مفتاح الإضاءة الخفي: التحكم في الإضاءة المتمركز حول الإنسان من خلال صور RGBD

1. المقدمة

يعد تصميم الإضاءة الداخلية أمرًا بالغ الأهمية لكل من راحة الإنسان وكفاءة الطاقة. في بيئات مثل المكاتب، غالبًا ما تُحفظ الإضاءة عند أقصى مستوياتها، مما يؤدي إلى استهلاك كبير وغير ضروري للطاقة. تشير الأبحاث إلى أن الإضاءة يمكن أن تمثل أكثر من 15٪ من استهلاك الكهرباء في المبنى، لتصل إلى ذروتها عند ما يقرب من 25٪. تركز استراتيجيات توفير الطاقة التقليدية على الاستفادة من ضوء النهار، والتحكم المحلي، والتركيبات الموفرة للطاقة. تقدم هذه الورقة البحثية نظام مفتاح الإضاءة الخفي (ILS)، وهو نظام جديد يضبط الإضاءة ديناميكيًا بناءً على الاحتياجات المحددة ومجال رؤية المستخدمين الأفراد، مما يحقق وفورات كبيرة في الطاقة دون تقليل جودة الإضاءة بشكل ملحوظ.

2. نظام مفتاح الإضاءة الخفي (ILS)

2.1 المفهوم الأساسي والهدف

الفكرة الأساسية لنظام ILS هي جعل توفير الطاقة "خفيًا" بالنسبة للمستخدم. فهو يخفت أو يطفئ المصابيح التي لا تقع ضمن مجال الرؤية الحالي للمستخدم (هرم الرؤية الناتج عن وضعية الرأس)، مع الحفاظ على مستويات إضاءة كافية للمنطقة التي يستخدمها المستخدم بنشاط. هذا فعال بشكل خاص في المساحات الكبيرة قليلة الاشغال مثل المكاتب المفتوحة.

2.2 نظرة عامة على مسار عمل النظام

يتضمن مسار عمل نظام ILS، كما هو موضح في الشكل 2 من ملف PDF، عدة خطوات رئيسية:

1. الحصول على المدخلات: يتم التقاط بيانات RGBD (اللون والعمق) من نظام الكاميرا.
2. تحليل المشهد: يتم إعادة بناء الهندسة ثلاثية الأبعاد والخصائص الضوئية للمواد في الغرفة.
3. التحليل المتمركز حول الإنسان: يتم الكشف عن وجود الإنسان، وتقدير وضعية الرأس (اتجاه النظر).
4. التحكم في الإضاءة: يوجه المخرج إطار عمل لتوفير الطاقة يتحكم في المصابيح الفردية.

3. المنهجية التقنية

3.1 تحليل المشهد من مدخلات RGBD

يستخدم النظام صور RGBD لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للبيئة. يتضمن ذلك تحديد الأسطح واتجاهاتها ومعامل الانعكاس التقريبي (البياض)، وهي أمور حاسمة لمحاكاة دقيقة لانتقال الضوء.

3.2 كشف الإنسان وتقدير وضعية الرأس

يتم استخدام تقنيات الرؤية الحاسوبية للكشف عن الأشخاص في المشهد وتقدير اتجاه رؤوسهم. وهذا يحدد هرم الرؤية - حجم المساحة التي يمكن لهذا الشخص رؤيتها - وهو أمر أساسي في منطق نظام ILS.

3.3 تقدير مستوى الإضاءة المعتمد على الإشعاعية

يستفيد نظام ILS من نموذج الإشعاعية لمحاكاة انتشار الضوء داخل الغرفة. يأخذ هذا النموذج للإضاءة العالمية في الاعتبار الضوء المباشر من المصادر والضوء غير المباشر المنعكس من الأسطح. ويقدر الاستضاءة (باللكس) عند موضع عين الشخص، والتي تعمل كبديل لمستوى الإضاءة الذي يدركه.

