Modélisation et simulation de l’éclairage naturel au moyen de 3DS Max Design
Modélisation et simulation de l’éclairage naturel au moyen de 3DS Max Design
1. Introduction
1.1. Présentation du logiciel
Le logiciel 3ds Max (3D Studio Max), développé par Autodesk, est une référence dans le domaine de l’infographie tant au niveau de la modélisation que de l’animation 3D. Depuis 2009, Autodesk propose le logiciel 3ds Max Design ; les deux versions partagent la même technologie et les mêmes fonctionnalités clés. Si 3dsMax est surtout utilisé par les développeurs de jeux et de films d’animations, 3dsMaxDesign est plus adapté aux architectes, concepteurs, ingénieurs et spécialistes de la visualisation. Cette version intègre de nouvelles fonctionnalités pour la simulation et l’analyse de la lumière naturelle ou de l’éclairage artificiel. Ces outils d’analyse sont adaptés à la certification LEED Indoor Environmental Quality credit 8.1 certification.
Le moteur de rendu utilisé par 3dsMax est Mental Ray (produit par la société Mental Images GmbH), qui emploie la méthode du raytracing. Le raytracing (lancer de rayons) est une technique de rendu d’image produit par simulation du parcours inverse de la lumière : les éclairages sont calculés depuis le point de vue vers les objets, puis vers la lumière. Le raytracing permet de reproduire les phénomènes physiques de la réflexion et de la réfraction. Le logiciel 3ds Max Design emploie les fichiers météorologiques EnergyPlus, qui sont téléchargeables gratuitement sur le site américain du département de l’Energie. Ces fichiers de données météorologiques sont disponibles pour plus de 1000 emplacements aux Etats-Unis, et pour plus de 1000 emplacements dans 100 autres pays du monde.
Chaque fichier « .epw » contient des données chiffrées qui permettent de générer des conditions de ciel réalistes sur bases de mesures météorologiques réelles enregistrées in situ. La technologie employée dans 3ds Max Design produit non seulement des résultats de simulation comme des images de rendus mais également des données numériques exportables sous forme de fichier CSV et exploitable notamment sur Excel.
1.2. Enjeux du tutoriel
Ce tutoriel propose de modéliser un local de bureau simple et de simuler l’effet de la lumière naturelle sur ce modèle. Toutes les étapes développées par la suite ont été réalisées sur Autodesk 3ds Max Design 2012. Pour commencer, les variantes de modélisation d’un local seront passées en revue dans un premier temps. Pour suivre, la création d’un ciel artificiel et ses paramètres seront expliqués. Les paramètres de simulation (statiques et dynamiques) et le traitement des résultats feront l’objet des derniers chapitres.
1.3. Présentation de l’interface
L’illustration suivante reprend les fenêtres, les commandes et les onglets les plus souvent utilisés dans 3ds Max Design. Il est utile de bien les repérer car nous y ferons régulièrement appel au cours de ce tutoriel.
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- Modélisation
2.1. Présentation du modèle étudié
La première étape consiste à modéliser votre projet avant de paramétrer une simulation de la lumière naturelle. La géométrie retenue pour ce tutoriel est un modèle simple d’un local de bureau qui comprend deux ouvertures de fenêtre sur une des façades. Nous faisons également l’hypothèse que le local se situe à Bruxelles, et que les fenêtres sont orientées Sud. Les figures ci-dessous indiquent les mesures principales (en centimètres) nécessaires à la modélisation du local, ainsi que certains paramètres.
Les murs, le plancher et le toit sont tous épais de 40 cm. L’intérieur du local mesure 600 cm de long, sur 360 de large, et 280 cm de hauteur.
Les coefficients de réflexion et de transmission sont repris ci-dessous :
- Plafond : 70%
- Murs : 50%
- Sol : 20%
- Encadrement des baies vitrées : 50%
- Vitrages : 70% de coefficient de transmission.
Les vitrages sont situés dans les baies d’ouvertures, du côté intérieur, sont épais de 20mm sont donc enfoncés à 38 cm de la façade extérieure (voir 2.2.2).
Vous pouvez maintenant modéliser le projet sur 3dsMax (Chapitre 2 .2), ou l’importer depuis Sketchup Pro (Chapitre 2.3) ou AutoCAD (chapitre 2.4).
