Nous nous sommes intéressés ces cinq derniers mois à la simulation inverse de l’éclairage naturel et principalement à des applications à la conception architecturale. Après avoir posé, dans notre premier article, l’équation à résoudre, nous avons spécifié trois problèmes inverses :

• la géométrie inverse dont l’objectif est de calculer les formes des objets de la scène pour obtenir l’éclairage souhaité,
• l’éclairage inverse qui détermine les propriétés des sources lumineuses (intensité, placement dans la scène…),
• la réflectance inverse qui s’intéresse aux propriétés de réflexion des matériaux.

Dans nos recherches, nous avons choisi d’explorer l’ensemble de ces problèmes. Pour résoudre les problèmes inverses, il existe deux grandes familles de méthodes : les méthodes directes (inversion du système d’équation) et les méthodes indirectes basées sur de la simulation directe de l’éclairage (lancer de rayon et radiosité) et des algorithmes d’optimisation. Durant nos recherches, nous avons rencontré uniquement des méthodes indirectes de résolution. En effet, les méthodes d’optimisation sont très utilisées dans le cadre de la conception : le concepteur définit son éclairage cible au programme d’optimisation qui en simulant plusieurs solutions essaye d’atteindre cet objectif. Voici ci-dessous le bilan de nos recherches pour chaque type de problème inverse rencontré.

Géométrie inverse

Le premier problème de géométrie inverse abordé provient des travaux de chercheurs de l’université de Girone portant sur la conception de réflecteur de lampes afin d’obtenir l’éclairage souhaité. Le problème est résolu par une méthode indirecte d’optimisation. Puis, nous nous sommes intéressés à des problèmes liés à la conception architecturale. En effet, l’outil de simulation directe de l’éclairage naturel Lightsolve développé par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology est une aide précieuse pour la conception architecturale. Le concepteur peut visualiser l’influence de l’éclairement naturel à différents moments de la journée et de l’année (cycle des saisons pris en compte) Ce logiciel peut être le point de départ d’une démarche inverse de conception comme l’a montré son utilisation dans le cadre de la conception du nouveau siège de l’entreprise Velux. Par ailleurs, des techniques issues de l’Intelligence Artificielle ont attiré notre attention. Les algorithmes génétiques en prenant comme fonction objectif (ou de sélection) un éclairement souhaité permettent une conception paramétrique. Ils ont été appliqués à différents problèmes architecturaux (conception de plafonds, de façades et d’ouvertures).

Éclairage Inverse

Les problèmes d’éclairage inverse ne font intervenir que des sources artificielles de lumière : il s’agit de déterminer la position optimale des sources pour satisfaire les critères requis. Nous avons retrouvé l’utilisation des algorithmes génétiques, déjà rencontrés dans un article traitant de la géométrie inverse, dans deux nouvelles applications : la première consiste à optimiser l’éclairage à l’intérieur d’un tunnel routier ; la seconde s’intéresse à l’éclairage dans une chambre de culture, qui doit être le plus homogène possible.

Une autre méthode d’optimisation utilisant l’intelligence artificielle rencontrée lors de notre étude utilise des réseaux de neurones chaotiques. Ces travaux de l’Université de Tokyo donnent des résultats intéressants quant au placement optimal des sources lumineuses dans une pièce.

Réflectance inverse

Le dernier problème de l’éclairage inverse est clairement le moins exploité. Nous avons cependant souhaité y consacrer un article entier, même si les travaux traitant de ce problème sont moins nombreux. Des travaux menés à l’Institut Géographique National s’intéressent à la détermination de la réflectance des matériaux connaissant la source lumineuse et la géométrie de la scène. Pour cela, ils utilisent à la fois une méthode de simulation directe, dite du lancer de rayon et des méthodes d’optimisation.

Conclusion

Nos recherches mettent en évidence les dernières techniques utilisées dans les différents problèmes de simulation inverse de l’éclairage. La plupart des solutions rencontrées et exposées dans notre étude découlent de travaux universitaires ; leur application concrète par des architectes semble encore limitée.

Cependant, on peut noter la volonté dans beaucoup d’articles de mettre en évidence le gain indéniable de performance de leurs solutions en comparaison de méthodes plus traditionnelles encore utilisées par les professionnels. La démocratisation d’une assistance informatique pour l’optimisation de l’éclairage naturel ou artificiel est en bonne voie.

Plan du rapport final

I. Présentation générale
- Position du problème
- Méthodes de résolution
- Méthodes d’optimisation

II. Bilan sur les problèmes inverses rencontrés
- Géométrie inverse
- Éclairage inverse
- Réflectance inverse