Interfaces gráficas y algoritmos para aplicaciones basadas en la simulación de luz artificial y natural

Introducción

Hoy en día el papel que juega el diseño de la iluminación en nuestra sociedad es muy importante. La iluminación está presente en prácticamente todos los lugares donde se desarrolla una cierta actividad humana, influyendo en la calidad de vida de las personas y en el medio ambiente. Para que esta influencia sea lo más positiva posible, debemos intentar mejorar el diseño de iluminación a diferentes niveles:

A nivel industrial, el diseño de luminarias sigue siendo hoy en día un proceso poco automatizado, lo que hace que el proceso productivo sea más largo de lo deseado (con el consiguiente aumento de costos), y la eficacia de las luminarias no sea tan precisa como sería deseable. A nivel arquitectónico y urbanístico no existen herramientas eficaces que estén centradas en el máximo aprovechamiento de la luz natural. Está demostrado [SanMartín97] que la iluminación natural produce un grado de confort visual mucho más elevado que la iluminación artificial, además de suponer un ahorro de energía considerable. A nivel medioambiental la luz artificial que no llega a su destino deseado provoca problemas de contaminación lumínica. Esto es debido a la falta de herramientas rigurosas del control de la iluminación a nivel urbanístico.

La finalidad del proyecto es abordar estos problemas desde una perspectiva científica del software implicado, teniendo en cuenta a la vez las necesidades reales que se plantean en cada uno de los ámbitos mencionados previamente. El objetivo del proyecto es diseñar y desarrollar interfaces gráficas que permitan mejorar el diseño de iluminación a diferentes niveles, siguiendo para ello dos criterios fundamentales:

Usabilidad. Los prototipos desarrollados en el proyecto han de estar diseñados pensando en el usuario final, de manera que puedan ser integrados fácilmente en el proceso de diseño.
Precisión. Los resultados producidos por las interfaces gráficas han de estar validados con mediciones reales de manera que se asegure la aplicabilidad de los resultados presentados.

A pesar del trabajo realizado por los grupos participantes en anteriores proyectos, y de estado del arte actual en estos campos, los avances conseguidos, a pesar de ser en muchos casos espectaculares, no han llegado a tener una incidencia significativa en el diseño de iluminación. La razón de esta falta de aplicabilidad es doble:

Por una parte la complejidad de los cálculos que implica una solución precisa en muchos de los problemas que se plantean. Esto hace que el tiempo de interacción entre el ordenador y el diseñador sea demasiado grande como para que sea útil dentro del proceso de diseño. Las simplificaciones que habitualmente se asumen a la hora de abordar muchos problemas de iluminación global hace que los resultados finales, a pesar de que puedan ser excelentes para determinados fines, no pueden ser usados en aquellos procesos de diseño en que la validez de los resultados, en relación a los datos reales, es fundamental.

En todos estos campos se han producido avances más o menos significativos en los últimos años. A continuación detallamos los resultados obtenidos en los diferentes campos abordados en este proyecto:

En el campo del diseño de reflectores, existen soluciones para el diseño directo en el que el usuario define la forma y los materiales que tiene un reflector, y obtiene una determinada distribución luminosa. Este tipo de herramientas tienen una utilidad limitada pues son utilizadas mediante el sistema de prueba y error, en el que el usuario ha de ir cambiando las características de la luminaria hasta dar con la distribución de iluminación deseada. Por otra parte, las simplificaciones asumidas en estas soluciones hace que los resultados finales no puedan ser considerados totalmente fiables.
Mucho más interesante es el diseño y desarrollo de interfaces gráficas basadas en ingeniería inversa, en el que las características del reflector son calculadas a partir de la distribución de iluminación deseada. Este sería el proceso natural para un productor de luminarias. En los últimos años se han publicado una serie de trabajos [Halstead96] [Costa99] [Caffarelli99] [Doyle01] que han comenzado a abordar el tema, aunque los resultados distan de ser aplicables en la industria por varias razones:
- Las soluciones están restringidas a formas muy sencillas
- La mayoría de propuestas asumen materiales perfectamente especulares, lo cual dista mucho de la realidad industrial.
- La distribución de la iluminación de las lámparas usadas en los cálculos vienen dadas en forma de fuente de luz puntual, lo cual resta mucha validez a las soluciones obtenidas
- El tiempo de cálculo que requieren estas soluciones es prohibitivo.
Los modelos de luz natural han sido bastante estudiados dentro del ámbito de la informática gráfica, aunque las soluciones propuestas siempre han tenido algún tipo de limitación que no ha permitido que sean aplicadas a cualquier entorno. Se ha propuesto diferente modelos de bóveda celeste [Brunger93] [Preetham99], y se han presentado diferentes métodos para calcular la iluminación natural [Muller95] [Daubert97]. Estas propuestas parten de simplificaciones como pueden ser tratar con escenas de complejidad media, cálculos muy aproximados, considerar únicamente la luz solar directa, ... etc. Sin embargo no se han presentado soluciones que incorporen un modelo completo de iluminación natural en entornos muy complejos.
La integración de luz natural y artificial de forma automática es todavía un reto. A pesar de que ambos temas han sido tratados ampliamente por separado, no se han desarrollado herramientas que realmente permitan integrar los dos tipos de iluminación de una manera eficiente y cómoda para un diseñador.
Todos los métodos de iluminación global tratan con magnitudes espectrales, es decir, que tanto las propiedades ópticas de los materiales como las emitancias de las fuentes de luz están definidas teóricamente como funciones sobre el espectro de luz visible. Sin embargo, la gran mayoría de las herramientas existentes en el mercado, así como los métodos de iluminación global propuestos por la comunidad científica usan el modelo RGB para representar esas propiedades. Sin embargo, en muchas situaciones esa simplificación es inaceptable. Especialmente cuando se trata con fuentes de luz reales, como los fluorescentes, por ejemplo, que no pueden ser representados con un mínimo de exactitud mediante un modelo RGB. Los antecedentes en el campo de representaciones espectrales son amplios [Delvin02] pero su integración eficiente dentro de métodos de iluminación global no se ha producido [Delvin02]. Los métodos propuestos hasta ahora asumen unas simplificaciones (entornos de poca complejidad) que impiden su aplicación a entornos reales.

Los grupos participantes llevan trabajando en el campo de la iluminación global desde el año 90. En los proyectos TIC95-0614-C03 (Sistema de Simulación Precisa de Iluminación. Técnicas Globales) se estudiaron los algoritmos básicos de iluminación global para la producción de imágenes realistas. Estos métodos estaban basados en el uso de técnicas de radiosidad usando métodos de Monte Carlo y de Elementos Finitos. Esta línea de investigación tuvo su continuidad en el proyecto TIC98-0973-C03 (CAD Integrado para Sistemas de Iluminación y Luminarias). Por último, en el proyecto TIC2001-2392-C03 (CAD para Seguridad Vial Basado en Sistemas de Iluminación) los tres grupos participantes pusieron en práctica los conocimientos adquiridos para aplicarnos a un problema concreto.

A nivel nacional, a parte de los grupos implicados en este proyecto, hay una serie de grupos cuyas líneas de investigación están relacionados con algunos aspectos del proyecto. El grupo de informática gráfica de la Universidad de Valencia trabaja en el ámbito de la visualización realista, pero en especialidades diferentes, como los videojuegos, la informática gráfica médica e industrial. La sección de informática gráfica de la Universidad Politécnica de Catalunya trabaja en aspectos de modelado geométrico que tienen relación con el diseño de reflectores.

A nivel internacional hay diversos grupos de importancia que trabajan en los temas relacionados con el proyecto. El grupo iMAGIS de INRIA (Grenoble, F) ha trabajado en temas de iluminación natural, así como en iluminación global en general. El grupo AG4 del Max-Planck-Institut für Informatik (Saarbrücken, D) también ha trabajado en temas de luz natural, así como en caracterización de luminarias. EL centro CERMA del CNRS (Nantes, F) tiene como una de sus líneas principales de investigación la influencia de la iluminación natural en entornos arquitectónicos y urbanos. En Canadá, la empresa LEDALITE (http://www.ledalite.com) realiza investigación en interfaces gráficas para diseño de luminarias artificiales y ha publicado diversos trabajos sobre caracterizaciones near-field de fuentes de luz. El Industrial Mathematics Institute (Linx, Austria) está especializado en el diseño inverso de reflectores asistido por ordenador. El Departamento de Física de la Universidad de Limerik (Irlanda) también cuenta con una línea de investigación en diseño inverso de reflectores. Por último, las dos empresas más importantes delicadas al desarrollo de interfaces gráficas para el diseño de reflectores son Optical Research Associates (http://www.opticalres.com/) y Breault Research Organization (http://www.breault.com/)