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

Charton, Virgile

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     Chapitre VI. Réplique en images de synthèse de létude de Veitch et Newsham (1998)       VI.1. Introduction  Afin de tester notre dispositif de réalité virtuelle, nous avions besoin de répliquer une étude menée exclusivement en lumière artificielle. La qualité expérimentale de la recherche menée par Veitch et Newsham (1998) nous est apparu comme un gage de la validité de leurs résultats. Par ailleurs Guy Newsham nous a fourni un modèle géométrique 3D de lenvironnement étudié. Ces deux raisons ont motivé notre choix à répliquer leur expérience. Un des objectifs principaux des recherches sur la qualité de léclairage est de définir les conditions permettant daccorder les contraintes déconomie dénergie avec la satisfaction des besoins physiologiques et psychologiques de lutilisateur. Veitch & Newsham (1998) ont étudié les relations existant entre différentes mesures comportementales représentant les besoins dun employé de bureau à son travail et deux types de variables indépendantes : dune part la qualité de léclairage telle que définie par des professionnels (« Designers Lighting Quality » ; DLQ), et dautre part la consommation dénergie (« Light Power Density » ; LPD). Les deux hypothèses de base étaient les suivantes : premièrement, les sorties comportementales doivent saméliorer avec laugmentation de la DLQ ; deuxièmement, cette relation doit être indépendante de la LPD. Nous allons commencer par présenter en détail le protocole de cette recherche de manière a bien comprendre les points communs et les différences avec notre expérience.    

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VI.2. Létude de Veitch et Newsham  VI.2.1. Méthode  Cette expérience suivait un plan factoriel 3x3 (DLQ x LPD) inter-sujets.  VI.2.1.1. Sujets  142 femmes et 150 hommes agés de 18 à 61 ans ont participé à létude. Les participants avaient tous une vision normale ou corrigée à la normale. Chaque sujet passait une journée à réaliser des tâches sur ordinateur ou sur papier exposé à lune des 9 conditions déclairage. Lassignation à une condition déclairage se faisait de manière aléatoire.  VI.2.1.2. Dispositif  Létude se déroulait dans une salle (90 m²) divisée en 6 postes de travail informatisés (6 m² chacun) équipés des mêmes fournitures et des mêmes luminaires.  VI.2.1.3. Stimuli  3 spécialistes de léclairage ont conçu les 9 conditions expérimentales. Ils ont défini que les ambiances de haute qualité seraient constituées par des luminaires indirects ou directs/indirects ; que les ambiances de qualité moyenne seraient constituées par des luminaires encastrés à optique parabolique semi-spéculaires ; et que les ambiances de qualité basse seraient constitués par des luminaires encastrés à diffuseur prismatique. Toutes les lampes utilisées présentaient une température de couleur de 3500K et avaient un indice de rendu de couleur dau moins 80. La table VI.1 présente les équipements des 9 conditions expérimentales.           

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 Table VI.1 Equipements des 9 conditions expérimentales    Moyenne Consommation consommation HauteBasse consommation LPD1 (7.96-9.25 W/m²) LPD2 (11.3-13.34 W/m²) LPD3 (19.8-25.07 W/m²) Qualité BasseyBallastes electroniquesyBallastes electroniquesyBallastes magnétiques DLQ1 (encastrés ày20 encastrés (30x120cm)y20 encastrés (30x120cm)y20 encastrés (30x120cm) diffuseur prismatique) avec 1 lampe T8 avec 2 lampes T8 avec 2 lampes T12 y (x6)lampe dappoint yLampe sous applique (x6) Qualité MoyenneyBallastes electroniquesyBallastes electroniquesyBallastes magnétiques DLQ2 (encastrés ày20 encastrés (20x120cm)y20 encastrés (30x120cm)y25 encastrés (30x120cm) optique parabolique) avec 1 lampe T8 avec 2 lampes T8 avec 2 lampes T12 ylampe dappoint (x6) ylampe sous applique (x6) Qualité HauteyBallastes electroniquesyBallastes electroniquesyBallastes magnétiques DLQ3 (Indirect ouy8 indirects sur piedy AD2 suspendus directs direct/indirect) (120cm) avec 2 lampes T8 /indirects (11 m) avec 16 y (x6) lampes T8 de 120cmlampe dappoint ylampe sous applique (x6)  VI.2.1.4. Procédure et Variables dépendantes  Les sujets arrivaient par groupe de 3 à 6, étaient distribués aléatoirement, un par poste de travail. Les instructions étaient données par moniteur informatique. Les tâches proposées étaient réparties en 8 catégories :  yDifférences individuelles En plus dun questionnaire détat civil, 4 questionnaires sur la personnalité et les croyances des sujets étaient proposés.  yPerformance visuelle Mesurée par le Vision and lighting Diagnostic Kit (VALiD).  yMesures de performance Différentes tâches sur écran ou sur papier ont été utilisées pour estimer les performances verbales/intellectuelles et les performances à un travail de secrétariat (lecture approfondie, vitesse de frappe)     

