Etude comparative de la perception d’ambiances lumineuses en milieu réel et en milieu virtuel - Evaluation

Charton, Virgile

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          Chapitre III. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu réel             III.1. Introduction   Comme nous lavons expliqué dans lintroduction générale, lobjectif de notre recherche est de tester lhypothèse déquivalence perceptive entre des ambiances lumineuses vues en milieu réel et en milieu virtuel. La première étape de ce travail consiste à évaluer la perception de différentes ambiances en milieu réel. Les résultats produits par cette phase expérimentale seront ensuite confrontés à ceux que nous obtiendrons en milieu virtuel, à la fois sur la base de photographies numériques (cf. chapitre IV) et sur la base dimages de synthèse (cf. chapitre V).   III.2. Méthode   III.2.1. Sujets   Les sujets (12 femmes et 28 hommes ont été recrutés par messagerie électronique parmi les élèves de l ENTPE. Tous ces sujets ont déclaré avoir une vision normale ou corrigée à la normale. Ils étaient remerciés de leur participation par (45 min) par un bon dachat dune valeur de 100 francs.   III.2.2. Dispositif   Le protocole de comparaison par paire que nous avons choisi dutiliser implique que le sujet puisse voir simultanément les deux stimuli. La configuration particulière des bureaux expérimentaux de lENTPE était parfaitement adaptée à ce type de tâche. En effet, les « cellules jumelles » sont composées de deux espaces de travail strictement identiques séparés par une cloison. En passant dune cellule à lautre, le sujet pouvait évaluer deux ambiances différentes.

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Par ailleurs, ce dispositif expérimental était équipé doutils de contrôle et de mesure de léclairage utiles pour notre étude. Un description complète des « cellules-jumelles » est donnée ci-dessous.   III.2.2.1. Les « cellules-jumelles »   Les bureaux expérimentaux de lENTPE ont été construits en 1996 par Vincent Berruto (Berruto, 1996), afin dobserver le comportement de modulation de léclairage artificiel de sujets soumis à différentes conditions déclairage naturel (Berruto, 1998a, 1998b). Plus récemment, des études y ont été menées afin de tester les interactions entre ambiances lumineuses et thermiques (Laurentin, 2000, 2001). Les deux bureaux expérimentaux (« cellules jumelles ») sont strictement identiques et composés de trois postes de travail situés respectivement à une distance proche, intermédiaire et éloignée de la fenêtre (fig.III.1a et fig.III.1b)  

   figure III.1a :Vue de lintérieur des « cellulesfigure III.1b :Vue de lextérieur   jumelles » de lENTPE     Chaque poste dispose dun éclairage artificiel localisé pouvant être gradué. Léclairage artificiel pour chaque poste de travail se compose de deux plafonniers attenants et de deux asymétriques ou lèche-murs ». Ces luminaires sont équipés de lampes « fluorescentes compactes 55 W, dont la température de couleur est de 4000 K et lindice de rendu de couleur (IRC) de 85. Lentrée de lumière naturelle peut-être contrôlée par des stores vénitiens placés dans le double vitrage. Limplantation des luminaires et des stores est détaillée sur la figure III.2.  

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  Figure III.2 :   Plan des cellules jumelles avec limplantation des luminaires et des commandes de stores et de luminaires (vue de dessus)   Les dimensions de chaque pièce expérimentale sont de 2.3 mètres de large, 6.7 mètres de long et 2.5 mètres de haut. Elles sont composées chacune d'un double vitrage transparent sur le mur est. Les murs sont de couleur beige, de finition mate et de taux de réflexion 81%. Le plafond est composé de plaques de fibres blanches au pouvoir de réflexion de 80%. Le sol est recouvert d'une peinture bleue à finition mate et de réflexion 39%. Le plan de travail est un bureau de couleur bois marron vernis, de réflexion 40%. Les dimensions des pièces sont explicitées dans la coupe et le plan, figure IV, et les caractéristiques des pièces (couleur et texture des murs, du plafond, du sol, des bureaux, coefficient de réflexion, ) sont présentées en annexe I.  

 

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  Figure III.3 :Plan et coupe des cellules jumelles de lENTPE   A lextérieur des « cellules jumelles », un ordinateur PC équipé dun processeur Intel® Pentium® III cadencé à 400 Mhz et dune carte dacquisition National Instrument® AT- MIO 16, remplit plusieurs fonctions : Ö Acquisition de données déclairement en différents point du local expérimental par le biais de capteurs photométriques Li-Cor® générant un courant proportionnel au niveau déclairement.      Öde lintensité lumineuse fournie par chaque source de lumière artificielle.Contrôle ÖMaîtrise de lentrée de lumière naturelle par le contrôle des stores vénitiens. Ö des niveaux déclairage choisi par les occupants par le biais de Enregistrement potentiomètres.  Un schéma de linstallation du matériel dacquisition et de contrôle est présenté figure V, et les caractéristiques du matériel utilisé sont présentées en annexe I.  

    Figure III.4 :   Plan des cellules jumelles avec linstallation du matériel dacquisition (vue de dessus)   Chapitre III. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu réel

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Le PC est équipé du logiciel de programmation graphique Labview® qui permet de gérer les enregistrements de données photométriques et de planifier la présentation des stimuli. Nous détaillons plus loin les différentes ambiances que les sujets ont eu à évaluer. Notons simplement que ces ambiances étaient au nombre (n) de 6, soit n(n-1)/2 = 15 paires dambiances. Chacune de ces paires était désignée dans le programme par un numéro de 1 à 15. Lexpérimentateur pouvait choisir la paire dambiances à présenter dans les « cellules jumelles », en cliquant sur la boite de dialogue lui correspondant. Le programme a été conçu de manière à ce que chaque ambiance soit présentée autant de fois dans la cellule gauche que dans la cellule droite, afin déviter un éventuel effet de « préférence » dune cellule par rapport à lautre. La table III.1 montre comment chaque paire est constituée. Les « cellules jumelles » sont également équipées dappareils de mesure et de contrôle thermique. Nous ne détaillerons pas ce dispositif. Notons tout de même que durant nos expériences, la température était maintenue constante à 22° correspondant à la température de confort moyenne (Bourasset, 1995).  

Cellule de droite Ambiance 1 Ambiance 3 Ambiance 3 Ambiance 4 Ambiance 2 Ambiance 4 Ambiance 5 Ambiance 2 Ambiance 5 Ambiance 4 Ambiance 1 Ambiance 6 Ambiance 3 Ambiance 6 Ambiance 5

 Cellule de gauche Paire n° 1Ambiance 2 Paire n° 2Ambiance 1 Paire n° 3Ambiance 2 Paire n° 4Ambiance 1 Paire n° 5Ambiance 4 Paire n° 6Ambiance 3 Paire n° 7Ambiance 1 Paire n° 8Ambiance 5 Paire n° 9Ambiance 3     Paire n° 10Ambiance 5 Paire n° 11Ambiance 6 Paire n° 12Ambiance 2 Paire n° 13Ambiance 6 Paire n° 14Ambiance 4 Paire n° 15Ambiance 6   Table III.1 -   Description de chaque paire dambiances programmées.        III.2.2.2. Les variables indépendantes : 6 ambiances lumineuses   Les ambiances que nous avons choisi de présenter ont été construites en fonction de plusieurs contraintes.          

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ÖSeules les sources de lumière artificielle étaient autorisées. En effet, lentrée de lumière naturelle présente deux inconvénients majeurs pour notre recherche. Dune part, il est impossible de la contrôler précisément : dune seconde à lautre la quantité de lumière entrant peut-être considérablement modifiée par le passage dun nuage. Dautre part, la présence dune source de lumière verticale (fenêtre) pose des problèmes important pour la prise de photographies. La deuxième partie de notre étude consistant à faire évaluer les ambiances lumineuses sur la base de photographies numériques présentées en environnement virtuel, il est indispensable dobtenir des photographies ayant un rendu visuel proche de la réalité. Les forts contrastes induits par la fenêtre auraient amenée à des situations de surexposition nuisibles à notre étude. Nous avons donc obstrué totalement les fenêtres avec des plaques de carton noir mat fixées à lextérieur des cellules. Les stores étaient baissés.   Öplan de travail devaient être cohérents avec lesLes niveaux déclairement sur le normes en vigueur. Les éclairements retenus de 500 à 1000 Lux correspondent à une moyenne de ce qui est recommandé pour une combinaison de tâches cléricales et sur moniteur informatique (AFE, 1997; IESNA, 1993; AFNOR,1990).  

Ö3 facteurs indépendants étaient manipulés : - la distribution de la lumière. Ce facteur présentait 3 niveaux : périphérique (éclairage par les lèche- mur), central (éclairage par le plafonnier), mixte (combinaison périphérique / central). - le type déclairage périphérique. Ce facteur présentait deux niveaux : éclairage du mur face à lutilisateur (par le lèche-mur avant), éclairage du mur derrière lutilisateur (par le lèche-mur arrière). - léclairement sur le plan de travail. Ce facteur présentait deux niveaux : 500 lux, 1000 lux. La valeur déclairement était relevée sur le plan de travail à quelques centimètres à droite du clavier. Le choix de ce point est arbitraire : il correspond à lemplacement dune cellule denregistrement Li-cor® pré- positionnée.  La figure III.5 présente les schémas correspondants aux six ambiances lumineuses choisies pour létude.    

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  Ambiance 1 : 1000 lux sur le planAmbiance 3 : 500 lux sur le planAmbiance 5 : 300 lux sur le plan de travail (Plafonnier : 800 lux ; de travail (Plafonnier : 300 lux ; de travail ( Lèche-mur arrière: 100 lèche-mur avant : 200 lux). Lèche-mur avant : 200 lux) lux ; Lèche-mur avant : 200 lux)   

  Ambiance 2: 1000 lux sur le plan :Ambiance 4 500 lux sur le planAmbiance 6 : lux sur le plan 500 de travail (Plafonnier : 900 lux ; de travail (Plafonnier : 400 lux ; de travail (Plafonnier : 500 lux ) Lèche-mur avant : 100 lux)   Lèche-mur arrière : 100 lux) Figure III.5 :   Schéma des six ambiances lumineuses présentées au cours de létude         Deux remarques concernant les ambiances lumineuses :   Ösont présents, les lèche-mur sont poussés à dans toutes les ambiances où ils leur puissance maximale ; cest le plafonnier qui fourni le complément déclairement à 500 et 1000 lux. Le lèche-mur avant fournit 200 lux sur le plan de travail, le lèche-mur arrière 100 lux. Ceci explique que dans lambiance 5 léclairement sur le plan de travail soit de 300 lux seulement.   ÖIl aurait été possible dajouter une ambiance 7 fournissant 1000 lux sur le plan de travail avec le plafonnier seul. Nous avons choisi de ne pas la présenter. En effet, notre protocole de comparaison par paires entraîne une rapide augmentation du nombre de paires pour chaque stimulus additionnel. Avec 6 ambiances nous avions n(n-1)/2 = 15 paires. Avec 7 ambiances nous aurions eu 21 paires. Nous avons estimé que cette tâche aurait été trop lourde et répétitive pour les sujets.   Ö les passations, le moniteur informatique était allumé sur une page de Durant traitement de texte blanche. La luminance de lécran était denviron 50 Cd/m².     Chapitre III. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu réel

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III.2.2.3. Données photométriques   La table III.3 présente les relevés photométriques correspondants à chaque ambiance. Les valeurs de luminance ont été obtenues avec une Luminancemétre Minolta® LS-110. Les données déclairement ont été obtenues avec un luxmétre Hagner® EC1. Les mesures de luminance ont été prises face au moniteur informatique, à 1 mètre de distance (tab.III.2).    

 

   Table III.2 -Point de mesures dans les cellules jumelles     Gauche de Clavier Droite de Table de Table de Centre de Mur   lécran (1) (2) lécran (3) gauche (4) droite (5) lécran (6) (7)    425 lux 713 lux 488 lux 700 lux 214 lux 730 lux1000 lux Ambiance 1 94 cd/m²  96 cd/m²  39 cd/m²  71 cd/m 23 cd/m²  99 cd/m²  142 cd/m²   ²    785 lux 392 lux 8501000 lux lux 192 lux 600 lux 390 lux A mbiance 2 92 cd/m²  110 cd/m² 32 cd/m²  73 cd/m²  18 cd/m²  102 cd/m²  88 cd/m²      lux 320500 lux lux 340 lux 327 lux 192 lux 165 lux 520 Ambiance 3 50 cd/m²  47 cd/m²  32 cd/m²  39 cd/m²  18 cd/m²  95 cd/m²  110 cd/m²    lux 250 lux 370 lux 165 lux 400500 lux 470 lux 235 lux Ambiance 4 48 cd/m²  62 cd/m²  20 cd/m²  40 cd/m²  14 cd/m²  98 cd/m²  63 cd/m²      230 lux 315 lux300 lux 240 lux 224 lux 520 lux 230 lux Ambiance 5 31 cd/m²  30 cd/m²  34 cd/m²  27 cd/m²  23 cd/m²  95 cd/m²  110 cd/m²    180 lux 238 lux 63 lux500 lux lux 420 lux 165 lux 380 Ambiance 6 51 cd/m²  61 cd/m²  13 cd/m²  40 cd/m²  6 cd/m²  97 cd/m²  38 cd/m²   Table III.3 Relevés photométriques      

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A partir des valeurs présentées dans la table III.3, il est possible dapproximer certains indices photométriques de qualité de léclairage (fig.III.6): Ö moyen sur le plan de travail est donné par la moyenne des Léclairement valeurs déclairement aux point 1, 2, 3, 4 et 5. Ö obtenu en divisant éclairement minimum sur le facteur duniformité est Le bureau par léclairement moyen. ÖLe contraste sur le plan de travail est donné par la division de léclairement sur la table droite par léclairement sur la table de gauche. Facteur d'uniformité Eclairement moyen sur le plan de etsartnoC Eclairement minimum sur le bureau / vartlia Eclairement table droite/ Eclairement Eclairement moyen sur le bureau  table gauche 0,9 800 1,1 0,8 70 1 0 0,9 0,7 0,8 600 0,7 0,6 500 0,6 0,5 0,5 400 0,4 0,4 0,3 0,3 300 0,2 0,1 0,2 200 0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A1 A2 A3 A4 A5 A6 Ambiance lumineuse  Ambiance lumineuse  Ambiance lumineuse   Figure III.6 Indice photométriques     Un autre indice photométrique fréquemment utilisé est le ratio de luminance entre le plan de travail et le mur face au sujet (Tregenza et al.,1974 ; Van Ooyen et al., 1986 ; IESNA, 1993 ; NUTEK, 1994). Habituellement, ce ratio est calculé en divisant la moyenne des luminances sur le plan de travail par la moyenne des luminance du mur dans le champ de vision. Dans notre étude nous nous sommes limités à 5 points de mesures sur le plan de travail et 1 point sur le mur au dessus de lécran informatique. En raison des contrastes forts sur le plan de travail pour certaines ambiances, la comparaison de la moyenne des luminances sur le plan de travail avec la luminance sur le mur navait pas beaucoup de sens. Pour illustrer cette remarque, nous avons construit deux ratio de luminance plan/mur : lun utilisant la moyenne des deux luminances les plus fortes (ratio 1) du plan de travail, et lautre utilisant les deux luminances les plus faibles(ratio 2). On peut voir sur la figure III.7a que le ratio 2 ne rend absolument pas compte de la richesse des différentes ambiances en terme duniformité plan/mur. Nous avons donc choisi dapproximer le ratio plan/mur de deux manières différentes :   Chapitre III. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu réel 95

Öambiances présentant des ratio 1 et 2 proches (A1, A3, A5), nous pour les avons divisé la moyenne des 5 luminances du plan par la luminance du mur.   Ö les ambiances présentant des ratio 1 et 2 très différents (A2, A4, A6), pour nous avons divisé la moyenne des deux luminances les plus fortes du plan par la luminance du mur.   Bien que cette solution soit imparfaite dans la mesure où elle revient à légèrement sous- évaluer le ratio des ambiances A1, A3 et A5, nous considérons quelle permet de rendre compte de la diversité des ambiances. La figure III.7b présente le graphique des ratio plan/mur retenus.