2.2. Créer un modèle sur 3ds Max Design
2.2.1. Créer des volumes
Pour créer les volumes constituant les parois des murs et des sols ou plafond, le plus efficace est de créer des boites (cf. 1.3 p.8) : Menu Créer > Géométrie > Boite La taille et la position de chacun des volumes peuvent alors être paramétrées. Vous pouvez créer votre projet à partir des coordonnées des centres de gravité de chacun des volumes (efficace au début de la modélisation, mais vite fastidieux pour un modèle complexe comportant de nombreux éléments), ou en grâce aux outils d’accrochage qui permettent de faire coïncider des arêtes ou des sommets des boites créées.
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2.2.2. Modéliser des vitrages
La modélisation et la paramétrisation des vitrages est un point essentiel de la préparation de la simulation. Sur 3ds Max Design, les vitrages sont des volumes, dont l’épaisseur est égale à l’épaisseur réelle du vitrage modélisé. Par exemple, un simple vitrage de 6mm d’épaisseur sera modélisé par une boîte de 6mm d’épaisseur dans le projet 3ds Max Design. Un matériau doit ensuite être appliqué à cette boîte pour caractériser ses paramètres physiques. Dans notre cas, les fenêtres simulées sont des doubles vitrages dont le coefficient de transmission est de 70%, et le coefficient de réflexion de 10%. L’épaisseur retenue est de 20mm. La figure ci-contre reprend les dimensions des vitrages modélisés.
Pour paramétrer le matériau du vitrage, ouvrez l’éditeur de matériaux (1), et choisissez un échantillon (2). Vous pouvez dès lors choisir de lui faire correspondre un matériau pré- paramétré qui existe dans une bibliothèque de matériaux du logiciel. Pour cela, ouvrez cette liste de matériaux enregistrés en cliquant sur Arch & Design (3). Editeur de matériaux > Nouvel Echantillon > Arch & Design Dans cette liste, choisissez le matériau vitrage clair réfléchissant (4) : Navigateur de matériaux > Bibliothèque de matériaux Autodesk > Verre > vitrage > Clair réfléchissant > OK
Une fois le matériau appliqué à l’échantillon, il reste à modifier les paramètres suivants :
- Réflectivité : 10 (%) (5)
- Feuilles de verre : 2 (6)
- La couleur correspond au coefficient de transmission du vitrage. Dans notre cas, nous allons donc paramétrer les canaux R/G/B à 0,7/0,7/0,7 (7).
2.2.3. Modifier l’orientation
Une fois le modèle créé, vous pouvez en modifier l’orientation. Faites en sorte que les fenêtres de votre local soient orientées au sud, comme ci-dessous (1).
Pour cela, sélectionnez l’ensemble du local, et appliquez une rotation à l’ensemble des volumes (2).
Barre des outils > rotation
L’angle exact de rotation se définit dans la barre d’option située dans le bas de la fenêtre (3).
Au préalable, choisissez une vue en plan et en mode orthographique (4).
Pour la suite, vous pouvez vous reporter à la section 2.5 « Création et application de matériaux ».
2.3. Exporter de Sketchup Pro vers 3ds Max Design
Il est possible d’exporter un modèle 3D conçu sur Sketchup Pro vers 3ds Max Design. Mais la version gratuite de Sketchup ne permet d’exporter que des modèles dont l’extension est .kmz, en vue de les importer dans le logiciel Google Earth
2.4. Importer un modèle Sketchup dans 3ds Max Design
Si l’on ne dispose pas de la version Pro de Sketchup, il est possible d’importer dans 3ds Max Design un modèle qui a été conçu sur Sketchup.
En ce qui concerne les options d’importations, il est préférable de ne pas importer les caméras et les Systèmes Lumière du Jour qui seront redéfinis dans 3ds Max Design. Il est par contre recommandé d’ignorer les objets masqués et bien veiller à séparer les objets par couche, ce qui aura une grande importance pour l’application des matériaux.
2.5. Importer un modèle AutoCAD Format du fichier
Il est aisé d’importer un modèle AutoCAD dans 3ds Max Design. AutoCAD permet de créer des fichiers « .dxf », format dédié à l’exportation (Drawing eXport Format). Il suffit d’enregistrer son travail en fichier export, puis d’ouvrir 3ds Max Design et d’importer ce fichier (1). Cependant, 3dsMaX Design reconnait tout aussi bien le format « .dwg », et vous pouvez directement importer votre projet.
