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376Edition : 05.12.2006 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul
La simulation et le calcul de l’éclairage sont devenus des éléments essentiels des études d’éclairage, ouvrant la voie à l’élaboration créative par ordinateur de solutions d’éclairage. Leurs applications vont de la valorisation de concepts expérimentaux aux présentations photoréalistes. Les procédés de calcul fournissent des analyses quantitatives utilisées pour vérifier les éclairements nécessaires. Une connaissance des principes d’éclairage de base est primordiale pour utiliser efficacement ces instruments.
Introduction à la simulation
Exemples d’études
CalculsSimulation de l’éclairage
Données de calcul
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Les architectes et les bureaux d’études ont recourt à diverses méthodes pour traduire les idées et les détails techniques avant de communiquer leurs études d’éclairage. Dès la phase initiale, les concepts peuvent ainsi être facilement comparés ce qui permet de prendre les décisions adéquates depuis les premières étapes à la finalisation. La technique numérique utilisée pour effectuer les simulations a développé, depuis les années 80, des méthodes qui ont fait leurs preuves, notamment pour réaliser les esquisses, les maquettes, les échantillonnages et les dessins.
E GuideSimulation et calculIntroduction à la simulation
Evaluation et présentation
Simulation quantitative et qualitative
Simulation et traitement de l’image
Simulation et réalité Processus d’étude Interaction
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Evaluation et présentation La distinction faite entre les modèles de travail et les modèles de présentation vaut également en simulation. Les premiers facilitent le processus de conception grâce à des variantes approximatives et schématiques. Ils s’opposent aux modèles de présentation, réalisés avec finesse et précision. Dans le cadre des études d’éclairage, les esquisses, dessins numériques ou retouches photographiques sont des techniques de visualisation rapides. Une simulation approximative de l’éclairage peut ensuite être mise à profit pour des études approfondies, sans qu’il soit nécessaire de définir précisément les matériaux et les appareils d’éclairage. On peut enfin poursuivre la simulation sur des surfaces réalistes comme avec des appareils d’éclairage virtuels et leurs données photométriques correspondantes.
E GuideSimulation et calculIntroduction à la simulation
Simulation et traitement de l’image
Si la simulation associe généralement des modèles en 3D et une illustration précise de l’effet lumière, les visualisations schématiques font souvent appel au traitement numérique de l’image en deux ou en trois dimensions. Ce dernier permet de rester abstrait et est rapide à mettre en œuvre. Cette méthode a toutefois ses limites lorsque la pièce à éclairer est complexe, car elle ne fournit que peu de précisions sur l’échelle et la complexité géométrique, précisions indispensables à une étude approfondie.
Simulation quantitative et qualitative
Les études d’éclairage impliquent deux types de simulation: la simu lation quantitative, qui fait appel à des valeurs numériques physiques correctes pour vérifier les éclairements et les luminances exigées par les normes en vigueur; et la simulation qualitative, qui place l’ambiance au premier plan et permet au consultant en éclairage de présenter sa vision esthétique d’un projet d’éclairage.
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E GuideSimulation et calculIntroduction à la simulation
Simulation et réalité La qualité d’une simulation se mesure souvent à sa proximité avec la réalité et à la réponse à la question suivante : le rendu estil juste du point de vue physique ou s’agitil d’une représentation photoréaliste ? L’appréciation de la justesse des données physiques se fonde sur les valeurs numériques de la simulation quantitative. Un affichage sur ordinateur ou une impression couleur ne peuvent en aucun cas produire le même effet que l’environnement réel. Ainsi, de même qu’un photographe règle l’incidence de la lumière en ouvrant ou en fermant le diaphragme, une décision analogue doit être prise pour réaliser un rendu. S’ajoute à cela le contraste maximal du média de sortie. Une impression couleur, un affichage d’écran ou une image projetée par un vidéoprojecteur ne restituera jamais un contraste de luminance conforme à la réalité.L’impression photoréaliste produite par une simulation qualitative tient plutôt à la précision de la représentation de l’effet de lumière, notamment des jeux d’ombres et de lumières ou de la réflexion de la lumière.
Interaction Pour visualiser sans délai les modifications apportées, l’utilisateur apprécie de pouvoir réaliser une simulation de manière interactive. Compte tenu du niveau actuel de la technologie, les programmes ne sont interactifs que dans une certaine mesure. En outre, cela dépend considérablement du matériel utilisé. Ainsi, les programmes permettent générale ment d’intervenir de façon interactive sur la géométrie, le positionnement de l’objectif et la texture, mais aussi, plus simplement, sur les sources lumineuses et les propriétés des matières. Ce n’est pas encore le cas sur les reflets, les ombres complexes et la lumière indirecte.
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E GuideSimulation et calculIntroduction à la simulation
Processus d’étude L’efficacité de la simulation d’éclairage dans le processus d’étu de dépend du degré de détail et de la coopération avec un spécialiste. De plus, le temps et les moyens consacrés au projet sont conditionnés par l’ampleur et la précision souhaitée pour la représentation définie. Pour mettre en œuvre une simulation d’éclairage, les bureaux d’études peuvent choisir de procéder en interne ou de recourir à un prestataire spécialisé. La première option ouvre la voie à la réalisation d’un rendu en parallèle avec le processus de conception. En revanche, lorsque diverses simulations sont confiées à un pres tataire externe, l’échange d’informations est plus contraignant. Plus expérimenté, le prestataire fournit toutefois des résultats plus rapi dement et contribue ainsi à réduire les coûts du bureau d’études. La simulation d’éclairage s’articule en quatre volets: la modélisation géométrique, la définition des matériaux, l’éclairage du modèle et le processus de rendu.
381Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
La simulation d’éclairage s’est imposée comme une méthode précieuse pour visualiser et vérifier l’éclairage. Elle nécessite tout d’abord quelques opérations pour l’organisation préliminaire du rendu : l’idée et l’ébauche du concept, la maquette CAO en 3D et les précisions relatives aux sources lumineuses et aux propriétés des surfaces. Les simulations d’éclairage professionnelles nécessitent des logiciels spécialisés, par exemple 3ds VIZ/Max ou DIAlux. En revanche, la plupart des programmes CAO ne permettent pas de réaliser des simulations d’éclairage ou parfois uniquement sur le plan physique.
E GuideSimulation et calculSimulation de l’éclairage
Modèle en 3D LumièreSurface
Rendu MatérielEvaluation
Logiciel Développements
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Point de départ de la simulation, les données 3D d’une pièce sont utilisées pour calculer les images correspondantes. Ces données peuvent provenir de programmes CAO basiques ou d’applications spécialisées. Si le bureau d’études utilise déjà des données 3D, il peut les importer via le logiciel de simulation d’éclairage. Plus le modèle en 3D sera complexe et détaillé, plus la simulation d’éclairage exigera des efforts et du temps.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageModèle en 3D
Exporter et importer des données
GéométrieTopologie
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Exporter et importer des données
Lorsque le modèle en 3D existe sous un autre programme que celui utilisé pour la simulation, il est possible d’exporter, puis d’importer les données correspondantes. Les modèles en 3D impliquent des données complexes ; aussi l’utilisateur doit il prévoir d’éventuelles erreurs et effectuer manuellement les corrections nécessaires. Il est conseillé d’exporter les fichiers sous plusieurs formats usuels tels que DWG, DXF et 3DS.
E
Topologie Les programmes CAO font de plus en plus appel à des fonctions spécialisées dans le bâtiment pour générer notamment des piliers ou des plafonds. Toutefois, il reste souvent difficile de déterminer si ces éléments sont composés de surfaces ou de volumes. L’utilisateur des programmes de simulation se trouve ainsi confronté aux éléments en 3D de base, sans aucune information sur les composants. Un point, une ligne, une surface et une normale : le point est défini par les coordonnées X, Y et Z, la ligne par deux points et la surface par trois points. La normale est perpendiculaire à la surface et signale sa face avant. Après une exportation à partir d’un programme CAO orienté composants, l’utilisateur est contraint, en cas de modification de la géométrie dans un programme de simulation, de considérer une autre structure.
GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageModèle en 3D
384Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
E
Géométrie Les modèles CAO ne répondant pas aux mêmes exigences que celles utilisées pour la simulation d’éclairage, leur géométrie pose fréquemment des problèmes pendant la simulation. Par exemple, sous un programme CAO, si la réalisation en haute résolution de câbles métalliques d’une rampe d’escalier de forme cylindrique ne pose aucune difficulté, il est autrement plus compliqué de calculer la surface des cylindres sur le rendu. L’utilisateur doit donc en tenir compte dès l’élaboration de la maquette en 3D et les réglages liés à l’export. Les simulations nécessitant toujours de nombreux calculs, l’optimisation de la géométrie réduit considérablement l’effort consacré aux simulations d’éclairage. L’élaboration des détails les plus précis sur une couche inactive spécifique peut diminuer le temps de calcul. Pour accélérer les calculs intermédiaires, il est également recommandé d’utiliser une structure en couches basée sur les matériaux.
GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageModèle en 3D
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Les matériaux ne peuvent être identifiés qu’en définissant les propriétés des surfaces. Les programmes de simulation prévoient des réglages plus ou moins complexes, selon la précision voulue.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageSurface
Shading Texture
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Shading Le terme anglais « shading » signifie ombrage. Le « shader » permet à l’utilisateur de définir les caractéristiques d’éclairage des surfaces en fonction de la couleur, du degré de réflexion et de la transparence. Ces informations déterminent l’effet produit sur l’objet éclairé et sur son l’environnement. Ainsi, l’effet de lumière des matériaux dépend toujours du type et de l’emplacement des sources lumineuses, et seule l’association des éléments de shading et de l’éclairage le rend visible: les points brillants n’apparaissent sur les surfaces réfléchissantes qu’à travers la lumière produite par les sources lumineuses.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageSurface
Texture Pour dépasser la représentation simple de la couleur des objets, des textures peuvent être attribuées aux différentes surfaces. Cette technique du « mapping » fait notamment appel à des motifs graphiques abstraits ou à des photos. Ainsi, les programmes de simulation disposent de bibliothèques entières de matériaux, pour représenter du bois ou du béton, par exemple. Des procédés de mapping spécifiques (bump mapping) sont utilisés pour intervenir sur les microstruc tures et reproduire l’impression dégagée par les surfaces d’une pièce.L’effet produit par les photos utilisées est particulièrement réaliste. Un résultat de bonne qualité passe par une résolution élevée, une prise de vue de face, sans reflet de lumière ni distortion à travers la lentille.
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Lorsque le concepteur souhaite suggérer l’ambiance d’une pièce, la lumière est l’un des principaux vecteurs de la visualisation. Elle participe pleinement à la perception de l’environnement et influe sur la façon dont pièces et objets sont interprétés. Simuler la lumière avec un rendu sur un modèle en 3D est un processus de longue haleine. Pour y parvenir, l’utilisateur peut recourir à des sources lumineuses normalisées ou à des données numériques reproduisant l’incidence de véritables appareils d’éclairage.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageLumière
Eclairage direct Eclairage indirect Sources lumineuses
Lumière du jour
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E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageLumière
Eclairage direct Avec un éclairage direct, le faisceau lumineux va de la source lumineuse à la surface visée. S’il ne rencontre aucun obstacle, son point d’impact sur cette surface est considéré comme éclairé. Possible depuis les débuts de l’infographie, le calcul de l’éclairage direct n’est pas très complexe. Il a néanmoins l’inconvénient majeur de ne pas représenter l’éclairage indirect. Une pièce éclairée par des appareils pour l’éclairage du plafond se trouvera ainsi entièrement plongée dans l’obscurité, sauf sur les zones du plafond directement éclairées.
Eclairage indirect L’éclairage indirect résulte de la réflexion de la lumière sur une surface. Le degré de réflexion de cette surface et le degré de dispersion de la lumière, souvent idéalisé, influent sur la lumière indirecte réfléchie. Pour montrer une pièce sous un angle réaliste, il convient de calculer le plus grand nombre possible d’interréflexions afin d’obtenir une répartition naturelle de la lumière. Ce n’est qu’à partir des années 90 que les progrès de l’informatique ont permis d’effectuer des calculs complexes. Le calcul de l’éclairage indirect est également connu sous le terme d’« éclairage global ».
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Sources lumineuses Répartition de la lumière
Les programmes de simulation comprennent toute une gamme de sources lumineuses pour un éclairage concentré, ponctuel, général ou encore une lumière solaire. Toutefois, pour représenter certains appareils, il convient d’utiliser une interface capable d’importer les données relatives à leur répartition de la lumière. Disponibles auprès de la plupart des fabricants d’appareils d’éclairage, ces données décrivent la répartition de l’intensité lumineuse de chaque appareil. Le format IES utilisé à cet effet est un format international courant. Par exemple, les appareils d’éclairage à répartition asymétrique de la lumière, comme les projecteurs à faisceau mural ou les appareils pour l’éclairage du plafond, ne peuvent faire l’objet de calculs pertinents. Des accessoires tels qu’une lentille à sculpture influent sur la répartition de la lumière et impliquent des données spécifiques.
Lumière du jour Le rapport entre la lumière du jour, la lumière solaire à incidence directe et la lumière céleste diffuse confère leur réalisme aux simulations. Si la lumière du jour peut facilement être calculée pour des présentations et des études d’ombres, l’analyse quantitative est autrement plus complexe. Des informations précises sur l’éblouissement au niveau du poste de travail et la chaleur transmise par différentes verriè res de protection contre le soleil ne peuvent être obtenues que par le biais de logiciels et d’ou tils d’analyse spécifiques.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageLumière
Sources lumineuses Modèle en 3D
Si, en plus d’une simulation quantitative de l’éclairage, l’utilisateur souhaite représenter l’incidence des appareils d’éclairage dans une pièce, il doit utiliser des maquettes en 3D de ces appareils. Ainsi, certains fabricants proposent des appareils virtuels qui reprennent la géométrie en 3D des appareils réels, les propriétés des surfaces, les axes de rotation opérationnels et la répartition de l’intensité lumineuse. La cinématique inversée permet de disposer les projecteurs de manière rapide et réaliste, de sorte que les éléments mobiles des appareils sont automatique ment ajustés en fonction de l’orientation donnée à la répartition de la lumière par l’utilisateur.
390Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
Le « moteur de rendu » génère des images photoréalistes à partir d’un modèle en 3D. Chaque programme de simulation a ses propres méthodes de rendu, avec ses avantages et ses inconvénients. L’expérience montre que l’évolution des capacités informatiques génère de nouveaux modes de calcul tous les trois à quatre ans. Toutefois, si des progrès considérables sont réalisés au niveau des programmes de simulation, la qualité du rendu relève aussi en grande partie des compétences de l’utilisateur.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageRendu
Radiosité Photonmapping Raytracing
391Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageRendu
RadiositéAvec le calcul de l’éclairage par radiosité, les faisceaux sont émis par la source lumineuse et réfléchis dès leur incidence sur une surface. Ce processus se reproduit un certain nombre de fois et prend ainsi en compte la lumière réfléchie par d’autres surfaces.La radiosité présente l’avantage majeur de stocker les propriétés lumineuses dans un maillage appliqué à la géométrie du modè le. Le repère photo peut ainsi être modifié ultérieurement, sans qu’un nouveau calcul soit nécessaire.En revanche, la radiosité a pour inconvénient d’allonger le temps de calcul en présence de détails, de sphères ou de scènes complexes impliquant de très nombreux polygones. En vue d’un calcul plus rapide, un maillage relativement grossier d’indices de réflexion peut néanmoins engendrer une répartition erronée de l’éclairement.
Photon-mapping Le photonmapping fonctionne comme le raytracing. Si ce dernier considère les faisceaux depuis le centre optique, le photonmapping s’appuie sur les faisceaux émis par la source lumineuse et constitués de particules virtuel les, ou photons, à l’origine de l’émission de lumière dans la pièce. Lorsqu’ils rencontrent une surface, les photons sont réfléchis et les indices de lumination sont enregistrés au point d’impact. Les caractéristiques des photons sont mémorisées sur une seule carte, ou « photon map », qui est donc indépendante de la géométrie et peut être utilisée en réseau pour des simulations utilisant des calculs dispersés. La position de l’objectif peut ainsi être modifiée sans qu’un nouveau calcul soit nécessaire, ce processus ne pouvant néanmoins s’effectuer de manière interactive.
La radiosité, qui compte parmi les premières méthodes de calcul de l’éclairage, a été largement diffusée en raison de la possibilité ainsi offerte de calculer l’éclairage diffus indirect. Si l’animation d’une maquette d’architecture n’implique qu’un nouveau réglage de l’objectif, la lumière restant inchangée, un unique calcul suf fit pour différentes perspectives.
Plus le modèle compte de photons, plus les transitions du ren du peuvent être précises, ce qui accroît d’autant la complexité des calculs. Plus le nombre de réflexion est important, plus la qualité et la précision de la carte des photons deviennent pertinentes. Les points ainsi obtenus peuvent ensuite être fondus par le biais d’un lissage, ou gathering.Le photonmapping sert aujourd’hui de base à des procédés de calcul approfondis. Pour mieux représenter les détails, cette méthode est utilisée en combi nai son avec le raytracing. Le recours exclusif au raytracing peut s’avérer plus contraignant avec les maquettes où les sources lumineuses sont particulièrement petites ou brillantes.
392Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
RaytracingA la différence de la radiosité et du photonmapping, le raytracing, ou méthode de MonteCarlo, n’est pas fondé sur des faisceaux émis par les sources lumineuses, mais sur des faisceaux allant du centre optique à la maquette et aux sources lumineuses. S’ils rencontrent une surface, les autres faisceaux sont étudiés pour déterminer si le point d’impact réfléchit la lumière ou retient les ombres. Le résultat est représenté comme pixel sur un plan focal. Plus le nombre de surfaces réfléchissantes et la résolution du plan focal sont élevés, plus les faisceaux sont nombreux et les calculs nécessaires à la simulation contraignants.L’avantage du raytracing réside dans la précision avec laquelle les détails et les ombres les plus petites sont représentés. En revanche, cette méthode s’appuyant sur un plan focal, toute modification du
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageRendu
point de vue et de la direction de visée requiert un nouveau calcul. Les scènes riches en contrastes sont particulièrement problématiques, car les faisceaux aléatoires utilisés dans les calculs partent de l’œil et les ouvertures telles des petites fenêtres sur un grand mur peuvent ne pas être prises en compte dans un premier temps.
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De même que l’on évalue les photos selon des critères de qualité techniques, les acteurs des études d’éclairage peuvent rechercher d’éventuelles erreurs sur les rendus. Si la première impression est souvent décisive concernant la vue d’ensemble esthétique et la similitude des effets de lumière avec l’environnement naturel, plusieurs critères peuvent être pris en compte en vue d’une évaluation technique critique. A la volonté d’obtenir une représentation la plus précise possible s’oppose la contrainte d’une modélisation détaillée et d’un allongement du temps de calcul. Il s’agit, par conséquent, de trouver pour chaque simulation le compromis adéquat entre précision et vitesse.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageEvaluation
Conception de l’image
Artefacts
394Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
Conception de l’image L’évaluation de la conception d’une image porte avant tout sur des aspects esthétiques. Isométrie, perspective centrale ou à deux points de fuite, la perspective détermine l’effet produit en termes de géométrie et de naturel. La luminosité, le contraste et la saturation, tout comme des surfaces définies avec soin, contribuent également au réalisme de la représentation.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageEvaluation
395Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
Artefacts La justesse des réglages effectués pour le calcul de l’image se vérifie par les artefacts observés. Ainsi, la présence sur les arêtes courbes d’effets de crénelage, par exemple des arêtes anguleuses et des jonctions rigides, est révélatrice de calculs insuffisants.Les durées de calcul sont souvent considérablement réduites lorsque seuls quelques points échantillons sont fusionnés après avoir été lissés. Si ce procédé passe inaperçu sur des surfasses lisses, les erreurs qui en résultent sont en revanche manifestes sur des formes complexes et de petite taille. Cet aspect revêt toute son importance en présence de forts contrastes de luminance sur des détails. Le même constat s’applique pour les dégradés de luminance sur les arêtes ou les ombres trop faibles d’un objet, liées à une interpolation trop marquée du nuançage d’une pièce.Une trame du maillage trop gros sière ou un placement non optimal des composants peuvent fausser la répartition de la lumiè re, notamment si le faisceau lumineux se retrouve à traverser une paroi ou un plafond.
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageEvaluation
Pièce avec quelques points échantillons
Pièce avec plusieurs points échantillons
Ombres avec forte interpolation Détails ombrés avec forte interpolation
Ombres avec bonne interpolation Surfaces avec quelques points échantillons
396Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageMatériel
En simulation d’éclairage, l’utilisation d’un matériel hautement performant est plus significatif en termes de puissance de calcul, que dans d’autres domaines d’applications tels que la communication ou le traitement de texte, par exemple. Une simulation efficace repose avant tout sur l’interaction du processeur, du disque dur et de la carte graphique.
Processeur Mémoire vive Carte graphique
397Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageMatériel
Processeur Le processeur (CPU, Central Processing Unit, aussi appelé unité centrale) fournit la puissance de calcul. Le doublement de la vitesse d’un processeur réduit de moitié le temps de calcul nécessaire à la réalisation d’un rendu. On recommande aujourd’hui l’utilisation de biprocesseurs, certaines stations de travail possédant plusieurs unités centrales. Face à des tâches complexes, l’utilisateur peut recourir à d’autres ordinateurs en réseau en vue d’un cal cul distribué.
Mémoire vive La mémoire vive (RAM, Random Access Memory) n’influe pas directement sur la vitesse de calcul. Elle détermine en premier lieu la taille maximale d’une scène à traiter avant que l’ordinateur n’enregistre les données sur le disque dur. Cet enregistrement est lent et entrave le processus de rendu. Cette dépendance n’est pas linéaire, aussi la puissance de calcul descend fortement à partir d’une certaine valeur limi te. Lorsque le calcul se déroule fréquemment en parallèle avec le fonctionnement du disque dur, il convient d’accroître la mémoire vive.
Carte graphique La carte graphique détermine l’amplitude potentielle de l’interactivité avec la maquette en 3D, notamment pour des objets texturés. Si elle influe moins sur la vitesse de calcul proprement dite, plusieurs évolutions indiquent néanmoins qu’elle pour rait également intervenir dans la simulation.
398Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageLogiciel
Il existe une large palette de programmes de simulation d’éclairage, qui couvrent diverses applications allant des analyses quantitatives aux visualisations complexes. Pour déterminer si une simulation d’éclairage physique correcte peut être effectuée avec un logiciel, l’utilisateur peut se référer à la partie du Guide relative au support de l’éclairage global en matière de radiosité et de formats IES ou Eulumdat. Le cas échéant, il peut également joindre les données photométriques aux données DXF correspondantes.
DIALux Autodesk Radiance
399Edition : 01.03.2010 | Version actuelle sur www.erco.com
DIALux DIALux est un logiciel gratuit d’études d’éclairage destiné au calcul et à la visualisation. Ce programme a été lancé par le Deutschen Institut für Angewandte Lichttechnik (DIAL). Le logiciel DIALux permet de réaliser une analyse quantitative, simple et rapide, d’une étude à partir d’une fonctionnalité unique de 3D et de rendu. Le format de données ULD pour les appareils d’éclairage inclut la géométrie en 3D des appareils, la répartition de l’intensité lumineuse ainsi qu’une description de l’article. Les plugins du fabricant d’appareils d’éclairage comprennent des données de calcul supplémentaires, notamment les facteurs de maintenance et les valeurs UGR.Pour plus d’informations sur le logiciel DIALux : www.dialux.com
Autodesk Avec le logiciel VIZ, la société Autodesk propose un programme dédié à des visualisations complexes. Les données des appareils d’éclairage pour Autodesk VIZ ou 3ds Max comprennent la maquette en 3D de l’appareil d’éclairage, les propriétés des surfaces et les textures, mais aussi la flexibilité des composantes (cinématique inversée). La cinématique inversée permet d’orienter les projecteurs avec un nombre de réglages limité. La simulation d’éclairage requiert des données photométriques supplémentaires. Autodesk VIZ et 3ds Max permettent d’effectuer un calcul de radiosité et d’obtenir ainsi une simulation d’éclairage physique correcte.
Radiance Radiance est un programme professionnel pour la simulation d’éclairage, développé par Berkeley Lab. Son importante gamme d’outils de calcul et d’analyse, qui requiert des connaissances particulièrement approfondies des systèmes d’exploitation et des interpréteurs de commande, trouve ses applications dans les installations de recherche et les entreprises spécialisées. En raison de sa complexité, ce programme ne convient pas pour représenter rapidement une étude d’éclairage qualitative. L’utilisation de données d’appareil d’éclairage IES permet de réaliser une simulation d’éclairage physique correcte.
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E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageDéveloppements
En comparaison avec d’autres technologies comme la photographie numérique ou la publication assistée par ordinateur, la visualisation en 3D est en perpétuelle évolution. Les innovations en la matière peuvent considérablement modifier le déroulement du travail d’ici les prochaines années. Un certain nombre d’évolutions devrait profiter à la simulation d’éclairage.
HDR Spectre lumineux Rendu en temps réel
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E GuideSimulation et calcul | Simulation de l’éclairageDéveloppements
HDRHDR, « High Dynamic Range », correspond à un format technique capable de mémoriser et de représenter un fort contraste de luminance. Aujourd’hui, les périphériques de sortie graphiques fonctionnent pour la plupart en régime « Low Dynamic Range », avec 255 gradations par canal de couleur en RVB (8 bits). Si dans une scène, le contraste de luminance est très marqué, par exemple par le soleil, certaines zones peuvent être jusqu’à 100 000 fois plus claires que les zones ombrées. L’enregistrement de l’image correspondante au format .TIFF ou .jpg s’accompagne d’une compression du contraste maximal, laquelle réduit la clarté du soleil à seulement 255 fois celle de l’ombre et lui confère la même couleur qu’un vase blanc : la reproduction du contraste de luminance est altérée. En revanche, le contraste maximal reste inchangé pour des
Spectre lumineux La plupart des modules de simulation ne permettent pas encore de représenter la qualité du rendu des couleurs, les données et programmes adéquats n’étant pas encore disponibles. Les logiciels existants ne calculent pas l’intégralité du spectre visible de la lumière, mais uniquement certains segments : le rouge, le vert et le bleu. Les différentes lampes ne présentant pas un spectre uniforme, le rendu des couleurs est inégal et n’est donc pas pris en charge par les programmes de simulation. En l’état actuel de la technique, il est impossible de faire certaines prévisions, par exemple concernant le rendu des couleurs des textiles dans un magasin. Cela nécessiterait en effet de définir les propriétés spectrales tant des sources lumineuses que des surfaces.
