymi poziomami luminancji powierzchni omawianych obiektów. Nośniki wizualizacji: klasyczne monitory, tablety itp., realizują luminancje rzędu kilkuset cd/m², a więc szersze niż rzeczywiste wartości luminancji powierzchni w oświetleniu.

Wyjątkiem są obrazy opraw oświetleniowych, których luminancje znacznie przekraczają te zakresy. Z tego powodu np. ocena olśnienia nie może odbyć się bezpośrednio na podstawie obrazu wynikowego – w tej sytuacji konieczne jest użycie umownych symboli.

Rozróżniamy trzy rodzaje wizualizacji oświetlenia:

• dwuwymiarową (2D), polegającą na cyfrowym przetwarzaniu obrazu (np. fotografii dziennych i wieczornych),
• trójwymiarową (3D), tworzoną na bazie reprezentacji geometrycznej obiektu, ale nieuwzględniającą fotometrycznych źródeł światła i właściwości refleksyjno-transmisyjnych materiałów, z których z których jest lub ma być wykonana,
• fotorealistyczną.

Ostatnia stanowi obecnie najbardziej zaawansowaną formę symulacji oświetlenia. Tylko w przypadku tej wizualizacji luminancja i barwa obrazu są obliczane w oparciu o algorytmy obliczeniowe, uwzględniające dokładne modele matematyczne zjawisk związanych z oświetleniem. Opracowanie fotorealistycznych wizualizacji komputerowych oświetlenia jest procesem praco- i czasochłonnym, gdyż składa się z czterech etapów.

Na bazie modelu geometrycznego definiowane są właściwości materiałowe, a następnie tworzona jest wirtualna scena oświetleniowa. Całość procesu kończą obliczenia oświetleniowe (tzw. rendering). Najwięcej czasu zajmuje tworzenie prezentacji geometrycznej obiektu. W zależności od jego wielkości, stopnia złożoności czy detalu architektonicznego, liczony jest on w dziesiątkach, a nawet setkach roboczogodzin. Niestety budowanie modelu jest koniecznością. W przypadku projektowania iluminacji istniejących budynków podejmowane są próby skanowania przestrzennego, jednak często ilość uzyskanych informacji jest zbyt wielka, w związku z czym przekształcenie tzw. chmury punktów na wymaganą reprezentację geometryczną zajęłoby zbyt wiele czasu. Skanowanie może być wykorzystywane w wizualizacjach komercyjnych, jednak nie zdaje egzaminu, gdy konieczne jest wykonanie obliczeń fotometrycznych. Definiowanie właściwości materiałowych polega na przypisywaniu szeregu fizycznych parametrów, które następnie zostaną uwzględnione w procesie obliczeń foto- i kolorymetrycznych: współczynników odbicia/przepuszczania, proporcji między kierunkowością a dyfuzyjnością, czyli charakteru odbicia zapisywanego w postaci krzywej wskaźnikowej rozpraszania powierzchni, barwy powierzchni oraz jej struktury.

W wizualizacjach komputerowych powszechne jest stosowanie map materiałowych, które mogą pochodzić zarówno bezpośrednio z fotografii, jak i z ich graficznych modyfikacji. Wykorzystywane są one w celach zróżnicowania kolorystycznego obiektu, a także definiowania przekształceń powierzchni (regularne zagłębienia czy chropowatość). Tak określona trójwymiarowa scena staje się podstawą tworzenia koncepcji oświetlenia. Podstawową kwestią jest możliwość symulowania dokładnych brył fotometrycznych opraw oświetleniowych. Zatem konieczne jest używanie takiego oprogramowania i takich algorytmów obliczeń, które używają fizycznych miar wielkości świetlnych.

Wizualizacje fotorealistyczne posługują się rozsyłami światłości bez ograniczenia. Wartości te definiowane są w postaci bezwzględnej [cd] albo względnej, z jednoczesnym podaniem strumienia świetlnego wypromieniowanego z oprawy oświetleniowej [lm], co w zasadzie pozwala przeliczyć światłość na wartości bezwzględne.

Programy wizualizacyjne powinny mieć również możliwość wczytywania brył fotometrycznych, zdefiniowanych przez producentów sprzętu oświetleniowego. W praktyce, po sfotometrowaniu opraw w laboratorium, tworzone są pliki w różnych formatach. Najpopularniejszym w grafice komputerowej jest format IES (ang. Illuminating Engineering Society) oraz jego europejski odpowiednik LDT (EULUMDAT). Pliki z takimi rozszerzeniami, wczytane do programów, mają zdefiniowane podstawowe parametry świetlne: rozsył światłości w systemie Cg, światłość maksymalną oraz strumień świetlny źródła. Tak zdefiniowany elektronicznie sprzęt oświetleniowy projektant rozmieszcza na wirtualnej scenie ręcznie lub za pomocą kreatorów.

