Projecto CASSILDE (Programa PRAXIS XXI)

Design de Iluminação

Actualmente, as ferramentas de modelação permitem uma razoável liberdade criativa aos arquitectos e demais especialistas de design de espaços interiores e exteriores. As ferramentas mais evoluídas utilizam conceitos 3D para facilitar a manipulação do espaço a modelar. Essas ferramentas são capazes de produzir imagens pseudo-realistas ou, de um modo geral, imagens que ajudam à compreensão do espaço (tipo malha de arame com remoção de linhas escondidas, sombreamento simples de faces poligonais, etc). O realismo visual não é essencial para se apreender a volumetria e as relações espaciais dos elementos da cena.

Estas imagens mostram modelos 3D dentro de um programa de modelação. Note-se que a visualização apresentada não é suficiente para compreender as relações espaciais da cena, os aspectos de iluminação, etc.

A iluminação do espaço não pode ser dissociada da natureza dos objectos da cena (geometria, tipos de superfície e acabamento, etc) nem da realidade dos fenómenos ópticos (mais correctamente fotométricos) que nos rodeiam. Nos casos em que existe iluminação "natural", geralmente as dificuldades são maiores dado que a iluminação natural tem uma variabilidade que dificulta imenso a sua análise e predição.
Há já alguns anos que modelos computacionais dos fenómenos ópticos mais relevantes do mundo que nos rodeia tem vindo a ser aprimorados no sentido de se poderem realizar actividades de análise e predição da iluminação resultante, assumindo-se conhecidas a geometria do espaço e objectos existentes e as suas características materiais (superfície, acabamento, etc). Estes modelos são necessariamente complicados porque as leis físicas subjacentes são complexas.
Mesmo com simplificações, algoritmos computacionais baseados nesses modelos são capazes de produzir imagens verdadeiramente realistas (realismo visual e realismo fotométrico). Porém os tempos de cálculo ainda são elevados, mesmo em computadores bem equipados.

Um dos programas de simulação de iluminação com validade visual/fotométrica mais conceituado é o Radiance. Este programa na realidade é um conjunto de subprogramas que realizam tarefas complementares, normalmente finalizando-se com a produção de imagens.


Estas imagens produzidas pelo Radiance mostram estudos de iluminação em espaços complexos com luz natural e artificial, fenómenos ópticos diversos (sombras, transparência, etc).





Estas imagens produzidas pelo Radiance mostram estudos de iluminação em diferentes horas ao longo de um dia de primavera num espaço com luz natural e artificial. As imagens da direita mostram dados quantitativos (curvas de nível de radiância).

O Radiance é muito sofisticado, mas por outro lado é difícil de usar, exigindo uma aprendizagem demorada. Funciona essencialmente em plataformas UNIX (em quase todos as variantes: Linux, Solaris, etc), embora versões incipientes para plataformas Windows tenham surgido recentemente.
Actualmente, está a ser desenvolvida uma versão especializada do Radiance para Windows, de modo a poder ser usado por especialistas tais como arquitectos, luminoténicos, designers, etc, sem que para tal tenham de possuir conhecimentos informáticos avançados, e, ao mesmo tempo, poder funcionar em computadores comuns.

Apesar da combinação de um programa de modelação e de um programa de simulação de iluminação (Radiance, por exemplo) permitir uma análise diversificada do espaço modelado (volumetria, aspectos fotométricos quantitativos, imagens realistas, etc), do ponto de vista do design da iluminação a flexibilidade ainda é reduzida.
Frequentemente, a iluminação é abordada na fase final da modelação e de um modo eminentemente empírico: recurso a métodos numéricos tipo cavidade zonal em que apenas as dimensões principais do espaço e algumas características fotométricas muito simplificadas são levadas em conta.
O problema é que os designers não têm qualquer garantia que o resultado pretendido seja o verificado, depois de terminada a construção física do espaço em causa. Como não têm garantias minimamente convincentes, furtam-se a apresentar imagens realistas (preditivas) por forma a não se comprometerem com o cliente (com as consequências nocivas que poderão advir).
A possibilidade de definir objectivos de iluminação (fotométricos, estéticos, normativos, etc) e de contar com o auxílio de uma ferramenta computacional na pesquisa das soluções que conduzam à melhor satisfação em simultâneo desses objectivos parece ser uma evolução significativa do design de iluminação. Uma ferramenta deste tipo, desde que baseada em modelos com validade fotométrica verificada, poderia dar aos designers a capacidade de predizer com segurança os resultados fotométricos dos seus modelos e assim fornecer aos clientes uma antevisão "realista".
Aproveitando-se das propriedades dos fenómenos fotométricos e das características mais comuns no mundo que nos rodeia, os autores definiram uma nova abordagem ao design de iluminação que permite a definição de objectivos de iluminação e posterior pesquisa das melhores soluções, conhecendo-se de antemão a geometria do espaço/objectos e as suas propriedades materiais de superfície. Esta abordagem tem uma base física que assegura a validade dos resultados em função dos dados iniciais e dos objectivos traçados.