Ratio plan / mur 2 1,75 Luminance plan = 2x luminance mu 1,5 1,25 Luminance plan = luminance mu 1 0,75 Luminance plan 0.5 luminance mu = 0,5 0,25 0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 Ambiance lumineuse Figure III.7b  ambiances A2 et A4 sont les les plus uniformes du point de vue du ratio plan/mur.

Ratio 1 vs Ratio 2 2 1,75 Luminance plan = 2x luminance mu 1,5 1,25 Luminance plan = luminance mu 1 0,75 Luminance plan = 0.5 luminance mu 0,5 0,25 0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 Ambiance lumineuse Figure III.7a  valeurs pour le ratio 1 sont les représentés par les ronds. Les valeurs pour le ratio 2 sont re résentées ar les carrés.   III.2.3. Procédure   Un rendez-vous était pris avec les sujets par courrier électronique. Chacun disposait dun créneau de une heure pour réaliser lexpérience. En moyenne 45 minutes ont été suffisantes. Avant larrivée des sujets, les luminaires était allumés à leur puissance maximale pendant 30 minutes pour les chauffer, ceci afin datteindre immédiatement les niveaux déclairement souhaités à chaque changement dambiance.        

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Le sujet arrivait dans les cellules-jumelles à lheure de son rendez-vous. Lexpérimentateur lui expliquait brièvement les objectifs de létude. Le sujet était informé quil devrait évaluer léclairage sur un certain nombre de critères (luminosité, intimité, éblouissement,). Le protocole de comparaison par paires lui était expliqué de la manière suivante : « La pièce dans laquelle vous vous trouvez est séparée en deux espaces de travail (espace A et espace B) strictement identiques. Des ambiances lumineuses vont vous être présentées par paires. A chaque essai, lespace A et lespace B seront mis en lumière de manière différente. Votre travail sera dindiquer sur le questionnaire dévaluation fourni, laquelle des deux ambiances est « la plus » sur chacun des critères proposées. Par exemple vous devrez indiquer à chaque essai laquelle des ambiances est « la plus lumineuse » ou « la plus uniforme ». Pour faire vos évaluations vous aurez la possibilité de vous déplacer librement dun espace à lautre autant de fois que nécessaire. Vous pouvez également vous asseoir devant chaque poste informatique. Vous ferez vos évaluations en imaginant devoir travailler à long terme sur le moniteur et sur papier. Vous avez la possibilité décrire sur papier ou sur la feuille de traitement de texte si cela peut vous aider à faire vos évaluations. Il y aura 15 essais en tout. Habituellement les 15 essais sont réalisés en 45 minutes.» Le sujet était ensuite laissé seul dans les cellules jumelles et était libre de lire des magazines ou de travailler sur papier pendant 15 minutes. Cette phase dadaptation était réalisée sous une ambiances lumineuse moyenne par rapport aux conditions expérimentales : 600 lux sur le plan de travail avec un éclairage relativement uniforme (lèche mur avant 200 lux ; lèche mur arrière 100 lux ; plafonnier 300 lux). A la fin de la phase dadaptation, lexpérimentateur entrait à nouveau dans les cellules pour expliquer le déroulement de létude : « Lorsque je sortirai de lespace de travail une première paire dambiances vous sera présentée. Vous remplirez alors le questionnaire dévaluation comme je vous lai indiqué précédemment. Vous me signalerez que vous avez terminé lévaluation de la première paire en toquant à la porte. La paire suivante vous sera alors présentée. Il était encore précisé au sujet quil ne devait pas sortir de » la pièce expérimentale avant davoir fini la passation complète, de manière à ne pas être influencé par lambiance lumineuse à lextérieur.   Lexpérimentateur contrôlait la présentation des paires dambiances lumineuses depuis le PC à lextérieur des cellules jumelles. Lordre des paires était déterminé préalablement à chaque passation par un tirage aléatoire. Cet ordre était référencé avec le nom du sujet sur un fichier Microsoft® Excel pour permettre le traitement des questionnaires dévaluation. A la fin de létude, le bon dachat était remis au sujet qui avait la possibilité de sexprimer sur sa passation.    

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