Rendu en temps réel Les simulations impliquent toujours un délai entre la saisie des données et l’obtention du résultat, d’où le souhait d’un calcul en temps réel, déjà possible pour de nombreuses fonctions. Or les progrès techniques s’accompagnent souvent d’exigences accrues en termes de représentation, ellesmêmes induisant un ralentissement de la vitesse de calcul. La technologie en temps réel reçoit des impulsions liées au fonctionnement de l’ordinateur, qui ont une influence directe sur la cadence des expositions. L’ordinateur permet d’effectuer des calculs préalables contraignants, peu usuels en simulation archi
tecturale. Les fabricants de programmes de rendu élaborent ainsi des solutions basées sur les fonctionnalités matérielles de cartes graphiques performantes.
images au format HDR (32 bits), ouvrant ainsi la voie à de nouvelles possibilités de postlumination ou de rendus. Si cette pratique a déjà cours, le développement de moniteurs compatibles HDR permettra à cette technologie de franchir un nouveau cap. A moyen terme, le format HDR prendra la relève des formats d’image actuels. Le format RAW est déjà une première étape en ce sens.
Répartition spectrale relative Lampe à incandescence
Répartition spectrale relative Lampe à décharge haute pression
402Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Les études d’éclairage nécessitent toute une série de calculs d’ordre technique et économique. Ces derniers portent généralement sur le niveau d’éclairement moyen ou l’éclairement précis des différents points d’une pièce. Il peut également être important de déterminer la luminance des différentes zones en présence, les qualités de l’éclairage comme le nuançage et la restitution des contrastes, ou encore les coûts d’une installation d’éclairage, frais de maintenance inclus.
E GuideSimulation et calculCalculs
Puissance installée Facteur de maintenance
Eclairements ponctuels
Donnée UGR Coûts de l’éclairage Calcul de l’éclairement moyen
403Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Les études relatives à la puissance installée consistent à déterminer, pour des appareils d’éclairage et des sources lumineuses donnés, la puissance installée nécessaire, autrement dit le nombre d’appareils requis, pour obtenir l’éclairement voulu. De fait, pour une puissance installée et des lampes données, il est possible de calculer l’éclairement moyen. La puissance installée sert à une implantation régulière des appareils. A titre indicatif, les fabricants d’appareils d’éclairage fournissent des tableaux faisant figurer les éclairements par nombre d’appareils.
E GuideSimulation et calcul | CalculsPuissance installée
Nombre d’appareils Eclairement
404
Specifications 22227.000 Connected load of one luminaire P: 66.0 WConnected load per 100lxP*: 2.81 W/m2
Em Maintained value of illuminance DIN EN 12464
f Correction factor from separate correction table 0.93
MF Maintenance factor, reference value 0.80
Example with P*
Em · a · b · P*n = P · f · MF
500lx · 12m · 14m · 2.81W/m2
n = 66W · 0.93 · 0.81 · 100lx
n = 48
Specifications 22227.000 Connected load of one luminaire P: 66.0 WConnected load per 100lxP*: 2.81 W/m2
Em Maintained value of illuminance DIN EN 12464
f Correction factor from separate correction table 0.93
MF Maintenance factor, reference value 0.80
Example with P*
n · P · f · MFEm = a · b · P*
48 · 66W · 0.93 · 0.80 · 100lxEm = 12m · 14m · 2.81W/m2
Em =499
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Nombre d’appareils Le nombre d’appareils nécessaire pour un éclairement donné dépend de la puissance installée par appareil et 100lx. Pour garantir un même éclairement pendant toute la durée de fonctionnement, il convient également de tenir compte du facteur de maintenance. Les valeurs fournies valant pour une pièce type, un coefficient de correction s’impose en cas de conditions plus spécifiques.
E
Eclairement Le calcul de l’éclairement pour un nombre donné d’appareils nécessite de connaître la puissance installée par appareil et pour 100lx. Le facteur de maintenance permet de déterminer la valeur de maintenance de l’éclairement. Cette valeur indique le niveau d’éclairement maximal à ne pas dépasser une fois l’installation d’éclairage en service. Les valeurs fournies valant pour une pièce type, un coefficient de correction s’impose en cas de conditions plus spécifiques.
GuideSimulation et calcul | CalculsPuissance installée
405Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
L’éclairement à certains points d’une pièce se calcule suivant la règle sur la distance photométrique : l’éclairement diminue proportionnellement au carré de la distance de la source lumineuse. Ce calcul ne tient pas compte de l’éclairage indirect. Les éclairements ponctuels peuvent être calculés pour l’éclairage assuré par un seul ou plusieurs appareils. Pour les zones étroites dotées d’appareils individuels, le calcul peut également être effectué manuellement. En revanche, les programmes d’études d’éclairage trouvent leur application en présence d’un grand nombre d’appareils et de points éclairés. Ils prennent également en compte l’éclairage indirect. Les programmes peuvent déterminer l’éclairement pour toutes les surfaces de délimitation spatiale et tous les degrés d’utilisation. La représentation graphique est assurée par des diagrammes Isolux ou des représentations en fausses couleurs.
E GuideSimulation et calcul | CalculsEclairements ponctuels
406Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Pour assurer l’éclairement nécessaire pendant une période donnée, les études d’éclairage prévoient un facteur de maintenance MF (Maintenance Factor), qui prend en compte la diminution du flux lumineux d’une installation d’éclairage. La valeur de l’éclairement s’obtient ainsi à partir de la valeur de maintenance de l’éclairement et du facteur de maintenance. Le plan d’entretien détermine les intervalles de nettoyage des appareils d’éclairage et de la pièce, ainsi que le changement des lampes. La valeur de maintenance de l’éclairement dépend par conséquent des appareils d’éclairage, des lampes et des conditions ambiantes.
Facteur de maintenance des appareils d’éclairage
Facteur de maintenance de la pièce
E GuideSimulation et calcul | CalculsFacteur de maintenance
Facteur de maintenance du flux lumineux
Facteur de durée de vie d’une lampe
407
Cleaning frequency (a)Environmental conditionsA Open luminairesB Opentop reflectorsC Closedtop reflectors D Closed reflectors E Dustproof luminairesF Luminaires with indirect emission
1 2 3P C N D P C N D P C N D0.96 0.93 0.89 0.83 0.93 0.89 0.84 0.78 0.91 0.85 0.79 0.730.96 0.90 0.86 0.83 0.89 0.84 0.80 0.75 0.84 0.79 0.74 0.680.94 0.89 0.81 0.72 0.88 0.80 0.69 0.59 0.84 0.74 0.61 0.520.94 0.88 0.82 0.77 0.89 0.83 0.77 0.71 0.85 0.79 0.73 0.650.98 0.94 0.90 0.86 0.95 0.91 0.86 0.81 0.94 0.90 0.84 0.790.91 0.86 0.81 0.74 0.86 0.77 0.66 0.57 0.80 0.70 0.55 0.45
1 2 3P C N D P C N D P C N D0.99 0.98 0.96 0.95 0.97 0.96 0.95 0.94 0.97 0.96 0.95 0.940.96 0.92 0.88 0.85 0.93 0.89 0.85 0.81 0.90 0.86 0.82 0.780.94 0.88 0.82 0.77 0.91 0.84 0.77 0.70 0.84 0.78 0.72 0.64
Classification of Environmental ConditionsP (very clean room) pureC (clean room) cleanN (average conditions) normalD (dirty room) dirty
Cleaning frequency (a)Environmental conditionsDirect emissionDirect/indirect emission Indirect emission
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Facteur de maintenance des appareils d’éclairage
Le facteur de maintenance des appareils d’éclairage LMF (Luminaire Maintenance Factor) tient compte de la perte du flux lumineux des appareils causée par l’empoussièrement. Il correspond au rendement lumineux d’un appareil d’éclairage au moment du nettoyage par rapport à la valeur à l’état neuf. Il dépend de la forme de l’appareil et de l’empoussièrement ainsi possible. La classification LMF est indiquée sur les appareils. Il convient de définir l’intervalle de nettoyage optimal pour le plan d’entretien.
Facteur de maintenance de la pièce
Le facteur de maintenance de la pièce RSMF (Room Surface Maintenance Factor) tient compte de la perte du flux lumineux causée par l’empoussièrement des surfaces de délimitation. Il correspond au coefficient de réflexion des surfaces avant et après le nettoyage par rapport à la valeur à l’état neuf. Il dépend de l’empoussièrement de la pièce, des conditions ambiantes d’une pièce et de l’intervalle de nettoyage sélectionné. La taille de la pièce et le type d’éclairage (à rayonnement direct ou indirect) influent également.Au facteur de maintenance de la pièce correspondent 4 degrés de propreté : P pure (pièce très propre), C clean (pièce propre), N normal (pièce normalement sale) et D dirty (pièce sale).
