Efficient algorithms for inverse lighting design
Authors: Γκαραβέλης Αναστάσιος 
Published: September 2021

Ο σχεδιασμός του φωτισμού είναι μια απαιτητική αλλά ουσιαστική διαδικασία που χρησιμοποιείται στην κινηματογραφία, τα παιχνίδια, στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και σε διάφορες άλλες εφαρμογές για τον σωστό φωτισμό ή την ανάδειξη τμημάτων μιας σκηνής και για την ενίσχυση της αφήγησης. Όταν πρέπει να επιτευχθούν κάποιοι συγκεκριμένοι στόχοι και περιορισμοί φωτισμού, αυτή η τυπικά χειροκίνητη διαδικασία μπορεί να γίνει πολύ επαναλαμβανόμενη, χρονοβόρα και να αποκλίνει από το αναμενόμενο αποτέλεσμα σημαντικά, με αποτέλεσμα να δυσκολεύει ακόμη και τους πιο έμπειρους χρήστες. Συνεπώς, η ύπαρξη αυτόματων μεθόδων για τον υπολογισμό της διάταξης του φωτισμού, καθοδηγούμενων από στόχους, συμβάλλει πολύ ουσιαστικά στην επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος, ελαχιστοποιώντας την προσπάθεια και τα πιθανά σφάλματα. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η βελτίωση της διαδικασίας του αντίστροφου σχεδιασμού φωτισμού (inverse lighting design). Σημαντικό και χρονοβόρο τμήμα της διαδικασίας είναι η αλγοριθμική εκτίμηση του ολικού φωτισμού σε ένα περιβάλλον, δεδομένης μιας παραμετροποίησης για τα φωτιστικά σώματα, προκειμένου να υπολογιστεί η απόκλιση από τον επιθυμητό φωτισμό. Για αυτό το σκοπό, παρουσιάζουμε μια γενική προσέγγιση που βελτιώνει την αποτελεσματικότητα των ογκομετρικών μεθόδων ολικού φωτισμού, χρησιμοποιώντας συμπίεση του πεδίου της λαμπρότητας, τη βελτιστοποίηση της τοποθέτησης των σημείων υπολογισμού της λαμπρότητας και της προσέγγισης της έμμεσης σκίασης, ανεξαρτήτως από την εκάστοτε οπτική γωνία. Η βελτίωση της απόδοσης και της αποτελεσματικότητας των αλγορίθμων υπολογισμού του ολικού φωτισμού δεν ωφελεί μόνο τον αντίστροφο σχεδιασμό φωτισμού αλλά και τις εφαρμογές απόδοσης γραφικών πραγματικού χρόνου. Στη συνέχεια, ερευνήσαμε και προσφέρουμε δύο μεθόδους που επιλύουν το γενικό πρόβλημα αντίστροφης σχεδίασης φωτισμού, εστιάζοντας σε σκηνές με υψηλή γεωμετρική πολυπλοκότητα, δεδομένου ενός συνόλου στόχων φωτισμού καθορισμένων από το χρήστη. Η προσέγγισή μας βασίζεται σε μια στρωματοποιημένη στρατηγική γραμμικής / μη γραμμικής βελτιστοποίησης και στην εισαγωγή ενός ειδικού ευρετηρίου πηγών φωτός σύμφωνα με τη συμβατότητα της κάθε μεμονωμένης θέσης φωτισμού σε σχέση με τον επιθυμητό φωτισμό. Επιπρόσθετα, για να ελαχιστοποιήσουμε τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων πηγών φωτός, συνεισφέραμε με μια μέθοδο που χρησιμοποιεί μια ειδική ιεραρχική ομαδοποίηση φωτεινών πηγών, η οποία λειτουργεί στον χώρο της "κάλυψης του επιθυμητού φωτισμού" και ξεπερνά τους περιορισμούς των προηγούμενων προσεγγίσεων σε περιβάλλοντα με πολλά εμπόδια στο φωτισμό ή δομική πολυπλοκότητα. Και οι δύο προσεγγίσεις είναι ανεξάρτητες από το εκάστοτε μοντέλο μεταφοράς φωτός που θα χρησιμοποιηθεί και μπορούν γρήγορα να συγκλίνουν σε χρήσιμες προτάσεις φωτισμού. Στην κατηγορία της βελτίωσης του φωτισμού με αντιληπτικά κριτήρια, παρουσιάζουμε δύο μεθόδους που αναδεικνύουν τα εξέχοντα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αντικειμένων, ενισχύοντας την τοπική φαινομενική αντίθεση κοντά σε αυτά. Η πρώτη μέθοδος υπολογίζει μια διάταξη κατευθυντικών πηγών φωτισμού και βασίζεται σε έναν μηχανισμό ψηφοφορίας και παράγει σταθερά και ανεξάρτητα από την προβολή αποτελέσματα. Επεκτείνοντας αυτή την ιδέα και στοχεύοντας σε μοντελοποίηση φωτισμού για πραγματικούς χώρους, όπως φωτιστικές εγκαταστάσεις εκθέσεων, παρουσιάζουμε μια μέθοδο για την αυτοματοποιημένη διαρρύθμιση φωτιστικών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων και φώτων τύπου σποτ, πάνω ή κοντά σε διάφορες επιφάνειες στήριξης των πηγών, επιλεγμένες από τον χρήστη. Η τεχνική μας παράγει την πιο κατάλληλη θέση και προσανατολισμό για τις πηγές φωτός με βάση μια τοπική μεγιστοποίηση της φαινομενικής αντίθεσης και με έναν μηχανισμό ομαδοποίησης προτείνεται και ο τελικός αριθμός των φωτιστικών σωμάτων.