Ostatnim etapem projektowania w oparciu o wizualizację komputerową jest rendering, czyli proces obliczeniowy przetworzenia modelu siatkowego obiektu na postać powierzchniową, z wszelkimi jej cechami wynikającymi z przyjęcia właściwości refleksyjno-transmisyjnych i określonego sposobu oświetlenia. Jest to ciąg dokładnych obliczeń foto- i kolorymetrycznych, w wyniku którego każdy punkt ekranu komputera lub innego nośnika, przedstawiającego oświetlony budynek, uzyskuje luminancję i barwę. Oparty jest on na algorytmach obliczeniowych, zarówno składowej bezpośredniej, jak i pośredniej natężenia oświetlenia. Bardzo dobra koncepcja oświetlenia, poprawny model geometryczny obiektu i materiały użyte w scenie nie są wystarczające dla właściwego odbioru wizualizacji komputerowej. Podobnie jak w programach czysto analitycznych, również w tych graficznych jeden z ważniejszych czynników stanowią parametry obliczeniowe.

Na podstawie renderingu rozkładu natężenia oświetlenia oraz luminancji dokonywana jest ocena projektu, czyli jego zgodności z wymaganiami oraz zaleceniami stawianymi oświetleniu, natomiast na podstawie obrazu w formie fotorealistycznej wizualizacji – ocena klimatu świetlnego. W przypadku iluminacji obiektów często można wyróżnić jeszcze jeden szczególny etap – graficzną adaptację renderingu do fotografii wieczornej otoczenia. Warunki oświetleniowe zmieniają się wraz z porą dnia, dlatego symulację należy zacząć od sesji fotograficznej, podczas której dokonywane są pomiary luminancji na elewacji. Aby zadbać o efekt wizualny, najlepiej jest przeprowadzić te czynności przed zmrokiem, w czasie gdy nieboskłon ma jeszcze składową niebieską (zwykle jest to 15–30 minut przed pełnym ściemnieniem). Punktem wyjścia projektu jest symulacja wokół obiektu, przede wszystkim istniejącego oświetlenia ulicznego, a następnie konfiguracja wirtualnego nieboskłonu, tak by luminancje obliczone przez aplikację odpowiadały rzeczywistym z pomiarów dokonywanych podczas sesji. W ten sposób powstaje baza oświetleniowa, dla której projektant może tworzyć koncepcje pasujące do fotografii.

Wizualizacja oświetlenia w praktyce

Wizualizacja jest obecnie bardzo powszechną metodą projektowania oświetlenia. Należy pamiętać, że o ile w przypadku wnętrz jest ona jedynie dodatkiem uzupełniającym projekt, o tyle w iluminacji obiektów architektonicznych, gdzie przede wszystkim liczą się względy estetyczne, stanowi jego bazę. To na podstawie fotorealistycznych symulacji oświetlenia dokonywana jest pierwsza ocena projektu, ponadto to właśnie obrazy wizualizacyjne, a nie wartości liczbowe, przemawiają do wyobraźni inwestora.

Na rynku jest bardzo dużo programów symulujących zarówno oświetlenie sztuczne, jak i naturalne. Projektując oświetlenie wnętrz, z powodzeniem można używać aplikacji z pierwszej grupy, jednak w iluminacji obiektów, w której najważniejszy jest aspekt estetyczny, nie spełniają one już tak dobrze swojej roli. Pomimo coraz lepszych możliwości wizualizacyjnych wciąż są bowiem nastawione bardziej w kierunku analitycznym, przez co wizualizacje nie są tak realistyczne jak w przypadku programów z drugiej grupy. Każdorazowo projektant stoi więc przed dylematem, którą aplikację wybrać.

Pytanie jest trudne, a odpowiedź zależy od jego wiedzy i umiejętności graficznych, postawionych mu zadań do wykonania oraz czasu potrzebnego na realizację projektu. W przypadku programów graficznych ważne jest, aby dokonał wyboru w sposób świadomy. Pierwszą ich cechą powinna być możliwość użycia plików fotometrycznych opraw oświetleniowych, drugą – pełna swoboda definiowania właściwości refleksyjno-transmisyjnych materiałów. Równie ważna jest możliwość pełnej analizy oświetlenia, zarówno liczbowej, jak i w formie graficznych obrazów natężenia oświetlenia i luminancji.

Czas opracowania projektu oświetlenia na podstawie fotorealistycznej wizualizacji komputerowej jest dość długi i ostatecznie zależy od wielkości obiektu, jego architektury oraz liczby użytego sprzętu oświetleniowego. Należy jednak zaznaczyć, że jest on w pełni rekompensowany przez zysk – wielowariantowe projekty, spośród których projektant, architekt oraz inwestor mogą wybrać optymalne dla siebie rozwiązanie. Jak pokazuje praktyka, dokładność i sprawdzalność tej metody jest bardzo wysoka.