ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ

Εισαγωγή

Η συνεχής εξέλιξη και ενοποίηση των δυνατοτήτων των ψηφιακών προγραμμάτων γραμμικής σχεδίασης (CAD), φωτορεαλιστικής απεικόνισης (lighting simulation), εικονικής πραγματικότητας και του διαδικτύου, προσφέρουν σήμερα νέες ευκαιρίες σε αρχιτέκτονες και μελετητές φωτισμού για τη δημιουργία εικόνων που με εξαιρετική ακρίβεια προσομοιώνουν τις συνθήκες φυσικού και τεχνητού φωτισμού στο σχεδιαζόμενο χώρο.
Η νέα γενιά των προγραμμάτων υπολογισμού των επιπέδων φωτισμού κυρίως εσωτερικών αλλά και εξωτερικών χωρών προσφέρει ακριβή ποσοτικά στοιχεία, δυνατότητα περιήγησης στον υπό σχεδίαση χώρο και ικανοποιητικές τρισδιάστατες απεικονίσεις. Τα προγράμματα αυτά αποτελούν εξαιρετικά  εργαλεία που η σύγχρονη τεχνολογία των υπολογιστών προσφέρει στους αρχιτέκτονες και μελετητές φωτισμού για την υποστήριξη της διαδικασίας σχεδιασμού αλλά σε καμία περίπτωση δεν μπορούν να την αντικαταστήσουν. Η μελέτη του αρχιτεκτονικού φωτισμού και ο σχεδιασμός της βασικής ιδέας είναι δημιουργικές διαδικασίες που απαιτούν εμπειρία και ταλέντο. Η χρησιμοποίηση κάποιου προγράμματος υπολογιστή είναι ένα μόνο μικρό μέρος μιας ολοκληρωμένης μελέτης αρχιτεκτονικού φωτισμού και μάλιστα με συγκεκριμένη αποστολή. Από την μια πλευρά, ο φωτορεαλισμός βοηθάει στη δημιουργία ασφαλών προβλέψεων για τη τελική εικόνα ενός χώρου, στην αποτελεσματική σύγκριση εναλλακτικών προτάσεων, στον καθορισμό ακριβών φυσικών διαστάσεων και κυρίως στη μετατροπή της πληροφορίας σε εικόνα. Βεβαίως κανένα φωτορεαλιστικό πρόγραμμα υπολογιστή να αναπαράγει με ακρίβεια την οπτική εμπειρία του να βρίσκεται κάποιος μέσα σε ένα κτίριο. Από την άλλη πλευρά, ο ακριβής υπολογισμός των επιπέδων φωτισμού σε ένα χώρο βοηθάει σημαντικά στον ακριβή προσδιορισμό της αναγκαίας ποσότητας φωτιστικών για την επίτευξη ενός δεδομένου επιπέδου φωτισμού κάτι που είναι εξαιρετικά χρήσιμο από άποψη της αποτελεσματικότερης χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας. Τα προγράμματα αυτά είναι βεβαίως χρήσιμα σε χώρους που τα επίπεδα φωτισμού σχεδιάζονται ως δεδομένα όπως γραφεία, αίθουσες συνεδριάσεων, αίθουσες διδασκαλίας, βιομηχανικοί χώροι, αποθήκες, αθλητικές εγκαταστάσεις κά αλλά η χρήση τους είναι περιορισμένη σε χώρους όπου ο φωτισμός είτε χρησιμοποιείται κυρίως για τη δημιουργία ατμόσφαιρας όπως ξενοδοχεία, εστιατόρια κλπ. είτε επηρεάζεται σημαντικά από άλλους παράγοντες όπως για παράδειγμα η επίδραση του οδικού ή γενικού φωτισμού στον αρχιτεκτονικό φωτισμό ενός δημοσίου χώρου ή μιας όψης κτιρίου.  