Regrouper les couches
En préparant un fichier AutoCAD qui va être importé dans 3ds Max Design, il est nécessaire de regrouper par calque les éléments de même matériau. Dans l’exemple ci-dessous, chaque couche crée dans le modèle AutoCAD se verra attribuer (une fois le modèle importé dans 3dsMaxDesign) un matériau spécifique, qui sera paramétré afin de définir ses coefficient de réflexion et autres caractéristiques (voir la section 2.6). Finalement, le modèle AutoCAD doit comporter autant de couches qu’il y a de matériaux différents.
Options d’importation
Lors de l’importation, une fenêtre de dialogue s’ouvre, permettant d’ajuster le modèle importé. Sous l’onglet « Géométrie », vous devez choisir dans le menu déroulant quelle était l’échelle utilisée dans AutoCAD, et imposer une remise à l’échelle du modèle importé dans 3ds Max Design. Ultérieurement, vous devrez aussi modifier les unités de 3ds Max Design, qui sont initialement exprimées en pouces. Sous l’onglet « Couches », il est possible de sélectionner quelles couches doivent être importées à partir du fichier initial d’AutoCAD. Il suffit de cliquer sur les indicateurs à côté du nom de la couche
Une fois le modèle importé, il apparait de cette manière dans la fenêtre de vue principale. Les différents calques ont été importés dans des couches séparées.
2.5.1. Vérification du modèle importé
Lors de l’importation dans 3ds Max Design, il est utile de mener quelques vérifications avant de commencer la paramétrisation de la lumière naturelle.
Visualisation du modèle
Au départ, le fichier AutoCAD risque d’être importé sous un rendu « Réaliste » dans 3ds Max design. Comme à ce stade aucun matériau n’est défini et qu’aucune couche ne s’est vue attribuer de matériau, l’ensemble du modèle apparait totalement noir (1). Il convient de changer de mode de visualisation, en choisissant par exemple le mode « Ligne masquée » (2) ou « Filaire » (3), dans lequel les couleurs de couches correspondent à celles utilisées dans AutoCAD. Ce dernier mode permet de bien distinguer visuellement les couches, ce qui sera pratique au moment d’attribuer les matériaux rapidement.
L’échelle du modèle
Lorsque le modèle est bien importé en initialisant les unités dans 3ds Max Design et en redimensionnant le modèle aux unités utilisées dans AutoCAD, il n’y a pas besoin d’intervenir sur l’échelle. Dans le cas contraire, il est nécessaire de vérifier que les mesures du modèle importé sur 3ds Max Design correspondent bien aux mesures du modèle initial, et au besoin de mettre le dessin à l’échelle. Pour mesurer un élément du projet, utilisez la commande suivante : Onglet principal Outils > Mesure distance La mesure s’affiche dans le cadre inférieur gauche de la fenêtre du programme.
Si les mesures du modèle importé doivent être ajustées, il suffit de calculer le rapport d’échelle et de l’appliquer aux éléments du modèle. Sélectionner tous les éléments de toutes les couches et appliquer un facteur d’échelle en utilisant la commande « Sélection et échelle uniforme » dans la barre des outils.
Le positionnement du modèle sur la grille.
Il est préférable de centrer le modèle à l’origine des axes ou l’aligner au repère, si cela n’est pas le cas, ou si l’échelle du modèle a été modifiée.
Si vous n’arrivez pas à recentrez l’image sur votre travail, utilisez la commande suivante :
Si votre modèle ne réapparait pas, basculez en vues multiples, via le raccourci Alt+W.
2.6. Création et application de matériaux.
Les matériaux sont définis dans l’éditeur de matériaux en respectant les valeurs de degré de réflexion. Il est possible d’utiliser des matériaux prédéfinis dans les bibliothèques de matériaux du logiciel 3ds Max Design, mais il est souvent plus intéressant de créer les matériaux propres au projet développé, suivant les paramètres désirés.
Le degré de réflexion d’un nouveau matériau est défini comme suit :
Commande M («éditeur de matériaux) > sélectionner un échantillon de matériau vide > Couleur de réflexion diffuse > valeurs de Rouge/Bleu/Vert
Pour un matériau dont le degré de réflexion est de 50%, il suffit d’introduire les valeurs suivantes :
Une fois le matériau créé, il suffit de l’appliquer à un élément du modèle en sélectionnant la sphère échantillon, en la faisant glisser vers l’élément ou les éléments retenus dans la fenêtre principale.