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yComportement social Deux indices de comportement social ont été proposés : évaluation dun candidat fictif à un emploi, et nombre dheures que le sujet serait prêt à donner volontairement pour la participation à une autre étude.  Humeur, satisfaction et performance psychophysique y La satisfaction était mesurée par lindice de Collins, et deux questionnaires de satisfaction environnementale. Un questionnaire évaluait lhumeur sur la base de trois composantes : le plaisir, léveil et la dominance.Une tâche de temps de réaction évaluait la performance psychophysique.  ySanté Cette variable était estimée par un questionnaire de confort physique. Le confort thermique était également mesuré.  yImpressions esthétiques Les jugements esthétiques étaient estimés à laide de 27 échelles de cotation graphique adaptées de recherches précédentes.  yDebriefing A la fin de létude trois questions ouvertes sur les buts supposés de létude et les facteurs ayant influencé les réponses ont été posées.  VI.2.2. Résultats et discussion  Dans un but de concision, nous ne présenterons que les résultats portant sur les variables dépendantes traitées dans notre réplique, à savoir les impressions esthétiques et la satisfaction selon les indices de Collins. Les résultats ont montré quil nexistait pas un lien simple entre laugmentation des sorties comportementales et laugmentation de la DLQ. En dautres termes, les systèmes « directs/indirects » ne sont pas systématiquement de meilleure qualité que les systèmes « encastrés ». En revanche, la deuxième hypothèse de base a été validée : aucun résultat na pu montrer une diminution de la qualité, de la performance, de la satisfaction ou de lhumeur pour les ambiances lumineuses à faible consommation énergétique (LPD). Considérons individuellement les effets de chaque variable indépendante.     Chapitre VI. Réplique en images de synthèse de létude de Veitch et Newsham (1998)

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yEffets de la présence dun éclairage dappoint Les ambiances présentant un éclairage dappoint (LPD1) ont été jugées plus satisfaisantes, de meilleure qualité et moins éblouissantes que les autres (LPD2&3). Elles furent également jugées moins lumineuses que les ambiances à consommation moyenne (LPD2).  yEffets du système déclairage général (« encastré » vs « direct/indirect ») Les ambiances créées par un système « dencastrés » ont été jugées plus lumineuses que les ambiances créées par un système « direct/indirect ». Ceci dit, et conformément à la littérature (Benett, 1986 ; Harvey et al, 1984 ; Yearout & Konz, 1986), les effets favorisant les systèmes « direct/indirect » sont faibles ou non-significatifs. En conclusion, Veitch et Newsham (1998) indiquent que les deux types de système peuvent conduire à une bonne qualité de léclairage même pour de faibles niveaux de consommation.  y(« optique parabolique » vs «diffuseur prismatique »)Effet du type dencastré Globalement, les luminaires encastrés à optique parabolique produisent une ambiance moins complexe, moins lumineuse, moins éblouissante et plus satisfaisante que les luminaires encastrés à diffuseur prismatique. Cette supériorité des « optiques paraboliques » est beaucoup moins évidente pour les niveaux de consommation élevés (LPD3)  VI.3. Notre réplique  VI.3.1. Introduction  La première question qui sest posée lorsque nous avons voulu répliquer létude de Veitch et Newsham (1998) était de savoir ce que notre système de projection nous permettrait den conserver. En effet, celui-ci présente un certain nombre de contraintes quant à la nature des expériences quil autorise.  yDurée des tests  Les études de longue durée sont impossibles en réalité virtuelle. Les sujets sont placés dans une salle totalement obscure où ils observent un écran avec des lunettes polarisées. Même si ce système de projection nentraîne pas de troubles visuels, la situation reste artificielle et lobservation, même active, dune scène unique est de nature à induire une monotonie pouvant biaiser les évaluations des sujets, en particulier lorsque lon sintéresse à des variables comme le confort ou la qualité dune ambiance.