Προγράμματα φωτορεαλιστικών απεικονήσεων

Με τον όρο ‘φωτορεαλισμός’ εννοούμε τη ρεαλιστική απεικόνιση των αντικειμένων και χώρων που έχουν σχεδιαστεί στον υπολογιστή. Αυτό επιτυγχάνεται ΄ντύνοντας’ τις επιφάνειες των αντικειμένων με υλικά, τοποθετώντας φωτεινές πήγες και δημιουργώντας συγκεκριμένες οπτικές γωνίες θέασης.  Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι ένα τρισδιάστατο σχέδιο στο οποίο τα αντικείμενα έχουν αληθοφανείς επιφάνειες και σκιές, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των υλικών και το φωτισμό που ορίζουμε. Για την επίτευξη του στόχου αυτού χρησιμοποιούνται ειδικά προγράμματα απόδοσης χρωμοσκίασης (rendering), τα οποία υπολογίζουν την απεικόνιση βάση των ιδιοτήτων των επιφανειών – όπως το χρώμα, η σκίαση, η στιλπνότητα και η υφή- και τις συμπεριφοράς τους υπό συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού.
Γενικότερα, η απεικόνιση στον υπολογιστή εντάσσεται σε δυο κύριες κατηγορίες: την απεικόνιση εικονοστοιχείων (raster) και τη απεικόνιση διανυσμάτων (vector). Η μεν πρώτη αφορά την απεικόνιση φωτογραφιών ή θεμάτων ψηφιακής ζωγραφικής που συνήθως επεξεργάζονται με προγράμματα όπως το Photoshop, PhotoPaint κά. Η δεύτερη αφορά την απεικόνιση εικονικών αντικειμένων που σχεδιάζονται στον υπολογιστή χρησιμοποιώντας είτε προγράμματα γραφίστικης (CorelDraw, Illustrator) είτε προγράμματα γραμμικής σχεδίασης (AutoCad, MicroStation). Η σύγχρονη τάση είναι η χρήση και των δυο κατηγοριών προγραμμάτων για την επίτευξη του επιδιωκόμενου αποτελέσματος δηλαδή μιας φωτορεαλιστικής απεικόνισης των σχεδιαζόμενων αντικειμένων. Εφόσον μάλιστα αυτή συνδυαστεί με τη δυνατότητα περιστροφής και περιήγησης του μοντέλου, μπορεί να δώσει τη ψευδαίσθηση της μακέτας πλήρους κλίμακος.

Μια φωτορεαλιστική απεικόνιση είναι μια εικόνα από υπολογιστή και χρησιμοποιείται κυρίως από τους μελετητές φωτισμού για λόγους παρουσίασης του τελικού αποτελέσματος όπως προτείνεται στον πελάτη και στον αρχιτέκτονα. Εάν απεικονίζει τρισδιάστατες σκηνές που περιέχουν φωτεινές πήγες, η απεικόνιση του φωτισμού συχνά αναφέρεται ως ‘φωτοσκίαση’. Ο φωτισμός υπολογίζεται από δυο διαφορετικούς τύπους φωτεινότητας: τη τοπική (local) και τη γενική (global).  Η διαφορά μεταξύ των δυο τύπων είναι ότι στη περίπτωση της τοπικής, η κατανομή της φωτεινότητας υπολογίζεται μόνο σε σχέση με ένα συγκεκριμένο αντικείμενο και απεικονίζεται ανάλογα, δηλαδή η επιφάνεια ενός αντικειμένου που δεν ‘βλέπει΄ τη φωτεινή πηγή απεικονίζεται ως η σκοτεινότερη. Η ένταση των ‘αποχρώσεων του γκρι’ εξαρτάται από την απόσταση του αντικειμένου από τη φωτεινή πηγή. Μόνο η τοπική σκιά του αντικειμένου υπολογίζεται, αλλά όχι οι σκιές που μειώνουν τη φωτεινότητα άλλων αντικειμένων στο χώρο. Οι σκιάσεις σε αντικείμενα που προκαλούνται από αλλά αντικείμενα ή το αποτέλεσμα του ανακλώμενου φωτός από κάποιο αντικείμενο λαμβάνονται υπόψη με τον  τύπο της γενικής φωτεινότητας. Αυτό όπως είναι φυσικό είναι πολύ πιο δύσκολο να υπολογιστεί και απαιτεί σημαντικά μεγαλύτερους υπολογιστικούς χρόνους.