E GuideSimulation et calcul | CalculsFacteur de maintenance
408
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 200000.95
0.86 0.82 0.75 0.69 0.66 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97 0.96 0.96 0.95 0.95 0.94
0.92 0.88 0.85 0.83 0.83 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.89 0.88 0.88
Hours of operation (h)Tungsten halogen lamps/ lowvoltageMetal halide lamps Highpressure sodium vapour lampsCompact fluorescent lamps Fluorescent lamps
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Facteur de maintenance du flux lumineux
Le facteur de maintenance du flux lumineux LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) tient compte de la perte du flux lumineux causée par le vieillissement de la lampe. Il correspond au flux lumineux de la lampe à un moment déterminé par rapport à la valeur d’éclairement à l’état neuf. Il convient de se reporter aux dernières données des fabricants de lampes.
E GuideSimulation et calcul | CalculsFacteur de maintenance
Facteur de durée de vie d’une lampe
Le facteur de durée de vie d’une lampe LSF (Lamp Survival Factor) tient compte de l’écart entre la durée de vie des différentes lampes et leur durée de vie moyenne. Il dépend de la durée de fonctionnement. Il faut tenir compte ici des dernières données des fabricants de lampes. Le changement immédiat d’une lampe défectueuse implique un facteur de durée de vie LSF = 1. Pour le plan d’entretien d’une installation d’éclairage, il convient de déterminer en plus l’intervalle optimal pour changer les lampes. Il dépend de l’utilisation faite de l’installation et s’obtient en analysant la durée de consommation et la durée de vie moyenne des lampes sélectionnées.
409
3.3 Practical planning3.3.6 Calculations
the portion of luminous flux emitted bythe light sources, which falls on theworking plane after interaction with lumi-naires and room surfaces. The decidingfactor in this calculation is the utilance,which is derived from the geometry ofthe space, the reflectance of the room sur-faces and the efficiency and the distri-bution characteristics of the luminairesused.
To be able to calculate the appropriateutilance in each individual case, there are tables available, which contain theutilance of a standardised space withchanging room geometry, changing re-flection factors and luminaires with avariety of distribution characteristics. Thebasic, idealised space is presumed to beempty and of regular shape and propor-tions, i.e. rectangular and having the ratioof length to width approx. 1.6 to 1. The luminaires are presumed to be arrangedin a regular pattern on the ceiling, eithermounted directly onto the ceiling or sus-pended from the ceiling. These standar-dised values have a decisive influence onthe accuracy of the calculations for theapplication. If the conditions inherent inthe basic concept are in line with those inthe model space, the results will be rea-sonably accurate. The more the basic con-ditions deviate from the standardisedconditions, e.g. if the lighting layout is distinctly asymmetrical, it must be acceptedthat an increasing number of errors willoccur in the calculation.
When using the utilisation factor method an appropriate utilance table hasto be used for each type of luminaire. Thecorresponding standard luminaire classifi-cation table can be used for this purpose.Luminaire classification in accordancewith DIN 5040 and the German LightingEngineering Society is made up of oneletter and two digits, a combination indi-cates a number of luminaire qualities. The letter defines the luminaire class andindicates whether a luminaire emits light primarily in the upper or lower partof the space, i.e. direct or indirect ligh-ting. The first digit refers to the proportionof luminous flux falling onto the workingplane in the lower part of the space. Thesecond digit indicates the correspondingvalue for the upper part of the space. It isoften not necessary to use the standardtable of luminaire classification, as exacttables are supplied by the lighting manu-facturers.
155
Light output ratio hLB:ratio of the luminousflux emitted by a lumi-nair ÏLe under opera-ting conditions to theluminous flux of thelamp ÏLa.
Utilisation factor method: formula forcalculating the nominal illuminance EN for a given number of lumi-naires or the numberof luminaires n for a given illuminance.
Typical light output ratios hLB for direct luminaires with variouscut-off angles and lamp types.
Luminaire Lamp type hLB
Louvred luminaire 30° T26 0.65–0.75Louvred luminaire 40° T26 0.55–0.65Louvred lumin. square TC 0.50–0.70Downlight 30° TC 0.60–0.70Downlight 40° TC 0.50–0.60Downlight 30° A/QT 0.70–0.75Downlight 40° A/QT 0.60–0.70
EN (lx) Nominal illuminancen Number of luminairesa (m) Length of spaceb (m) Width of spaceÏ (m) Luminous flux per luminairehR UtilancehLB Light output ratioV Light loss factor
ÏLa
ÏLe
æLB = ÏLeÏLa
EN = V . n . Ï . æR . æLBa . b
n = . En . a . bÏ . æR . æLB
1V
3.3 Practical planning3.3.6 Calculations
the portion of luminous flux emitted bythe light sources, which falls on theworking plane after interaction with lumi-naires and room surfaces. The decidingfactor in this calculation is the utilance,which is derived from the geometry ofthe space, the reflectance of the room sur-faces and the efficiency and the distri-bution characteristics of the luminairesused.
To be able to calculate the appropriateutilance in each individual case, there are tables available, which contain theutilance of a standardised space withchanging room geometry, changing re-flection factors and luminaires with avariety of distribution characteristics. Thebasic, idealised space is presumed to beempty and of regular shape and propor-tions, i.e. rectangular and having the ratioof length to width approx. 1.6 to 1. The luminaires are presumed to be arrangedin a regular pattern on the ceiling, eithermounted directly onto the ceiling or sus-pended from the ceiling. These standar-dised values have a decisive influence onthe accuracy of the calculations for theapplication. If the conditions inherent inthe basic concept are in line with those inthe model space, the results will be rea-sonably accurate. The more the basic con-ditions deviate from the standardisedconditions, e.g. if the lighting layout is distinctly asymmetrical, it must be acceptedthat an increasing number of errors willoccur in the calculation.
When using the utilisation factor method an appropriate utilance table hasto be used for each type of luminaire. Thecorresponding standard luminaire classifi-cation table can be used for this purpose.Luminaire classification in accordancewith DIN 5040 and the German LightingEngineering Society is made up of oneletter and two digits, a combination indi-cates a number of luminaire qualities. The letter defines the luminaire class andindicates whether a luminaire emits light primarily in the upper or lower partof the space, i.e. direct or indirect ligh-ting. The first digit refers to the proportionof luminous flux falling onto the workingplane in the lower part of the space. Thesecond digit indicates the correspondingvalue for the upper part of the space. It isoften not necessary to use the standardtable of luminaire classification, as exacttables are supplied by the lighting manu-facturers.
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Light output ratio hLB:ratio of the luminousflux emitted by a lumi-nair ÏLe under opera-ting conditions to theluminous flux of thelamp ÏLa.
Utilisation factor method: formula forcalculating the nominal illuminance EN for a given number of lumi-naires or the numberof luminaires n for a given illuminance.
Typical light output ratios hLB for direct luminaires with variouscut-off angles and lamp types.
Luminaire Lamp type hLB
Louvred luminaire 30° T26 0.65–0.75Louvred luminaire 40° T26 0.55–0.65Louvred lumin. square TC 0.50–0.70Downlight 30° TC 0.60–0.70Downlight 40° TC 0.50–0.60Downlight 30° A/QT 0.70–0.75Downlight 40° A/QT 0.60–0.70
EN (lx) Nominal illuminancen Number of luminairesa (m) Length of spaceb (m) Width of spaceÏ (m) Luminous flux per luminairehR UtilancehLB Light output ratioV Light loss factor
ÏLa
ÏLe
æLB = ÏLeÏLa
EN = V . n . Ï . æR . æLBa . b
n = . En . a . bÏ . æR . æLB
1V
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L’UGR (Unified Glare Rating), qui correspond à l’évaluation unifiée de l’éblouissement suivant CIE 117, sert à évaluer et à limiter l’éblouissement psychologique direct des appareils d’éclairage. Contrairement aux autres méthodes qui évaluent l’éblouissement par le biais des luminances d’un seul appareil d’éclairage, ce procédé calcule l’éblouissement de l’ensemble de l’installation d’éclairage pour une position d’observation donnée. Conformément à la norme DIN EN 12464, la valeur de référence UGR est indiquée pour une pièce type. Les nouveaux pro grammes d’études d’éclairage permettent de calculer la valeur UGR exacte relative à une position d’observation donnée. Plus cette valeur est faible, moins l’éblouissement est élevé. De plus, l’angle d’élévation, de 65°, 75° ou 85°, est indiqué pour des luminances < 1 000 cd/m2. Il s’agit ici du seuil audessus duquel l’appareil d’éclairage a une luminance de 1 000 cd/m2.