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Le seul remède à ce biais consiste à varier au maximum les ambiances présentées et les tâches proposées. Cependant, les caractéristiques du système de réalité virtuelle limite considérablement la variété des tâches.  yNature des tâches  Le milieu virtuel annule lintérêt ou la possibilité de 3 types de tâches.  ÖTâches impliquant la durée. Comme on la vu précédemment, les tests proposés doivent être de courte durée. Ainsi, il sera impossible de mettre en place des études visant à rendre compte des effets de lenvironnement lumineux sur lhumeur ou la santé. De la même manière, il est difficile denvisager lusage de ce système pour évaluer les effets des composantes physiques de lenvironnement sur les comportements sociaux.  ÖTâches sur papier Un élément important pour comprendre les contraintes expérimentales imposées par la présentation dambiances lumineuses en milieu virtuel, est de garder à lesprit que le sujet est toujours spectateur de la scène. Malgré toutes les dispositions techniques qui peuvent être prises pour maximiser la sensation immersive, lévaluation est toujours faite depuis lextérieur de la scène. Le sujet la regarde en imaginant les effets que produit léclairage : il nest jamaissous léclairage. De ce fait, tous les tests de performance psychophysique ou visuelle impliquant des tâches de lecture/écriture sur papier sont dépourvues de sens.  ÖTâches sur écran dordinateur Les limitations du système de projection en termes de définition de limage empêche laffichage de caractères fins sur lécran dordinateur présenté dans la scène virtuelle. Toutes les tâches sur moniteur informatique sont donc à exclure, quil sagisse de lecture/écriture ou de temps de réaction.  Restent deux catégories de tâches réalisables en milieu virtuel.   ÖQuestionnaires de satisfaction et dévaluation esthétique De nombreuses études ont permis de montrer que les sujets étaient capables, dans une certaine mesure, dévaluer les caractéristiques lumineuses de lenvironnement sur la base de photographies ou de maquettes (Cf.chapitre IV) 

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Lidée dappliquer à des sujets immergés dans un environnement virtuel des questionnaires de satisfaction (collins et al.,1990) ou des échelles de cotation graphique (Flynn, 1979; Loe et al.,1994 ; Veitch et al.,1997) paraît acceptable. De toutes les tâches proposées par Veitch et Newsham (1998) nous navons conservé que ces deux types de questionnaires. Nous les détaillerons plus loin.  ÖRéglage de léclairage Comme nous lavons déjà évoqué plus haut, il sagit de laspect interactif de la réalité virtuelle. Une application développée dans notre laboratoire (Mitanchey, 2001) permet au sujet de régler léclairage de la pièce virtuelle à un niveau qui lui convient. Bien que cette technique offre de grandes perspectives en termes dexploration des préférences et dergonomie de léclairage, le manque de temps ne nous a pas permis de tester sa validité. Nous nous contenterons donc den évoquer la possibilité.  VI.3.2. Méthode  Suivant le protocole expérimental de Veitch et Newsham (1998), nous avons utilisé un plan factoriel 3 x 3 (DLQ x LPD), soit 9 conditions expérimentales. Cependant, nous avons modifié la nature du plan expérimental de manière à prendre en compte nos contraintes. Nous avons utilisé un planrtnistejus-a (ou plan à facteurs de mesures répétées) alors que Veitch et Newsham (1998) ont utilisé un plansjuteres-itn. Dans leur étude, chaque sujet ne passait que dans une condition expérimentale, cest-à-dire névaluait quune seule ambiance lumineuse. Compte-tenu des tâches proposées (en particulier les 27 échelles de cotation graphique qui nécessitent 10 évaluations par échelles) , 270 sujets étaient requis pour obtenir des résultats statistiques robustes. Notre expérience se limitant à deux questionnaires, il nous a semblé plus intéressant de donner aux participants la possibilité dévaluer toutes les ambiances lumineuses. Dune part le recrutement de sujets pour une étude de 5 minutes aurait été une tâche très lourde, dautre part, les sujets souvent curieux pour le système de réalité virtuelle auraient probablement eu un sentiment de frustration. Nous avons choisi un plan intra- sujets, dans lequel chacun passe toutes les conditions expérimentales. Avec ce plan, les réponses de 20 personnes sont suffisantes pour garantir la robustesse des tests statistiques.     Chapitre VI. Réplique en images de synthèse de létude de Veitch et Newsham (1998)

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VI.3.2.1. Sujets  Les sujets (11 femmes et 9 hommes, âgés de 18 à 24 ans) 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. Un test de vision des couleurs (planches de Hishihara) et un test de vision stéréoscopique (« Random Dot Stereogram » de Julesz) étaient pratiqués en début dexpérience pour sassurer des performances visuelles des participants. Aucun des 20 sujets na présenté de déficit à ces tests dont le détail sera présenté plus loin. Les sujets étaient remerciés pour leur participation (45 à 60 mn) par un bon dachat dune valeur de 15 Euros.   VI.3.2.2. Dispositif  Lexpérience sest déroulée dans notre système de réalité virtuelle tel quil a été décrit précédemment.  VI.3.2.2.1. Conception des images de synthèse  La conception des images de synthèse a été réalisée avec le logiciel Lightscape 3.2., sur un PC équipé dun processeur Pentium® III cadencé à 550Mz. Deux sources dinformations ont été utilisées : Veitch & Newsham (1998), et un ensemble de données transmises par Guy Newsham. Ce dernier nous a fourni le modèle géométrique de la pièce expérimentale, qui constitue la première étape de la simulation dune scène. 

ÖEtape 1 :le modèle géométrique Il sagit de la description géométrique du volume intérieur et extérieur, des ouvertures et des objets de lespace à simuler. Le modèle géométrique fourni par Guy Newsham était implémenté sous Autocad® (.DWG /.DXF).  ÖEtape 2 :Définition de la photométrie des surfaces. Le comportement de la lumière est déterminé par les caractéristiques physiques des surfaces à simuler. Il est donc nécessaire den décrire précisément la photométrie. Les caractéristiques de transparence, de réflexion et de brillance des matériaux de la pièce à simuler nous ont été données par Guy Newsham.   

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En labsence de données précises sur la couleur des surfaces, nous avons dû tâtonner pour obtenir des couleurs proches de ce que rendaient les photographies des ambiances lumineuses dont nous disposions. Notons cependant que ces données sont disponibles dans Houser et al (1999). Nous navions pas connaissance de cet article au moment où les simulations ont été entreprises.

ÖEtape 3 :Photométrie des sources. La photométrie des sources est donnée par des fichiers .IES fournis par les fabricants. Il sagit d une description de lindicatrice des intensités lumineuses En nous basant sur les informations disponibles dans Veitch et Newsham (1998 ) et sur les données transmises par Guy Newsham, nous avons déterminé les luminaires à insérer dans notre modèle géométrique. Un certain nombre dentres eux nétant plus présents au catalogue des fournisseurs au moment où nous avons réalisé les simulations, nous avons dû en choisir dautres sapprochant le plus possible de ceux utilisés dans lexpérience dorigine. La table VI.2 présente les lampes utilisées. La table VI.3 présente le détail des luminaires déclairage général.  Table VI.2 Référence des lampes utilisées dans nos simulations    LampeT8 T12 Lampe dappoint* sous (T4) applique (T8) Ref.fabricant F40D835FO32835 30/CS 30/CS 50/CS FO17835 30/CS CF13DD835 OSRAM SYLVANIA Longueur (mm) 604.01213.6 1213.6 Base GX23-2 Bipin MediumMedium Bipin Bipin Medium CRI 82 8282 80 Color temperature3500 3500 3500 3500 (K) Flux (lumens) 1288 6712714 2970 *de la lampe dappoint est fournie par la bibliothéque Lightscape.la photométrie   

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Table VI.3 Equipements des 9 conditions expérimentales  Ambiance Définition Ref. Descriptif luminaire fabriquant Ref .IES  DLQ1xLPD1*y20 prismatiques Lightolier (30x120cm) avec PRA1GRFVA232 1 lampe T8ITL31387 

DLQ1xLPD2y Lightolier20 prismatiques (30x120cm) avec PRA1GRFVA232 2 lampes T8ITL31387 

DLQ1xLPD3y Lightolier20 prismatiques (30x120cm) avec PRA1GRFVA232 2 lampes T12ITL31387 

DLQ2xLPD1*y20 paraboliques Lightolier (20x120cm) avec VRA1G12LS132 1 lampe T8LTL03316  DLQ2xLPD2y Lightolier20 paraboliques (30x120cm) avec VRA1G12LS232 2 lampes T8LTL03320  DLQ2xLPD3y25 paraboliques Lightolier (30x120cm) avec  VRA1G12LS232 2 lampes T12LTL03320  DLQ3xLPD1*y Ledalite8 indirects sur pied (120cm) 2603T02 avec 2 lampes T82603T1EN 

Flux Efficacité (lumens) lumineuse   2714 70.0% **

 5428 63.7%

 5940 63.7%

 2714 72.6%  5428 60.3%  5940 60.3%**  5428 85.1%

DLQ3xLPD2y2 rails de 8 Litecontrol suspendus directs P-ID-9024T8- 5428 90.6% /indirects (11 m) PARSS avec 2 lampes T8PIDDN + de 120cmPIDUP***   DLQ3xLPD3y Litecontrol3 rails de 8  suspendus P-I-3922T8 5428 82.1% indirects (11m)PI***  avec 2 lampes T8 de 120cm  * la lampe dappoint et la lampe sous-applique murale ne sont pas indiquées içi pour les niveau LPD1.  ** valeurs non données par le fabriquant. Estimation par rapport à des luminaires semblables. ***Fichiers fournis par Guy Newsham Les fiches techni ues de ces luminaires sont résentées en annexes.  

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ÖEtape 4 :radiosité et de lancer de rayon.Application des algorithmes de Sur la base des informations géométriques et photométriques fournies dans les étapes précédentes, le moteur de calcul de lightscape va appliquer successivement un calcul de radiosité et un lancer de rayon, de manière à rendre une image réaliste de la distribution de la lumière.

 VI.3.2.2.2. Calibration des images et données photométriques  A lissue du processus de simulation, nous avons obtenus 18 images correspondant à chacune des 9 ambiances lumineuses présentées sous deux points de vue (il droit/il gauche). Laspect visuel de ces images nécessite une calibration car il peut être modifié de manière empirique à plusieurs niveaux de la chaîne de représentation. En effet, il est possible de modifier le contraste et la luminosité dune image rendue par Lightscape®, non seulement dans le logiciel Lightscape® lui-même, mais aussi par le biais dun logiciel de traitement de limage (Adobe Photoshop®) ou encore par le réglage interne des projecteurs. Nous avons modifié le contraste et le luminosité en deux étapes. Premièrement,nous avons apparié visuellement le rendu de Lightscape avec des photos des scènes réelles disponibles sur le site internet de lIRC (Institut de Recherche sur la Construction). Deuxièmement, nous avons mesuré la luminance des images projetées, afin dajuster les valeurs sur écran avec les valeurs réelles données par Veitch et Newsham (1998). Ces mesures nous ont amené à diminuer la luminosité du moniteur informatique présenté dans la scène. En effet, le moniteur se trouve au centre de limage et subit le phénomène de point chaud. Il en résulte une luminance du moniteur de lordre de 200cd/m², cest à dire plus de deux fois la luminance maximale dun moniteur réel. Nous avons donc diminué sélectivement le paramètre de luminosité de cette zone de limage à laide d Adobe Photoshop®, jusquà obtenir une luminance du moniteur denviron 130 cd/m². Nous nous sommes limité à cette valeur, car en-dessous de ce niveau, lécran apparaissait trop sombre par rapport à son environnement direct (support vertical, murs, structure plastique de lordinateur). Cette modification est la seule que nous ayons apporté. Pour le reste, les valeurs mesurées sur écran étaient relativement cohérentes avec les valeurs réelles (table VI.4 et VI.5)      

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