Οι πιο γνωστές κατηγορίες απεικόνισης είναι γνωστές με την αγγλική τους ορολογία: Ray Tracing (Ιχνηλάτηση Ακτίνας) και Radiocity. Πίσω από κάθε όνομα υπάρχει και ένας συγκεκριμένος αλγόριθμος ΄σκίασης΄ που με κάποιο μαθηματικό μοντέλο κάνει τους απαραίτητους μαθηματικούς υπολογισμούς και προσδίδει στο κάθε εικονοστοιχείο (pixel) της οθόνης το κατάλληλο χρώμα. Η ιχνηλάτηση ακτίνας είναι η διαδικασία εκείνη που κυριολεκτικά ξανά-ιχνηλατεί τις ακτίνες του φωτός που υπάρχουν στο χώρο (όπως απεικονίζονται στην οθόνη του υπολογιστή από εικονοστοιχεία) όπως γίνονται ορατές από τον παρατηρητή καθώς και την πορεία των ακτινών από τις διάφορες επιφάνειες πίσω στις φωτεινές πηγές (ακτίνες σκίασης). Τα χρώματα και η φωτεινότητα των εικονοστοιχείων στην οθόνη προέρχονται από το χρώμα της επιφάνειας όταν οι ακτίνες του φωτός προσπέσουν πάνω της από κάποια απόσταση. Ο τρόπος απεικόνισης αυτός είναι ιδιαίτερα χρήσιμος όταν απεικονίζονται επιφάνειες με καθρέπτη ή διαφανείς επιφάνειες, αλλά οι σκιάσεις είναι συχνά αφύσικα σκληρές όταν η ακτίνα σκίασης διακόπτεται στην ευθεία πορεία της προς τη φωτεινή πηγή όπως για παράδειγμα στην εικόνα 6 από την επιφάνεια του τραπεζίου με αποτέλεσμα τα εικονοστοιχεία να παραμείνουν μαύρα. Γνωρίζουμε βεβαίως ότι κάτω από το τραπέζι δεν είναι τελείως σκοτεινά διότι στη φωτεινότητα της περιοχής αυτής επιδρά όχι μόνο φως από τη φωτεινή πηγή αλλά και από ανακλάσεις στις γειτονικές επιφάνειες. Αυτές οι λεγόμενες έμμεσες ενδιάμεσες ανακλάσεις λαμβάνονται υπόψη στο δεύτερο τρόπο απεικόνισης, στο Radiocity. Σύμφωνα με το τρόπο αυτό κάθε επιφάνεια αναλύεται αυτομάτως σε μικρότερα μέρη τα οποία επανα-κατευθύνουν το φως ομοιόμορφα στο χώρο σαν φωτεινές πήγες έμμεσου φωτισμού. Με το τρόπο αυτό προκύπτουν ‘μαλακότερες’ σκιάσεις που δίνουν ένα πιο ρεαλιστικό οπτικό αποτέλεσμα.  Η μέθοδος αυτή απαιτεί μεγάλο χρόνο υπολογισμού και ένα εξαιρετικά ακριβές τρισδιάστατο μοντέλο. Παρολαυτά, όταν ο υπολογισμός πραγματοποιηθεί, η φωτορεαλιστικη απεικόνιση δίνει μια πολύ ρεαλιστική και πειστική αίσθηση κίνησης στο φωτισμένο χώρο χωρίς την ανάγκη αλλαγής κάθε φορά  του σημείου παρατήρησης. Το γεγονός ότι η μέθοδος Ιχνηλατης Ακτίνας εξαρτάται από τη θέση του παρατηρητή ενώ η μέθοδος Radiocity όχι, αποτελεί και τη μεγάλη διαφορά μεταξύ των δυο μεθόδων. Συμπερασματικά, για  όσο το δυνατόν πειστικότερες φωτορεαλιστικες απεικονίσεις απαιτείται ο συνδυασμός και των δυο μεθόδων.     

Προγράμματα υπολογισμών επιπέδων φωτισμού

Τα προγράμματα υπολογισμού των επιπέδων φωτισμού για εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους έχουν επίσης εξελιχθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια. Είναι σαφώς πιο εύκολα στη χρήση και ταχύτερα στην παραγωγή αριθμητικών αποτελεσμάτων για τα επίπεδα φωτισμού επιφανείας (illuminance σε lux) και λαμπρότητας (luminance σε cd/m2) σε ένα εσωτερικό ή εξωτερικό χώρο με δυνατότητα δημιουργίας σχετικά απλοϊκών τρισδιάστατων απεικονίσεων των αποτελεσμάτων του φωτισμού. Οι εικόνες αυτές είναι φωτομετρικά ορθές καθώς για τη δημιουργία τους χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα φωτιστικά με συγκεκριμένους τύπους λαμπτήρων. Αρχικά τα προγράμματα αυτά εξελίχτηκαν από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές φωτιστικών διεθνώς  με σκοπό να βοηθήσουν τους μελετητές στο ορθό σχεδιασμό του φωτισμού ενός εσωτερικού χώρου. Τα προγράμματα αυτά είναι αρκετά απλά στη χρήση τους αλλά συνήθως περιορίζονται στη χρησιμοποίηση των φωτιστικών της κατασκευάστριας εταιρίας. Τα τελευταία χρόνια έχουν εξελιχθεί προγράμματα από ανεξάρτητες εταιρίες όπως το Dialux, το Relux, το Litestar στην Ευρώπη και το Lumen Micro και AGI 32 στις Ηνωμένες Πολιτείες, που είναι τεχνολογικά πολύ πιο εξελιγμένα, προσφέρουν δυνατότητες εισαγωγής φωτομετρικών στοιχείων από μεγάλο αριθμό εταιρειών, κάνουν υπολογισμούς για τα επίπεδα του φυσικού φωτός και προσφέρουν ολοένα και πιο ικανοποιητικές τρισδιάστατες απεικονίσεις με δυνατότητα περιήγησης στο χώρο.

Η χρησιμοποίηση των προγραμμάτων αυτών είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στα αρχικά σταδία σχεδιασμού ενός χώρου όπου διαφορετικές διατάξεις και τύποι φωτιστικών μπορούν να δοκιμαστούν ως προς το επιδιωκόμενο τελικό αποτέλεσμα. Έτσι διαφορετικές εναλλακτικές προτάσεις μπορούν να αξιολογηθούν γρήγορα και εύκολα με σκοπό την επιλογή της καταλληλότερης. Θα πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι αυτό αφορά μόνο τις  ποσότητες του φωτισμού σε ένα χώρο και όχι τη συνολικότερη αισθητική εικόνα του χώρου με τον προτεινόμενο φωτισμό.  Το χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ότι υπάρχουν αρκετοί τρόποι για την επίτευξη των επιθυμητών 500 lux στην οριζόντια επιφάνεια ενός γραφείου με υψηλό ποσοστό ομοιομορφίας. Όλοι μπορούν να ελεγχθούν με ένα υπολογιστικό πρόγραμμα και να είναι σωστοί ως προς την παροχή της συγκεκριμένης ποσότητας φωτισμού. Όμως από άποψη αισθητικής κάθε τρόπος δημιουργεί ένα τελείως διαφορετικό περιβάλλον εργασίας και προφανώς διαφορετικές αντιδράσεις από τους χρηστές του χώρου. Η τελική επιλογή του καταλληλότερου φωτισμού δεν μπορεί να γίνει μόνο με βάση τα αντικειμενικά ποσοτικά κριτήρια όπως δίνονται από ένα πρόγραμμα υπολογιστή αλλά και με βάση τα ‘ποιοτικά’ κριτήρια της συνολικής αισθητικής εικόνας ενός χώρου όπως αυτά αξιολογούνται από ένα μελετητή φωτισμού.  

Μια τυπική διαδικασία χρησιμοποίησης ενός προγράμματος υπολογισμού ξεκινάει με τη εισαγωγή των ακριβών διαστάσεων του χώρου, του επιθυμητού ύψους της επιφάνειας εργασίας, των επίπλων και άλλων αντικειμένων καθώς των ανακλαστικών ιδιοτήτων των επιφανειών. Υπάρχει η δυνατότητα μοντελοποίησης χώρων με ακανόνιστες διαστάσεις καθώς και η απευθείας εισαγωγή τρισδιάστατων σχεδίων σε ηλεκτρονική μορφή Autocad ως αρχεία .dxf. Στη συνεχεία επιλέγονται τα φωτιστικά που θα χρησιμοποιηθούν από την διαθέσιμη βιβλιοθήκη του προγράμματος. Τα φωτομετρικά τους χαρακτηριστικά εισάγονται με κάποια από τις διεθνώς αποδεκτές ηλεκτρονικές μορφές (Elumdat, TM14, IES). Στη συνεχεία ο μελετητής επιλέγει τη βέλτιστη διάταξη και αριθμό των φωτιστών ώστε να επιτύχει κάποιο δεδομένο επίπεδο φωτισμού που σύμφωνα με διεθνείς ή τοπικές οδηγίες και συστάσεις είναι το ιδανικό για το συγκεκριμένο τύπο δραστηριότητας. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων γίνεται είτε σε  κλίμακες αποχρώσεων του γκρι είτε σε κλίμακες ‘ψευδών’ χρωμάτων (false colour) όπου κάθε απόχρωση αντιστοιχεί σε ένα δεδομένο εύρος τιμών φωτεινότητας ή λαμπρότητας.

Επίλογος

Η ολοένα και ευκολότερη παραγωγή φωτορεαλιστικών εικόνων από υπολογιστή προσφέρει στους μελετητές νέες ευκαιρίες για πειστικότερες και εντυπωσιακότερες παρουσιάσεις ιδεών φωτισμού. Η χρήση των εικόνων αυτών μπορεί να γίνει λειτουργικό κομμάτι της διαδικασίας σχεδιασμού με την γρήγορη και αποτελεσματική αξιολόγηση εναλλακτικών προτάσεων. Οι εικόνες αυτές στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να είναι τόσο πειστικές όσο και μια φωτογραφία με όλους τους γνωστούς περιορισμούς του φωτογραφικού μέσου από άποψη πιστής αναπαραγωγής μιας σκηνής φωτισμού.  Η ποιότητα της απεικόνισης εξαρτάται από την ακρίβεια των υπολογισμών αλλά και από τις δυνατότητες της οθόνης στην οποία απεικονίζεται. Ο μακροπρόθεσμος στόχος παραμένει η ολοκληρωμένη παρουσίαση των προτάσεων και ιδεών φωτισμού για ένα χώρο με όλες τις δυναμικές και αισθητικές τους ποιότητες και τα σύγχρονα προγράμματα μελέτης φωτισμού αποτελούν σημαντικά εργαλεία στην επίτευξη του στόχου αυτού.

Θεόδωρος Δ. Κοντορήγας BSc MBA MSc ELDA SLL
Μελετητής Αρχιτεκτονικού Φωτισμού