Vous pouvez aussi appliquer un matériau à un objet via la commande dans la fenêtre éditeur de matériaux
Vérification de l’application
Vous pouvez vérifier qu’un objet a bien reçu un matériau dans la fenêtre des propriétés de l’objet (clic droit sur l’objet).
- Paramétrer une simulation d’éclairage naturel
Si aucun éclairage n’est défini dans une scène, le programme utilise les paramètres d'éclairage par défaut dans les fenêtres en mode rendu et ombré (éclairage par défaut sur 3ds). Les objets lumière se substituent à l'éclairage par défaut. Dès que vous créez un éclairage, l'éclairage par défaut est désactivé. Si vous supprimez toutes les lumières de la scène, l'éclairage par défaut est à nouveau activé. L’éclairage par défaut est composé de deux lumières invisibles : l'une est située à gauche au-dessus de la scène et l'autre à droite sous la scène.
3.1. Créer un « système lumière du jour »
Le logiciel 3ds Max Design permet la paramétrisation d’un « système lumière du jour », dont l’objectif est de représenter la source de lumière principale dans les scènes qui sont censées être éclairées par la lumière du soleil. La lumière du soleil projette des rayons considérés parallèles provenant d’une même direction. Cette direction est fonction de l’heure, de la latitude et de la saison. La couleur de la lumière du soleil varie : en ciel clair, on peut la considérer jaune pâle (RVB 250, 255, 175). Un temps nuageux peut teinter la lumière en bleu ; par temps orageux, la lumière peut s’assombrir en devenant gris foncé, tandis qu’à l’aube et au crépuscule, la couleur peut avoir une teinte plus orangée ou rouge que jaune.
Placez le curseur dans une fenêtre du modèle. La première étape consiste à créer un ciel artificiel, c’est-à-dire un système lumière du jour. Onglet Créer > Systèmes > Système lumière du jour
Une fenêtre s’ouvre, recommandant une valeur optimale de contrôle d’exposition pour Mental Ray. Le contrôle d’exposition est une fonction semblable à l’obturation et à l’ouverture d’un objectif, réglant la luminosité et le contraste d’une image. Le contrôle d’exposition n’affecte pas le niveau d’éclairage de la scène. Vous pouvez cliquer sur « non », ces paramètres seront expliqués dans la partie « 6.2. Paramètres de rendus ».
Dans la fenêtre principale, cliquez à n’importe quel endroit ; à ce moment, une rosace est créée dans le plan XY, et vous pouvez faire glisser votre souris jusqu’à lui avoir donné une taille suffisante. Cliquez encore pour fixer la dimension de cette rosace d’orientation.
Directement, une autre fenêtre s’ouvre, vous demandant si vous souhaitez ajouter une texture d’environnement Ciel Physique mr pour l’arrière-plan de la scène qui sera créée dans les rendus.
La texture du ciel n’a qu’un impact purement esthétique : elle crée un arrière-plan agréable nuancé pour l’extérieur de la scène, mais n’influence aucunement le niveau d’éclairage de la scène. Cliquez sur oui. Ensuite, dans la fenêtre du modèle, vous constatez qu’en déplaçant la souris vers le haut, vous pouvez attribuer une position au soleil. Dans les simulations, cette hauteur n’influence pas tant que le soleil se retrouve bien au-dessus du modèle créé. Cliquez pour fixer la position du soleil.
3.2. Choisir et paramétrer un type de ciel
3.2.1. Introduction : paramètres généraux de configuration de type de ciel
Vous pouvez modifier le modèle de ciel en sélectionnant le soleil dans votre modèle et en ouvrant l’onglet Modifier. Les modèles de ciel disponibles dans 3dsMax Design correspondent à un jeu de distribution de luminance qui permettent la modélisation du ciel selon une gamme de conditions (de couvert à dégagé). Les trois modèles de ciels sont : « Activé par la brume », « Perez tout temps », « CIE ».
Actif : L’option d’activation permet de prendre en compte ou non le modèle de ciel.
Multiplicateur : facteur scalaire pour la sortie lumineuse. Ce facteur n’influence l’éclairement que dans le cadre du modèle Perez tout temps. Il est recommandé de le laisser à sa valeur par défaut (1.0).
Couleur de sol : Couleur du sol virtuel dont le coefficient de réflexion diffus vaut 20% (RVB 0.2 ; 0.2 ; 0.2). Le sol est éclairé uniquement par le ciel et le soleil sans recevoir d'ombre.
Modèle de ciel :
- Activé par la brume : ce modèle de ciel utilise une valeur Brume qui précise la quantité de vapeur d'eau ou d'autre particule (sable par exemple) dans l'air. Les valeurs possibles sont comprises entre 0,0 (jour parfaitement clair) et 15,0 (extrêmement voilé). La valeur de brume influence l'intensité et la couleur du ciel et de l'horizon, l'intensité et la couleur de la lumière du soleil, la douceur des ombres du soleil, la douceur de la luisance du soleil et la force de la perspective aérienne.
- Perez tout temps : modèle de ciel physiquement précis et validé. Le modèle Perez tout temps convient pour les scènes sous lumière naturelle du jour, mais pas pour les scènes de crépuscule ou de nuit. Pour des scènes où le soleil est bas ou absent, choisissez le modèle CIE. Le modèle Perez tout temps est contrôlé par deux valeurs : l’éclairement horizontal diffus et l’éclairement normal direct. L’éclairement horizontal diffus du ciel est mesuré par un luminancemètre horizontal placé à l’extérieur, excluant la contribution du soleil. L’éclairement normal direct du soleil est mesuré par un luminancemètre dirigé directement vers le soleil. Les valeurs par défaut de ces deux éclairements sont 10.000 lux, et sont automatiquement mises à jour si vous travaillez avec une situation spatio-temporelle définie (introduite manuellement ou sur base d’un fichier de données météorologiques).
- CIE : Comme le ciel Perez tout temps, le modèle CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) est physiquement précis et reconnu comme une norme. Il s’appuie sur la norme de distribution de la luminance de la CIE. Il est également contrôlé par les deux valeurs d’éclairement : Lorsque vous réalisez le rendu avec le modèle de ciel CIE actif, la couleur du ciel dérive de la valeur de brume de l’ombrage du ciel physique mr. La valeur par défaut est 0 (un ciel bleu clair de jour) mais vous pouvez modifier la valeur de brume.
Nous n’utiliserons que les modèles Perez et CIE pour simuler la lumière naturelle de manière précise. Ces modèles ont été conçus spécialement pour être utilisés avec l’analyse de l’éclairage dans 3ds Max Design. Jusqu’en 2009, seul le modèle de ciel Activé par la brume existait.
Nous ferons ici la distinction entre plusieurs configurations de ciel :
- Des éclairements précisés sous ciel CIE (calcul statique)
- Un fichier de données météorologiques (calculs statique et dynamique)
Ces différentes configurations vont de la plus générale à la plus précise.
3.2.2. Ciel CIE, éclairements paramétrés
Nous allons commencer par paramétrer un ciel CIE, qui permet d’analyser un ciel couvert, et donc une lumière d’une faible intensité. Cette configuration est utile si vous voulez simplement et rapidement introduire des valeurs d’éclairement sans préciser une date, une position, ou sans devoir lancer un calcul dynamique. Sélectionnez le modèle CIE. Par défaut, la valeur de l’éclairement horizontal diffus et de l’éclairement direct normal sont à 10.000lux.
L’éclairement horizontal diffus est la valeur qui permet de distribuer la lumière du jour le long de l’horizon sans tenir compte de la lumière directe du soleil. Cette valeur correspond à l’intensité lumineuse de l’emplacement géographique de votre modèle ; elle est maximale sur l’équateur, et décroit en direction des pôles.
L’éclairement direct normal définit l’intensité de l’éclairement solaire comme si un photomètre était pointé directement vers le soleil. Si vous voulez considérer un ciel complètement couvert, paramétrer l’éclairement direct normal à 0 lux.
Cette courte paramétrisation permet déjà de lancer des calculs d’éclairement ou de facteur lumière du jour. Pour cela, vous pouvez directement passer au chapitre 4 : calcul de la lumière du jour.
Si vous choisissez de travailler avec un ciel couvert, la valeur de l’éclairement direct normal ne sera pas prise en compte.
Le point suivant expose comment introduire des informations précises pour un lieu et un moment donné.