4. الإعداد التجريبي والنتائج

4.1 جمع مجموعة البيانات باستخدام مقاييس اللكس

جمع المؤلفون مجموعة بيانات جديدة حيث ارتدى المشاركون أجهزة قياس اللكس على رؤوسهم، محاذاة مع نظرهم، لقياس الاستضاءة الفعلية أثناء أنشطة المكتب.

4.2 أداء توفير الطاقة

في غرفة اختبار تحتوي على 8 مصابيح LED، قلل نظام ILS الاستهلاك اليومي للطاقة من 18,585 واط-ساعة إلى 7,766 واط-ساعة (بما في ذلك 1,560 واط لتشغيل النظام). وهذا يمثل انخفاضًا كبيرًا في طاقة الإضاءة البحتة.

4.3 تأثير الإضاءة المُدركة

على الرغم من توفير الطاقة الكبير، كان الانخفاض في الاستضاءة المقاسة عند عين المستخدم حوالي 200 لكس فقط. عندما تكون الإضاءة الأساسية عالية (على سبيل المثال، >1200 لكس، كما هو معتاد في المكاتب)، يعتبر هذا الانخفاض ضئيلًا ومن المحتمل أن يكون غير محسوس، مما يؤكد ادعاء "الخفي".

5. الرؤى الأساسية والنقاش

• المتمركز حول الإنسان مقابل مجرد الاشغال: يتجاوز نظام ILS أجهزة استشعار الاشغال البسيطة من خلال النظر في مكان نظر الشخص، مما يتيح تحكمًا أكثر دقة.
• توفير واعٍ بالإدراك: يقوم النظام بوضوح بنمذجة والحفاظ على مستويات الإضاءة المُدركة، معالجةً حاجزًا رئيسيًا أمام قبول المستخدم للتحكم الآلي في الإضاءة.
• القابلية للتوسع للمساحات الكبيرة: يتضاعف الفائدة في المكاتب المفتوحة الكبيرة حيث يتطلب شاغل واحد تقليديًا إضاءة مساحة شاسعة.
• التكامل مع أنظمة المباني: يتناسب نظام ILS مع الهرم الأوسع لاستراتيجيات توفير الطاقة (الشكل 1)، حيث يعمل كطبقة ذكية فوق التركيبات الموفرة للطاقة وجني ضوء النهار.

6. التحليل الأصلي: الفكرة الأساسية، التسلسل المنطقي، نقاط القوة والضعف، رؤى قابلة للتطبيق

الفكرة الأساسية: تكمن عبقرية الورقة في تحولها النفسي: بدلاً من مطالبة المستخدمين بتحمل إضاءة أكثر خفوتًا لتوفير الطاقة (وهو اقتراح خاسر)، فإنها تستغل بذكاء قيود النظام البصري البشري. فالضوء خارج مجال رؤيتنا المباشر يساهم قليلاً في سطوعنا المُدرك. يحول نظام ILS هذه الفجوة البصرية إلى سلاح، محولًا إياها إلى خزان للطاقة. يتوافق هذا مع مبادئ التفاعل بين الإنسان والحاسوب حيث تفوز الأتمتة السلسة غير المتطفلة على الأوامر الصريحة للمستخدم، مثل الخوارزميات التنبؤية وراء "الكتابة الذكية" من Google أو اقتراحات Siri الاستباقية من Apple.

التسلسل المنطقي: الحجة منطقية اقتصاديًا. تبدأ بالتكلفة التي لا يمكن إنكارها للإضاءة (مستشهدة بـ Kralikova & Zhou). ثم تنتقد الحلول القاسية مثل أجهزة استشعار الاشغال التي تطفئ الأنوار في الغرف الفارغة ولكنها تفشل في المساحات المشغولة جزئيًا. يتم وضع نظام ILS كخطوة تطورية تالية: تحكم دقيق وواعٍ بالإدراك. التسلسل التقني من مدخلات RGBD → مشهد ثلاثي الأبعاد + وضعية الإنسان → نموذج إشعاعية → تحكم في المصابيح متماسك منطقيًا، حيث يستعير تقنيات رؤية حاسوبية راسخة (مثل تلك الخاصة بـ CycleGAN أو سلالة Mask R-CNN لفهم الصور) ويطبقها على مشكلة تحسين مقيدة جديدة في الفضاء المادي.