E GuideSimulation et calcul | Calculs
Donnée UGR
Le calcul de l’éclairement moyen sert à dimensionner approximativement les installations d’éclairage. Il permet de déterminer le nombre d’appareils requis pour l’éclairement souhaité et inverse ment. L’éclairement moyen correspond à l’éclairement horizontal moyen d’une pièce de taille don née calculé à partir du flux lumineux total des appareils d’éclairage, de leur rendement et du facteur d’utilisation du local. Le calcul de l’éclairement moyen a peu d’importance pour les concepteurs au quotidien : il utilise des pièces standardisées, alors qu’il est aujourd’hui plus simple et plus rapide de réaliser par ordinateur les calculs correspondant aux pièces individuelles. Le calcul de l’éclairement moyen sert encore, dans la norme européenne et
Calcul de l’éclairement moyen
Calcul de l’éclairement moyen : formules pour calculer soit l’éclairement nominal EN pour un nombre d’appareils d’éclairage donné, soit le nombre d’appareils n pour un éclairement donné
les programmes d’études d’éclairage correspondants, à calculer l’éclairage moyen de pièces présentant une trame d’appareils d’éclairage régulière.
410
Eh
P
A L
™
h
Eh
P
L
å
Ev
Eh
3.3 Practical planning3.3.6 Calculations
3.3.6.4 Lighting costs
When calculating the costs for a lightinginstallation it is necessary to differentiatebetween the fixed costs and the variablecosts. The fixed costs do not apply to theoperating time of the lighting installation,they comprise the amotised costs for the luminaires, for their installation andcleaning. The variable costs are dependenton the operating time. They comprise costsfor energy, material and wages for staffcarrying out lamp replacement. On thebasis of these values it is possible to cal-culate the different qualities of a lightinginstallation.
The annual costs of a lighting instal-lation are of particular interest. It is oftenadvisable to compare the economic effi-ciency of different lamp types in the plan-ning phase. This data can be calculatedeither as annual costs or as costs for theproduction of a specific quantity of light.The pay-back time is important in bothcompletely new projects and refurbishmentprojects, that is to say the period of timewithin which the operating costs that havebeen saved can be set off against theinvestment costs for the new installation.
159
Horizontal illuminanceEh at point P, producedby luminous surface Aof luminance L at angle ™.
Horizontal illuminanceEh at point P, producedby a circular luminoussurface of luminance L,whereby the surfaceextends to an angle 2 å.
Vertical illumnancee Ev,produced by luminanceL from one half of thespace.
Horizontal illuminanceEh, produced by lumi-nance L from one halfof the space.
Formula for calculatingthe costs of a lightinginstallation K from thefixed costs K' and theannual operating costsK".
Formula for calculatingthe pay-back time t of a new installation.
Comparison of thepay-back time t of twonew installations, whereby installation Bhas higher investmentcosts and lower opera-ting costs.
Calculating illumi-nances from the lumi-nance of flat lightsources.
a (EU/kWh) Energy costs K (EU/a) Annual costs for a
lighting installationK' (EU/a) Fixed annual costsK" (EU/a) Annual operating costsK1 (EU) Costs per luminaire incl. mountingK2 (EU) Costs per lamp
incl. lamp replacementK l (EU) Investment costs (n · K1)
n Number of luminairesp (1/a) Interest payments for the installa-
tion (0.1–0.15)P (kW) Wattage per luminaireR (EU/a) Annual cleaning costs
per luminairet (a) Pay-back timetB (h) Annual operating timetLa (h) Service life of a lamp
Eh = . cos4 ™L . Ah2
Eh = π . L . sin2 å
[E] = lx[l] = cd/m2
[h] = m[A] = m2
K = K' + K''
K' = n (p . K1 + R)
K'' = n . tB (a . P + )K2tLa
K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa
t = Kl (new)K'' (old) – K'' (new)
t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)
Eh = π . L EV = . Lπ2
Eh
P
A L
™
h
Eh
P
L
å
Ev
Eh
3.3 Practical planning3.3.6 Calculations
3.3.6.4 Lighting costs
When calculating the costs for a lightinginstallation it is necessary to differentiatebetween the fixed costs and the variablecosts. The fixed costs do not apply to theoperating time of the lighting installation,they comprise the amotised costs for the luminaires, for their installation andcleaning. The variable costs are dependenton the operating time. They comprise costsfor energy, material and wages for staffcarrying out lamp replacement. On thebasis of these values it is possible to cal-culate the different qualities of a lightinginstallation.
The annual costs of a lighting instal-lation are of particular interest. It is oftenadvisable to compare the economic effi-ciency of different lamp types in the plan-ning phase. This data can be calculatedeither as annual costs or as costs for theproduction of a specific quantity of light.The pay-back time is important in bothcompletely new projects and refurbishmentprojects, that is to say the period of timewithin which the operating costs that havebeen saved can be set off against theinvestment costs for the new installation.
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Horizontal illuminanceEh at point P, producedby luminous surface Aof luminance L at angle ™.
Horizontal illuminanceEh at point P, producedby a circular luminoussurface of luminance L,whereby the surfaceextends to an angle 2 å.
Vertical illumnancee Ev,produced by luminanceL from one half of thespace.
Horizontal illuminanceEh, produced by lumi-nance L from one halfof the space.
Formula for calculatingthe costs of a lightinginstallation K from thefixed costs K' and theannual operating costsK".
Formula for calculatingthe pay-back time t of a new installation.
Comparison of thepay-back time t of twonew installations, whereby installation Bhas higher investmentcosts and lower opera-ting costs.
Calculating illumi-nances from the lumi-nance of flat lightsources.
a (EU/kWh) Energy costs K (EU/a) Annual costs for a
lighting installationK' (EU/a) Fixed annual costsK" (EU/a) Annual operating costsK1 (EU) Costs per luminaire incl. mountingK2 (EU) Costs per lamp
incl. lamp replacementK l (EU) Investment costs (n · K1)
n Number of luminairesp (1/a) Interest payments for the installa-
tion (0.1–0.15)P (kW) Wattage per luminaireR (EU/a) Annual cleaning costs
per luminairet (a) Pay-back timetB (h) Annual operating timetLa (h) Service life of a lamp
Eh = . cos4 ™L . Ah2
Eh = π . L . sin2 å
[E] = lx[l] = cd/m2
[h] = m[A] = m2
K = K' + K''
K' = n (p . K1 + R)
K'' = n . tB (a . P + )K2tLa
K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa
t = Kl (new)K'' (old) – K'' (new)
t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)
Eh = π . L EV = . Lπ2
Eh
P
A L
™
h
Eh
P
L
å
Ev
Eh
3.3 Practical planning3.3.6 Calculations
3.3.6.4 Lighting costs
When calculating the costs for a lightinginstallation it is necessary to differentiatebetween the fixed costs and the variablecosts. The fixed costs do not apply to theoperating time of the lighting installation,they comprise the amotised costs for the luminaires, for their installation andcleaning. The variable costs are dependenton the operating time. They comprise costsfor energy, material and wages for staffcarrying out lamp replacement. On thebasis of these values it is possible to cal-culate the different qualities of a lightinginstallation.
The annual costs of a lighting instal-lation are of particular interest. It is oftenadvisable to compare the economic effi-ciency of different lamp types in the plan-ning phase. This data can be calculatedeither as annual costs or as costs for theproduction of a specific quantity of light.The pay-back time is important in bothcompletely new projects and refurbishmentprojects, that is to say the period of timewithin which the operating costs that havebeen saved can be set off against theinvestment costs for the new installation.
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Horizontal illuminanceEh at point P, producedby luminous surface Aof luminance L at angle ™.
Horizontal illuminanceEh at point P, producedby a circular luminoussurface of luminance L,whereby the surfaceextends to an angle 2 å.
Vertical illumnancee Ev,produced by luminanceL from one half of thespace.
Horizontal illuminanceEh, produced by lumi-nance L from one halfof the space.
Formula for calculatingthe costs of a lightinginstallation K from thefixed costs K' and theannual operating costsK".
Formula for calculatingthe pay-back time t of a new installation.
Comparison of thepay-back time t of twonew installations, whereby installation Bhas higher investmentcosts and lower opera-ting costs.