Esta imagem mostra uma solução de iluminação obtida pelos processos empíricos tradicionais para um espaço tipo escritório. Os objectivos são assegurar uma boa iluminação nas tampos das secretárias; iluminação homogénea e sem efeitos fotométricos nocivos (fronteiras de sombra, ofuscamento, etc). As luminárias são do tipo reflector difuso e estão dispostas em grelha regular 2x5 no tecto. Para além da iluminação geral (ambient lighting), existem luminárias tipo candeeiro para se assegurar uma boa iluminação de tarefa (task lighting).

Esta imagem mostra o resultado de um design de iluminação em que se pretende atingir os mesmos objectivos do caso anterior, mas utilizando luminárias esféricas (omnidireccionais) junto ao tecto. Para além dos objectivos fotométricos referidos, foi imposto que as luminárias deveriam ficar alinhadas, embora os espaçamentos possam ser diferentes. A localização de cada luminária foi restringida à vertical de cada célula de trabalho. Também foi incorporado nos objectivos a redução do ofuscamento devido ao ecrã através da simulação da posição da face do utilizador.
O resultado, apesar de interessante, não é satisfatório devido ao facto das luminárias serem pequenas e gerarem demasiado fronteiras de sombra nos tampos, um efeito visualmente perturbador.

Esta imagem mostra o resultado de um design de iluminação em que se pretende atingir os objectivos dos casos anteriores, mas utilizando as luminárias iniciais com uma disposição diferente. Para além dos objectivos fotométricos referidos, foi imposto que as luminárias deveriam ficar alinhadas, embora os espaçamentos possam ser diferentes (fila de 5 luminárias). A localização de cada luminária foi restringida à vertical de cada par de células de trabalho. Também foi incorporado nos objectivos a redução do ofuscamento devido ao ecrã através da simulação da posição da face do utilizador.
O resultado é muito interessante e mostra como esta abordagem tenta encontrar a solução que representa o compromisso entre objectivos de diferentes naturezas (fotométricos, geométricos, estéticos, etc).

No decurso dos trabalhos de investigação do autor principal, para além de artigos apresentados e publicados em conferências da área da Computação Gráfica, surgiu a hipótese de obter financiamento para desenvolvimento de um protótipo experimental no âmbito do Programa PRAXIS XXI (CASSILDE -- Computer ASSIsted Lighting DEsign). A proposta de projecto foi aceite e o projecto deverá iniciar-se em Janeiro de 2000, com duração de dois anos.
Este projecto será um esforço conjunto da Unidade de Software do INESC-Porto, do Departamento de Engenharia Informática do ISEP/Instituto Politécnico do Porto e da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
O protótipo experimental pretende ser uma ferramenta de exploração das fases iniciais do design de iluminação, em que a interacção e a interface serão desenvolvidas de modo a conseguir-se uma utilização fácil e intuitiva por utilizadores especialistas em arquitectura/iluminação e com conhecimentos comuns de informática. O Radiance será usado como ferramenta de produção de dados fotométricos, mas de um modo completamente invisível para o utilizador. A pesquisa das soluções será também objecto de uma implementação cuidada no sentido de dar pistas iniciais ao utilizador a fim de que possa aquilatar tão cedo quanto possível da qualidade das soluções encontradas e, eventualmente, interromper o processo e ajustá-lo a novas condições de design.

O projecto CASSILDE está receptivo à colaboração com especialistas de arquitectura e de iluminação no sentido de se poder beneficiar do cruzamento de conhecimentos entre áreas tradicionalmente afastadas. Casos reais serão particularmente bem-vindos, dado poderem constituir-se como testes importantes à aplicabilidade desta nova abordagem do design de iluminação.

O contacto pode ser efectuado por correio electrónico para qualquer dos autores:

António Cardoso Costa (autor principal)
DEI-ISEP/IPP -- INESC-Porto

acc@dei.isep.ipp.pt

António Augusto Sousa
INESC-Porto -- FEUP

augusto.sousa@inescn.pt