نقاط القوة والضعف: قوتها هي إثبات مفهومها المقنع والمُتحقق منه بشريًا. رقم توفير الطاقة البالغ 66٪ مذهل وسيجذب انتباه أي مدير منشأة. ومع ذلك، تكمن العيوب في مجالات القابلية للتوسع والخصوصية. الاعتماد على كاميرات RGBD لتتبع وضعية الرأس بشكل مستمر هو كابوس للخصوصية عند التنفيذ في مكان العمل، مما يثير مخاوف مشابهة لتلك المتعلقة بمراقبة مستودعات أمازون. التكلفة الحسابية للإشعاعية في الوقت الفعلي لمشهد ديناميكي ليست تافهة، وهو تحدٍ معترف به في أبحاث الرسومات من مؤسسات مثل CSAIL التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. بديل "اللكس عند العين"، وإن كان معقولاً، فإنه يبسط بشكل مفرط مقاييس الإدراك مثل الوهج، وتفضيل درجة حرارة اللون، والتأثير على الإيقاع اليومي، وهي مجالات بحث نشطة في مركز أبحاث الإضاءة (LRC).

رؤى قابلة للتطبيق: بالنسبة لشركات تقنيات المباني، فإن الخطوة الفورية هي تجريب نظام ILS في بيئات منخفضة المخاطر على الخصوصية وذات أسقف عالية مثل المستودعات أو القاعات. يجب أن يركز مجتمع البحث على تطوير إصدارات تحافظ على الخصوصية باستخدام أجهزة استشعار حرارية منخفضة الدقة أو أجهزة استشعار عمق مجهولة الهوية، ودمج نماذج إضاءة أبسط وأسرع من الإشعاعية الكاملة. بالنسبة لهيئات المعايير، يؤكد هذا العمل على الحاجة الملحة لتحديث قوانين طاقة المباني لمكافأة الأنظمة الواعية بالإدراك، وليس فقط ناتج اللمنات. تجاهل العامل البشري في حلقة التحكم يعني ترك وفورات طاقة هائلة على الطاولة.

7. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

طريقة الإشعاعية أساسية لنظام ILS. تحل هذه الطريقة لتوزيع الضوء المتوازن في بيئة مكونة من بقع منفصلة. معادلة الإشعاعية الأساسية للبقعة i هي:

$$B_i = E_i + \rho_i \sum_{j=1}^{n} B_j F_{ji}$$

حيث:

• $B_i$: إشعاعية البقعة i (إجمالي الضوء المغادر للبقعة).
• $E_i$: الإشعاعية المنبعثة ذاتيًا (صفر للمصادر غير الضوئية).
• $\rho_i$: معامل الانعكاس (البياض) للبقعة i.
• $F_{ji}$: عامل الشكل من البقعة j إلى البقعة i، ويمثل جزء الطاقة المغادرة من j التي تصل إلى i. هذا مصطلح هندسي يتم حسابه من نموذج المشهد ثلاثي الأبعاد.
• المجموع يحسب الضوء القادم من جميع البقع الأخرى j.

يعدل نظام ILS هذه المحاكاة من خلال التعامل مع المصابيح كبقع مُشعة. من خلال حل نظام المعادلات هذا، يمكنه تقدير الاستضاءة عند أي نقطة (مثل عين المستخدم) عن طريق جمع المساهمة من جميع البقع المرئية. ثم تقوم خوارزمية التحكم بتخفيض سطوع المصابيح التي تقع مساهماتها المباشرة وغير المباشرة الهامة خارج هرم رؤية المستخدم.

8. إطار التحليل: دراسة حالة مثال

السيناريو: موظف واحد يعمل في وقت متأخر في مكتب مفتوح كبير به 20 لوحة LED سقفية.