Calculating illumi-nances from the lumi-nance of flat lightsources.
a (EU/kWh) Energy costs K (EU/a) Annual costs for a
lighting installationK' (EU/a) Fixed annual costsK" (EU/a) Annual operating costsK1 (EU) Costs per luminaire incl. mountingK2 (EU) Costs per lamp
incl. lamp replacementK l (EU) Investment costs (n · K1)
n Number of luminairesp (1/a) Interest payments for the installa-
tion (0.1–0.15)P (kW) Wattage per luminaireR (EU/a) Annual cleaning costs
per luminairet (a) Pay-back timetB (h) Annual operating timetLa (h) Service life of a lamp
Eh = . cos4 ™L . Ah2
Eh = π . L . sin2 å
[E] = lx[l] = cd/m2
[h] = m[A] = m2
K = K' + K''
K' = n (p . K1 + R)
K'' = n . tB (a . P + )K2tLa
K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa
t = Kl (new)K'' (old) – K'' (new)
t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)
Eh = π . L EV = . Lπ2
Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Le coût d’une installation d’éclairage comporte une part fixe et une part variable. Les coûts fixes sont indépendants du temps de fonctionnement de l’installation. Ils correspondent au coût annuel des appareils d’éclairage mêmes, de leur installation et de leur nettoyage. Les coûts variables dépendent, eux, du temps de fonctionnement. Ils comprennent les coûts énergétiques, ainsi que les coûts de matériel et de maind’œuvre liés au remplacement des lampes. Ces valeurs permettent de calculer différentes caractéristiques d’une installation d’éclairage. Le coût engendré annuellement par une installation est particulièrement intéressant. En outre, il est souvent utile, pour les études d’éclairage, de comparer la rentabilité des différents types de lampes, en termes de coûts annuels ou de charges induites par la production d’une quantité de lumière donnée. Pour les nouvelles installations, mais surtout pour les rénovations, le calcul du délai de retour sur investissement, au terme duquel les économies réalisées sur les coûts de fonctionnement dépassent le coût d’investissement, a également son rôle à jouer.
E GuideSimulation et calcul | Calculs
Coûts de l’éclairage
411Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Le processus des études d’éclairage requiert des informations détaillées pour satisfaire aux normes en vigueur en matière d’éclaire ment et de confort visuel. Les fabricants d’appareils d’éclairage proposent, pour les programmes de simulation, des fichiers contenant les données photométriques des différents appareils.
E GuideSimulation et calculDonnées de calcul
Simulation d’éclairage
Facteur de maintenance
412Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
Pour réaliser une simulation d’éclairage, l’opérateur peut utiliser des informations sur la répartition de l’intensité lumineuse et la géométrie tridimensionnelle. Il peut ainsi calculer l’éclairement et la luminance des différents appareils d’éclairage, et évaluer l’impression visuelle produite dans la pièce.
E GuideSimulation et calcul | Données de calculSimulation d’éclairage
IES / Eulumdat DXF idrop
413Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
IES / Eulumdat Le format de données IES est couramment utilisé, partout dans le monde, pour décrire la répartition de la lumière des appareils d’éclairage. Il peut être employé à de nombreux programmes d’études d’éclairage, de calcul et de simulation. Ce format est à l’origine une norme de l’IESNA (Illuminating Engineering Society of North America). Sa version actuelle est l’IES LM6302.Eulumdat, format de données utilisé pour le lumen, constitue le pendant européen d’IES.
E
DXF Le format DXF permet de mémoriser la géométrie d’un appareil d’éclairage ; les matériaux et la répartition de la lumière n’étant pas enregistrés dans ce format universel. Celuici peut être importé dans la plupart des systèmes CAO. Les données DXF en 2D sont utilisées en étude d’éclairage pour introduire les appareils d’éclairage dans le plan de plafond projeté. Les données en 3D permettent quant à elles une représentation spatiale et concrète des appareils d’éclairage.
GuideSimulation et calcul | Données de calculSimulation d’éclairage
i-drop idrop est une technologie de l’éditeur de logiciels Autodesk. Sa fonction « drag and drop » permet de transférer des contenus en ligne facilement dans l’application logicielle. On peut ainsi, pour une simulation d’éclairage, télécharger les appareils d’éclairage virtuels et les données photométriques correspondantes disponibles sur le site du fabricant et les insérer directement dans le programme de simulation. Les données portent notamment sur la géométrie en 3D, la photométrie et les textures. L’appareil d’éclairage est inséré dans la scène de la simulation, directement à l’emplacement souhaité. Pour qu’il soit orienté automatiquement vers les surfaces spatiales ou vers d’autres étalons de surface, la grille automatique (autogrid) doit être activée. A l’aide de la cinématique inversée, l’orientation des appareils d’éclairage peut s’effectuer par le point cible de la source lumineuse.
idrop fonctionne notamment avec VIZ 4 VIZrender, 3ds Max 5 et 6, AutoCAD et DIALux. Les prérequis sont l‘explorateur Internet et l‘activation des contrôles Active X.
414Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Données de calculFacteur de maintenance
Pour calculer le facteur de maintenance d’une installation d’éclairage, on indique le rendement lumineux et le facteur de maintenance des différents appareils.
Rendement lumineux Facteur de maintenance de l’appareil d’éclairage
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Cleaning frequency (a)Environmental conditionsA Open luminairesB Opentop reflectorsC Closedtop reflectors D Closed reflectors E Dustproof luminairesF Luminaires with indirect emission
1 2 3P C N D P C N D P C N D0.96 0.93 0.89 0.83 0.93 0.89 0.84 0.78 0.91 0.85 0.79 0.730.96 0.90 0.86 0.83 0.89 0.84 0.80 0.75 0.84 0.79 0.74 0.680.94 0.89 0.81 0.72 0.88 0.80 0.69 0.59 0.84 0.74 0.61 0.520.94 0.88 0.82 0.77 0.89 0.83 0.77 0.71 0.85 0.79 0.73 0.650.98 0.94 0.90 0.86 0.95 0.91 0.86 0.81 0.94 0.90 0.84 0.790.91 0.86 0.81 0.74 0.86 0.77 0.66 0.57 0.80 0.70 0.55 0.45
Edition : 20.02.2012 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Données de calculFacteur de maintenance
Rendement lumineux D’après la norme DIN/EN 13032/2, le rendement lumineux de l’appareil d’éclairage, autrement dit le « LOR » (Light Output Ratio), décrit le rapport entre le flux lumineux produit par un appareil d’éclairage et le flux lumineux des lampes utilisées. Pour les appareils à éclairage direct/indirect, on indique également les composantes « DLOR » (Downward Light comOutput Ratio) et « ULOR » (Upward Light Output Ratio). Elles décrivent la répartition du flux lumineux d’un appareil d’éclairage dans le demiespace inférieur et supérieur.
Facteur de maintenance de l’appareil d’éclairage
Le facteur de maintenance de l’appareil d’éclairage (LMF) tient compte de la perte de flux lumineux due à l’empoussièrement. Il correspond au rapport entre le rendement lumineux de l’appareil au moment du nettoyage et sa valeur nominale. Il dépend de la forme de l’appareil et de l’empoussièrement qu’elle peut susciter. Chaque appareil d’éclairage porte mention de sa classification pour le « facteur de maintenance suivant CIE ».
416Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Les exemples d’études montrent comment les simulations d’éclairage s’intègrent de manière cohé rente au processus d’études. Les visualisations aident non seulement à disposer au mieux les appareils d’éclairage, mais aussi à expliciter les concepts. Ces exemples rendent également compte d’une évolution historique, de la première utilisation d’appareils d’éclairage virtuels à la représentation de concepts d’éclairage coloré dynamique, en passant par les calculs relatifs aux réflecteurs.
E GuideSimulation et calculExemples d’études
Simulation Prototypage virtuel
417Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
L’éventail des projets présentés donne une idée de l’intérêt de la simulation appliquée aux monuments, à l’architecture sacrée, aux bâtiments administratifs et aux espaces de vente.
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’étudesSimulation
Chiesa Dives in Misericordia
Porte de Brandebourg Ara Pacis
Parlement écossais Centre automobile BMW Mini
Film : Tune the light
418Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Simulation Les études d’éclairage réalisées pour l’église Dives in Misericordia marquent un tournant, dans la mesure où en 1998, les appareils d’éclairage virtuels d’ERCO sont utilisés pour la première fois en simulation d’éclairage. Grâce à ces appareils, plusieurs variantes conceptuelles peuvent être représentées, examinées et analysées, à un stade très précoce des études. Environ 160 appareils d’éclairage virtuels ont été utilisés pour tout le modèle de l’église. Les images du programme Lightscape ont été assemblées en modules interactifs, accessibles à tous via Internet. Chacun pouvait ainsi juger très facilement différentes scènes d’éclairage.
E
Etude Le concept d’éclairage utilise en premier lieu une lumière directe pour délimiter l’espace religieux et accentuer les élémentsclés, comme l’autel et le crucifix. Ainsi, des groupes de projecteurs ont été fixés aux clairesvoies en acier. En second lieu, un éclairage homogène des parois intérieures des coques de béton est assuré par des projecteurs de forte puissance et des projecteurs Flood.
Architecte :Richard Meier, New York
Etudes d’éclairage :Fisher Marantz Stone, New York
Localité :Rome
GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationChiesa Dives in Misericordia
419Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationPorte de Brandebourg
Simulation La Porte de Brandebourg, emblème de Berlin, a été rénovée et dotée d‘un nouvel éclairage. Les bureaux d’études ont eu recourt aux simulations d’éclairage et ce, tout au long du processus d’étude. Le bâtiment ayant été couvert du lancement du projet à la réouverture, aucun essai n’a pu être effectué. Les appareils d’éclairage virtuels avec leur répartition photométrique de la lumière ont permis de réaliser des analyses qualitatives mais aussi quantitatives. A partir des résultats ainsi obtenus, ont été définies la disposition et l’orientation des appareils. Le recours intensif aux simulations a été décisif pour la concrétisation et le succès de ce projet.
Etude Au sol, les encastrés à faisceau mural à lentille mettent en valeur les colonnes. Des projecteurs Flood à répartition asymétrique de la lumière diffusent un éclairage homogène sur les surfaces murales des passages de la Porte. La plupart des projecteurs de forte puissance utilisés pour le quadrige ont été discrètement répartis sur les constructions voisines.
Architecte :Carl Gotthard Langhans (17321808)
Bureau d’études :Kardorff Ingenieure, Berlin
Localité :Berlin
420Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Simulation C’est la méthode de la texturephoto qui a été retenue pour la simulation de l’autel antique de la paix Ara Pacis. Une fois le temple intégralement photographié, les images obtenues ont été disposées selon les diverses parties de l’ouvrage. Le programme DIALux a ainsi permis un grand réalisme. L’analyse de l’angle optimal d’incidence de la lumière pour les reliefs a été essentielle pour étudier la formation des ombres dues à la frise en saillie et pour bien intégrer les appareils à l’architecture. La texturephoto des blocs de travertin et du relief du socle a servi à l’étude de la vue extérieure nocturne. Parallèlement, le modèle a été mis à contribution lors de la simulation en lumière du jour. L’intégration de l’architecture dans son environnement a été prise en charge par un programme de traitement de l’image. Pour les surfaces utiles du bâtiment, la documentation relative aux éclairements a été constituée à partir de chiffres et de courbes photométriques.
E
Etude L‘entrée dans l‘édifice se fait par un atrium fermé. L‘espace qui abrite l‘autel s‘ouvre ensuite, baigné par la lumière du jour. Des projecteurs montés dans les niches du plafond éclairent les reliefs du temple. Des appareils d’éclairage équipés de filtres de conversion en lumière du jour créent une harmonie parfaite entre la lumiè re du jour et la température de couleur de la lumière halogène soulignant ainsi parfaitement la tonalité des blocs de travertin.
Architecte :Richard Meier, New York
Bureau d’études :Fisher Marantz Stone, New York
Localité :Rome
GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationAra Pacis
421Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Simulation Avec ses plafonds cintrés et asymétriques, sa charpente apparente et la disposition de ses sièges, le Parlement écossais présente une géométrie complexe, qui complique les études d’éclairage. Aussi une simulation s’estelle avérée nécessaire pour satisfaire aux impératifs de la retransmission télévisée permettant d’étudier la direction de la lumière et les niveaux d’éclairement. La distance entre les appareils d’éclairage et les surfaces éclairées générait de forts contrastes de luminosité. Il a donc fallu calculer l’éclairement sur les visages situés autour de la table de réunion et, le cas échéant, ajouter des appareils. Le programme Autodesk 3ds Max a permis d’utiliser des appareils d’éclairage virtuels en 3D, assortis de données photométriques, ce qui a également permis d’apprécier l’intégration des appareils à l’échelle de la salle. Une application dédiée à la planification de l’exécution du projet a été développée afin de convertir les informations 3D de la simulation en dessins à deux dimensions pour les 900 appareils d’éclairage, et de définir, en conséquence, la puissance, la disposition, l’orientation et la projection de chacun d’entre eux.
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationParlement écossais
Plan
Modèle en 3D
Implantation des appareils d’éclairage
Etude des éclairements
Application relative à l’analyse de l’éclairement
Test Rendering
422Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Etude Dans la salle plénière, 200 projecteurs avec variolentille et lampes HITCE 150W avec une température de couleur de 4200K permettent d’obtenir le niveau d’éclairement requis pour la retransmission télévisée. Ils assurent également ainsi un bon confort visuel aux parlementaires. En outre, les variolentilles permettent de régler individuellement l’angle d’ouverture des appareils et d’harmoniser la distance qui les sépare des surfaces éclairées.
Architecte :EMBT Enric Miralles, Benedetta Tagliabue, Barcelone ; RMJM, Edimbourg
Bureau d’études :Office for Visual Interaction (OVI), New York
Localité :Edimbourg
Simulation :PierreFélix Breton, Montréalwww.pfbreton.com
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationParlement écossais
423Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Simulation Grâce aux simulations réalisées pour le centre automobile, le concept d’éclairage a pu être éprouvé et les études être présentées clairement aux maîtres d’ouvrage. Ces simulations consistaient notamment à calculer l’éclairement et la luminance relatifs aux véhicules, aux murs et aux surfaces de travail, pour analyser les contrastes de luminance et éviter tout éblouissement. Comparativement à l’usage exclusif de dessins techniques, avec plans et coupes, les visualisations ont permis aux intervenants de mieux se représenter dans l’espace la solution d’éclairage envisagée.
E
Etude L‘éclairage général nonéblouissant du hall est assuré par des Downlights pendentifs pour lampes aux halogénures métalliques 150W. De plus, des projecteurs montés sur des structures suspendues font ressortir différentes surfaces de présentation. Ils pro duisent des effets brillants sur le métal et le verre. Une série d’Uplights délimite le bâtiment tout en éclairant les lamelles en aluminium du toit en saillie.
Architecte :Scaramuzza/Rubelli
Bureau d’études :Piero Comparotto, Arkilux, Vérone
Localité :Brescia
GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationCentre automobile BMW Mini
424Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Simulation La simulation d’un éclairage coloré dynamique est très complexe. Dans un film, les images peuvent diverger tant par les variations de lumière que par la perspective. Pour une souplesse maximale en termes de conception, les calculs relatifs aux groupes d’appareils d’éclairage ont été réalisés séparément, sans considération des réglages de la température de couleur finale. Le programme de traitement vidéo a permis de compiler les films des différents groupes d’appareils et de régler les couleurs en enchaînement dynamique. Les couleurs ont ainsi été harmonisées sans que de nouveaux calculs soient nécessaires.
E
Etude Dans la salle, les projecteurs à faisceau lumineux intensif mettent l’accent sur les tables, ainsi semblables à des îles. Les projecteurs Flood à température de couleur variable modifient l’ambiance en changeant de couleur. La projection de gobos accroche le regard sur le motif lumineux.
Simulation : Aksel Karcher, Berlinwww.akselkarcher.com
GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | SimulationFilm : Tune the light
425Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
Le prototypage virtuel appliqué à l’élaboration d’appareils d’éclairage tente d’analyser, dès les prémices de la conception et via la simulation, des aspects esthétiques et techniques comme la technique d’éclairage, la statique et la thermique et ce, en l’absence d’appareils d’éclairage réels. Cette méthode accélère le processus de développement et conforte les choix conceptuels envisageables.
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’étudesPrototypage virtuel
Appareils d’éclairage Réflecteurs
426Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | Prototypage virtuelAppareils d’éclairage
Simulation Pour étudier un appareil d’éclairage sur les plans formel et esthétique à partir de photos du produit, on simule un modèle d’appareil dans un studio photo virtuel. La situation d’éclairage réelle du studio est enregistrée dans le logiciel, grâce à des photos numériques du studio au format HDR. Une boule à facettes y occupe l’emplacement de l’appareil d’éclairage que l’on souhaite représenter et le photographe prend une série de clichés avec différents temps de pose. Un programme de traitement de l’image calcule ainsi une image au format HDR (High Dynamic Range). Contrairement aux photographies numériques conventionnelles, les images au format HDR couvrent un contraste de luminance plus élevé. L’image HDR est ensuite importée dans le programme de simulation et donne des informations sur la direction de la lumière, les températures de couleur, les luminances relatives, ainsi que sur les types d’ombres et de reflets observables dans le studio photo réel.
Conception des appareils d’éclairage : ERCO
Simulation : ERCO ; Aksel Karcher, Berlin.
427Edition : 04.01.2007 | Version actuelle sur www.erco.com
E GuideSimulation et calcul | Exemples d’études | Prototypage virtuelRéflecteurs
Simulation La simulation des réflecteurs donne rapidement des informations très précises sur la répartition de la lumière, sans imposer d’instruments coûteux pour le prototypage des réflecteurs. Elle consiste en premier lieu à mesurer en détail les lampes prévues et à attribuer à leurs différents composants une luminance ainsi que d’autres propriétés de technique d’éclairage. On définit ensuite la géométrie de la sortie de la lumière et le positionnement de la lampe. Le constructeur se base sur une forme de réflecteur dont il modifie progressivement les contours, pour obtenir la répartition de lumière souhaitée. Après chaque modification, le programme calcule l’éclairement pour une surface type afin de pouvoir évaluer la répartition de lumière et crée une courbe de répartition de la lumière correspondant à l’appareil d’éclairage virtuel. Les programmes utilisés pour la simulation des réflecteurs s’inspirent généralement du raytracing, qui considère les faisceaux émis par la source lumineuse.
Définition Propriétés des lampes
Rendu Lampes
Simulation de réflecteur
Répartition de la lumière sur une surfacetémoin
Courbe de répartition de la lumière
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