النظام التقليدي: قد تحتفظ أجهزة استشعار الحركة بجميع الأنوار في المنطقة العامة مضاءة (على سبيل المثال، 15 لوحة)، مستهلكة ~15,000 واط.

تطبيق إطار عمل ILS:

1. المدخلات: تكتشف كاميرا RGBD شخصًا واحدًا على مكتب، مع وضعية رأس موجهة نحو شاشة وأوراق عمل.
2. حساب هرم الرؤية: يحدد النظام حجم رؤية هرمي يمتد من رأس الشخص. فقط 4 لوحات LED تقع مباشرة داخل هذا الحجم أو تضيئه بشكل كبير.
3. محاكاة الإشعاعية: يحسب النموذج أن تخفيض سطوع الـ 16 لوحة الأخرى يقلل الاستضاءة عند موضع العين بمقدار 180 لكس فقط (من 1100 إلى 920 لكس).
4. إجراء التحكم: يخفت نظام ILS الـ 16 لوحة غير الأساسية إلى 10٪ من الطاقة، مع الحفاظ على الـ 4 لوحات الأساسية عند 100٪.
5. النتيجة: ينخفض استخدام الطاقة إلى ~4,000 واط. لا يلاحظ الموظف أي تغيير ذي معنى في سطوع مساحة عمله، حيث تظل منطقة مهمته مضاءة جيدًا. توفر الشركة الطاقة دون التأثير على الإنتاجية أو الراحة.

9. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• تحسين متعدد الشاغلين: توسيع منطق نظام ILS لتحسين الإضاءة ديناميكيًا لأشخاص متعددين بأهرام رؤية قد تكون متضاربة، وصياغته كمشكلة تحسين متعدد الأهداف.
• التكامل مع الإضاءة وفق الإيقاع اليومي: الجمع بين تخفيض سطوع توفير الطاقة وتعديلات درجة حرارة اللون الديناميكية لدعم صحة ورفاهية الشاغل، وفقًا لأبحاث من مؤسسات مثل Well Living Lab.
• الاستشعار المصمم لحماية الخصوصية: استبدال كاميرات RGBD التفصيلية بأجهزة استشعار عمق منخفضة الدقة للغاية أو استشعار وجود مجهول يعتمد على الترددات الراديوية (مثل Wi-Fi أو رادار mmWave) لتخفيف مخاوف الخصوصية.
• الذكاء الاصطناعي على الحافة والنماذج الأسرع: تنفيذ خوارزميات الرؤية والتحكم على رقائق الذكاء الاصطناعي على الحافة داخل تركيبات الإضاءة نفسها، باستخدام نماذج بديلة تقريبية أو مستفادة آليًا للإشعاعية لتمكين التشغيل في الوقت الفعلي.
• ما وراء المكاتب: التطبيق في المتاحف (إضاءة القطعة الفنية التي يتم مشاهدتها فقط)، وتجارة التجزئة (تسليط الضوء على المنتجات التي ينظر إليها العملاء)، والبيئات الصناعية (توفير إضاءة المهام لأعمال التجميع).

10. المراجع

1. Tsesmelis, T., Hasan, I., Cristani, M., Del Bue, A., & Galasso, F. (2019). Human-centric light sensing and estimation from RGBD images: The invisible light switch. arXiv preprint arXiv:1901.10772.
2. International Association of Lighting Designers (IALD). (n.d.). What is Lighting Design?
3. Kralikova, R., & Wessely, E. (2012). Lighting energy savings in office buildings. Advanced Engineering.
4. Zhou, X., et al. (2016). Energy consumption of lighting in commercial buildings: A case study. Energy and Buildings.
5. Lighting Research Center (LRC), Rensselaer Polytechnic Institute. (n.d.). Human Health and Well-Being.
6. He, K., Gkioxari, G., Dollár, P., & Girshick, R. (2017). Mask R-CNN. IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV).
7. Zhu, J., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV).