Lumière et Lumières

               par Séverin GARAM http://www.ray-actif.fr

Bon Ben voila... On me demande de vous parler des
"principales différences entre réalité et 3D" dans un exposé "facile et un autre trés pointu".
Et merci à Sylvain de me mettre ainsi à contribution.
Alors voila


Intro
Je vais essayer de répondre à cette question: quelle sont les différences entre les éclairages dans la réalité et en 3D. Tâche difficile pour moi... pour 2 raisons:

1) Je ne connais pas exactement où en sont les techniques d'éclairage en 3D et j'ai peur de dire des bêtises. Donc je vais y aller "intuitivement"
2) Parler de la Lumière par exemple "Naturelle" revient à parler de quelque chose qui existe sans exister.

Effectivement, la lumière de ce soir (18h ) , ici à St Omer (Pas de Calais à 250km de Paris) revient à définir un éclairage d'un ciel d' éte couchant, dans un ciel legèrement nuageux.
L'éclairement est donc composé de l'intervention direct du Soleil (ombres franches et longues). ET indirect sur les nuages, qui procure une douceur qui estompe un peu les ombres.

Mais qu'en est il à Marseille? Qu'en sera t il en Automne?
Quelle Lumière semble "Naturelle" à un Lapon, à un Andalou, à un Congolais?
Si ce n'est sa " lumière habituelle"? (Avec plus ou moins d'ombres, elles même plus ou moins rasantes, avec des valeurs chromatiques plus ou moins chaude ou rouge ou au contraire froide ou bleutée ).
Quel espoir le Finlandais met dans l'éclairement direct du Soleil alors qu'en Hiver il fait encore nuit à 10h du matin...
Quel repos offre aux Africains l'astre solaire quand il ne leur cuit pas la tête ?

Donc pour parler de Lumière, faut il avoir conscience de quelle Lumière l'on va parler.
Si la Lumière est définie suivant des valeurs standardisées par la CIE (Comité International de l'Eclairage), elle bouge, elle vit, elle change, elle est insaisissable. Travailler la Lumière en 3D comme la réalité reviens tout d' abord à situer son " scenario ", son ambiance.

Je suis sur que beaucoup d'entre vous effectuent cette démarche, beaucoup trop d'ailleurs . Beaucoup trop, à mon gout (mais il est vrai que je suis assez terre à terre) dans le sens que les lumières que je vois sur nombres d'images sont, pour le moins, exagérément théatralisées, ou du moins forcées. Les ombres sont trés (trop franches), les faisceaux (pourtant invisibles) appuyées, les impacts flagrants. Cela confère aux scènes des dimensions un peu sur-réalistes car... peu courantes.

Il serait peut être bon, parfois, et dans certains scénario, de suggérer les éclairages, de les faire en ressentis, plutot qu'en acteurs principaux. Mais du fond ou de la forme, tout le monde peut s'exprimer. Notez quand même que, au cinéma, où pratiquement tous les éclairages sont (naturels +) artificiels, vous devez vous concentrer sur les images pour distinguer les ombres, les reflets, les lumières tant elle sont discrètes ...pour se faire oublier et donc... pour paraîtres naturelles.

Donc je tenterais de parler des Lumières réelles, dans une notion ou elles participent bien entendu à la création d'une image visible, mais sans pour autant la considérer comme Principal élément de la vision, au sens de sa perception.

 

  • Deux types de Lumières

Il existe deux types de Lumières.

Les Lumières dites naturelles: ce sont celles qui sont générées par des éléments pour lesquels l'homme n'est pas intervenu ou ne peut pas intervenir : Soleil, ciel, ciel nuageux, ciel+Lune ou Etoile etc .
mais aussi, dans une certaine mesure celles qui sont créées par des animaux ou des végétaux ou même des minéraux. (plus rarement importants) Le feu est aussi classé dans les éclairages naturels, mais il peut être, nous le savons bien, artificiellement créé.

Toutes ces lumières ont leurs caractéristiques propres, à un certain moment, et dans certaines conditions.

Les Lumières artificielles enfin, pour lesquelles l'homme est intervenu à un certain moment.

Le Feu, quand il est encore utile pour s'éclairer, mais aussi 4 sortes de générateurs. Je fais abstraction de certaines sources de lumières aujourd'hui désuètes (Huile Gaz, Etincelle):

a : L'incandescence.

C'est la brillance d'un filament dans une "ampoule" remplie de vide et de gaz permettant de limiter la consummation du filament. C'est donc entre 75 et 80% de chaleur, le reste est Lumière.
Lumière Jaune ( incancescence ) à moins jaune (halogène)
Procure d'autant plus d'ombres franches que le filament est ponctiforme, et/ou proche de l'objet.
La meilleure comparaison est le Soleil quand il brille franchement dans un ciel dégagé. C'est pour cela qu'on dit que tout est bô sous le soleil, car les ombres sont flateuses .

b : La fluorescence.

Brillance d'un tube ou d'une lampe recouverte d'une poudre (fluorecente ) qui réagit à l'émission d'Ultra Violet généré dans cette enveleoppe. 25% de chaleur et 75% de Lumière.
Lumière qui va du Chaud au tres froid , donc du Jaune Orangé au Bleu pale. Procure peu d'ombres car les sources sont, generalement assez volumineuses, meme pour les plus petites.
Le meilleur grand frère naturel est le ciel couvert par des nuages.

c : Les sources à décharges.

Lumière générées par des gaz qui brillent quand il sont traversés par un arc electrique.
2 sous-familles:

Les lampes Sodium (Jaune à Orangé) utlisées en éclairage Urbain
Les lampes aux Iodures Métalliques (Blanc cahu à blanc tres Bleu) utilisées en Eclairage commercial , en télévision, cinéma, etc.
Procurent peu d'ombres. Pas de comparaison avec un référentiel naturel.

  Voila pour... les premiers chapitres.  Je vous laisse le digérer.

Seconde partie

Suite de : principales différences entre réalité et 3D" dans (un exposé "facile et un autre trés pointu".)

Dans la première partie nous avons vus que les lumières étaient déja différentes entre elles, qu'elles soients naturelles ou artificielles. Nous allons maintenant aller un peu plus loin et définir les réelles différences qui caractérisent ces Lumières, nottament pour les Lampes Artificielles.

Les sources de lumière émettent des ondes de type Electromagnétiques situées entre deux valeurs (400 nm et 780 nm) qui correspondent aux limites ou commences les Ultra violets d'un coté et les Infra Rouges de l'autre cote. Les rayons situées entre ces 2 valeurs permettent à l'homme de voir les objets qui sont frappés pas ces rayons.

!!!!!Remarque importante: La Lumière ne se voit pas en tant que telle.
Il est illusoire de penser que l'on voit la Lumière. La Lumière est invisible. Seuls les objets bombardés de Lumière sont visibles. Cela signifie que les simulations ou sont représentés les "faisceaux" sont fausses, a moins qu'elle intègrent de la fumée, de la poussière, ou d'autres éléments qui seraient Frappés de ces rayons, seule condition pour visualiser... le parcours de la Lumière.

Je disais donc que "Les rayons situées entre ces deux valeurs permettent à l'homme de voir les objets qui sont frappés pas ces rayons". On peut observer, quand la Lumière traverse un prisme, que les couleurs de l'arc en ciel sont projetés au delà de ce prisme. Il s'agit de la décomposition du spectre par diffraction (Expérience du Prisme par Newton). On remarque alors les couleurs suivantes: Violet, indigo, bleu, vert, jaune , orange et rouge. En fait on voit surtout ces couleurs majeures et leurs nuances. La lumière dite blanche (émanant du soleil) a été décomposée et se révèle sous un angle visible mais surtout nous renseigne sur sa nature: les bandes Electromagnétiques dont elle est composées peuvent être percus, interprétés, visibles.

Aux rayons entre 400 et 440 nm c'est le Violet qui prime, 440et 500 nm le Bleu, 500 et 570 nm le vert etc ... On en a donc déduit que si une lampe donnait plus de rayons situés dans les valeurs de 500nm, sa  lumière serait verte, de 600 nm orangée etc . Ce qui signifie qu'une source de lumière pourra etre caractérisée par sa composition de rayonnements électromagnétiques d'une manière scientifique; il suffit d'en donner les principales valeurs qui la composent.

Plus elle sera chargée en valeur proche des Infra rouges (à partir de 600 nm) plus elle sera rougoyante, et, par assimilation au rayonnement du Feu, sera apellée Lumière Chaude.
Au contraire, plus elle émettra des valeurs situées dans les 550 et inférieurs, plus elle sera foide car verte et bleue, voir violette.

Le soleil par exemple donne une lumière dont les principales valeurs se situent dans les rouges. Le ciel à midi donne des valeurs bleues. Le ciel au couchant et au levant donne du rouge.

Cette caractéristique s'appelle La température de Couleur d'une source Lumineuse. Elle est exprimée en degré "Kelvin".

Une bougie nous offre une lumière chaude; elle est caractérisée par une temérature de couleur de l'ordre de 1800K (K=Kelvin). Une lampe standard donne 2800K, tandis qu'une lampe halogène donne 3100K

La Lumière du Soleil en fin d'apres midi donne 4000K, tandis qu'à midi elle est à 5500 K.
Le ciel, quand à lui, est située entre 6500 et 7500 quand  il est couvert,  8000 8500K quand il est dégagé.

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On voit donc que plus la Lumière est "Blanche" plus sa temérature de couleur est haute. A l'inverse, plus sa couleur est chaude, plus elle est basse. Un bon moyen de le vérifier est de se rappeller du baton d'acier qui est chauffé. Plus la température monte, plus il brille vers le jaune pale (d'ou l'expression "métal porté à blanc").  Il passe du rouge foncé au rouge vif, de l'orange au jaune, puis au                blanc.

Notez que plus il est blanc, plus il rayonne de lumière.
Etrangement, la Lumière qui est blanche, voir bleutée est, dans la Langage des spécialistes appellée Lumière Froide; effectivement, et même si sa température de couleur est tres élevée, elle rayonne avec un maximum d'ondes bleues, et donc émet une teinte fraiche, ou presque bleue. Le ciel sans nuages donne une lumière tres bleutée, même si l'oeil a corrigé ce phénomène et pense qu'elle  est...blanche. Donc la Lumière se caractérise par sa température de couleur.
Les valeurs les plus courantes sont les suivantes: (Voir image ci-dessus)
Le prochain chapitre donnera l'importance de ces Températures de couleur sur la perception des... Couleurs
@plus

De l'importance des Températures de couleur
                                    sur la perception des...Couleurs

Nous avons vu que les sources lumineuses avaient des températures de couleurs distinctes, en fonction de leurs natures.
Voir les couleurs d'un objet (une Tomate par exemple) revient à percevoir les rayons électromagnetiques que l'objet (ici la tomate) nous renvoie de la lumière dont elle a été baignée.
C'est par les pigmentations ou la coloration de l'objet que l'impression de couleur nous est fournie (ici le rouge de la tomate). ET de la Lumière qu'elle recoit l'objet éclairé nous renvoit une partie des rayons électromagnétiques reçus (Le rouge pour notre tomate) et absorbe les autres. C'est ainsi qu'une feuille de papier blanche renvoie... toute la lumière blanche qu'elle reçoit, tandis qu'un papier noir l'absorbe intégralement et... sous le soleil par exemple, chauffe.

Une remarque est donc à bien saisir: plus la lumière incidente est chargée d'ondes électromagnétiques chaudes (par exemple orangées et rouges) plus les objets de couleurs orangée ou rouges seront flattés. Inversement, plus la lumière sera froide, moins elle possède d'ondes de couleurs chaude et donc moins l'objet sera valorisé. Ceci revient à dire que les objets de couleurs chaudes devraient (en éclairage artificiel et si on a le choix) être éclairés par des lumières chaudes, et inversement. Reste que les objets ne sont pas seuls dans notre champs visuel et que parfois nous n'avons pas le choix ou ne pouvons pas choisir.

Mais si on a le choix, les sources comme les lampes à incandescences ou halogènes seront plus favorables à un éclairage artificiel d'un local (par exemple) recouvert de peintures chaudes, mais feraient virer les bleus (en les rendants violacés par la présence de rouge dans leurs spectres électromagnétiques ). Au contraire, une plante verte est beaucoup plus agréable à regarder sous une lumière "froide" car cette dernière est fortement chargée d'ondes électromagnétiques bleues et vertes et donc nous renvoie une "couleur" plus forte.

On peut en déduire que, finalement, la couleur (intrinsequement) n'existe pas, car c'est une sensation visuelle composée de Lumière + Pigmentation ou Coloration.

Mais me direz vous, nous avons bien une notion de couleur vraie, de couleurs de la nature, de couleurs réelles, émanant de l'éclairage naturel.

Oui et non. Oui car on ne pourrait nier le contraire. Tout a chacun, du moins ceux qui ont la chance de voir, percoivent la couleur d'une tomate, d'une orange, d'une rose. Couleur qui semble être toujours identique.

Non car... en fait, ces sensations changent au fur et a mesure de la Lumière, que ce soit parce que le soleil se couche, ou parce que vous êtes en Afrique et que votre réferentiel habituel est la France, ou parce que le ciel se charge de nuages. Alors les couleurs changent, se modifient, se déforment, et vous offrent des valeurs plus ou moins chaudes, lumineuses, fortes. Mais l'oeil s'accomode à ces variations, le cerveau les corrige parfois, ou votre inconscient les interprête.

Prennons un exemple (Voir image ci-dessous) (Remarquez que j'ai pris la seule photo ou la pendule est... en panne!!!  ;=)  ). Un dome est éclairé à midi. Il fait chaud, vous êtes bien dans cette ville que vous visitez. La teinte grise de la toiture vous parait normale puisque c'est de l'ardoise, les murs sont normaux puisque c'est un crépis, les décors vous plaisent beaucoup. Vous repassez en fin d' apres midi, sous un soleil déclinant. Le dome est radicalement diférent de votre première rencontre avec lui... Mais...Vous offre un spectacle chaud, agréable, majestueux. Pourtant ses couleurs sont ... radicalement faussées. Couverture ocre/marron, murs jaunes etc . Mais cela vous plait et vous n'en êtes pas choqués.

Existe-t-il alors des couleurs "naturelles"?

Non, elle ne peuvent exister, car la Lumière naturelle (sauf pour des scientifiques qui se sont définis une lumière normalisée) est changeante. Le rouge d'une tomate n'a rien à voir le matin ou le midi, en Espagne ou en Finlande .
Ainsi, ne recherchez pas une source de lumière qui serait fidèle à la Lumière du Jour...Car cette dernière est trop... infidèle...

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"GARAM" poursuit son discour (Chapitre 4)

Je disais:
Ainsi, ne recherchez pas une source de lumière qui serait fidèle à la
Lumière du Jour...Car cette dernière est trop... infidèle...

Mais alors, me direz vous, à quelle lumière peut on se fier (ou quelle lumière utiliser) utiliser et pourquoi parle ton d'IRC (Indice de rendu des Couleurs)?

Répondons déjà à la première question.

Qu'est ce que l'IRC?
Historiquement, la première "lampe" ou ampoule artificielle a été (si ce n'est conçue) développée pat T. EDISON en 1879
Le principe était de faire briller, par incandescence, un mince fil de carbone (Bambou?) dans une "ampoule" vide d'air afin qu'elle émette de la Lumière le plus longtemps possible (40 Heures pour la première). L'incandescence est aujourd'hui aussi présent dans nos lampes standard (décoratives ou classique) que dans les Halogènes.

Il aura donc fallu, à un certain moment "comparer" les ampoules entre elles afin d'en évaluer les différences.
Outre leurs caractéristiques photométriques, physiques et pratiques, il a fallut dire si une lampe donnait une Lumière plus "belle" qu'un autre, et déterminer sa capacité à reconstituer la Lumière... du Soleil , appelée aussi, a tort, Lumière blanche.
On a donc penser à comparer la dite ampoule avec une source proche de celle du soleil, non pas en quantité mais en qualité...
Parce que a l'époque, on n'avait pas d'autre source de lumière artificiel...
Donc les essais on portés sur la comparaison entre une ampoule d'éclairage artificiel et....un "corps noir" qui a été élevé à la même température que le filament de la dite source artificielle. Par exemple si la lampe était montée à 2700K, on élevait le corps noir à 2700K Puis on comparait les rendus de couleurs entre l'un et l'autre en comparant leurs rendu sur un nuancier de couleurs.

Bien évidemment, les résultats étaient identiques, parce que les principes étaient identiques. C'est pour cela que l'IRC d'une lampes à incandescence....est de 100 (Soit la maximum)

En conclusion, les valeurs de l'indice de rendu des couleurs sont données aujourd'hui, en comparant le rendu des couleurs d'une source lumineuse et le rendu des couleurs d 'un corps noir élevé à la même température de couleur.

Encore une aberration de notre métier qui laisserait à supposer, pour le commun des mortels, que l'IRC est la valeur d'une source de Lumière artificielle à restituer la "Lumière de Jour", que je prétend être inexistante car ... changeante.

Cet IRC sert néanmoins à comparer les sources entre elles, entre chaque fabriquant ou chaque technique par exemple.

On admet comme valeur

< 25 très mauvais "rendu des couleurs" (Sodium Basse Pression qui
"éclairait" nos tunnels il y a encore quelques années, et où l'on ne distingue pas les couleurs sauf le jaune)

25<IRC> 60 Mauvais (Ballon Fluorescent, Sodium Haute pression - Éclairage
Routier- par exemple)

60<IRC>80 Moyen (Tubes Fluorescent "Basic et Industriel)

80<IRC>85 Bon (Tubes Fluorescents Standards et Iodures Métalliques)

IRC>85 Excellent

Mais n'oublions pas que ce referenciel ne donne pas la caractéristique réelle d'une Source artificielle à reconstituer la Lumière du Jour!!!!

Alors, à quelle lumière peut on se fier?

C'est la que le Créateur intervient...

Dans n'importe quelle exemple, la Lumière artificielle (ou pour les créateurs d'images de tous poils, la Simulation dUNE Lumière naturelle) doit correspondre à... la sensation que l'on souhaite apporter à la conception.

Par exemple...
Un marchand de Meubles ancien aura plus de chance de vendre ses objets sous un éclairage qui "ressemblerait" à celui que son client aura chez lui... Ainsi la perception visuelle sera proche entre le magasin et l'intérieur de l'acheteur.

Mais au contraire un marchand de blousons en cuir séduira plus sa clientèle en les éclairant sous une "lumière naturelle", reconstituant ainsi les conditions "normales" de l'utilisation de l'article.

On peu raisonner de même pour les dessous féminins (plus habituellement goûtés sous les éclairages d'une bougie ou d'un lustre de style) ou pour les voitures, généralement utilisées sous la Lumière de l'astre solaire.

Un Éclairagiste de plateau, de ces Éclairagistes qui "fabriquent" une ambiance cinématographie ou photographique, composera ses lumières pour "re-créer" une atmosphère (D'intérieur, d'extérieur neigeux ou ensoleillé etc.) sans se fier aux Lumières du Jour.

De même, un illustrateur devra composer son éclairage en fonction de la sensation qu'il voudra faire ressentir (Gaieté, Hivers, Intérieurs etc.). C 'est pourquoi il faudra bien et beaucoup observer la Lumières, je dirais même LES LUMIERES qui nous environnent, les détailler, les décomposer pour pouvoir un jour les reconstituer...

Séverin GARAM
http://www.ray-actif.fr

Quelques précisions

(en tant que pov-gars et astronome amateur) par ZeSly

Le spectre électromagnétique complet se compose,
                      de la plus grande longueur d'onde à la plus petite,
de:

  •  les ondes radio : GO, PO, FM, la Télé, le GSM, les satellites, les radars, radioastronomie;
  •  l'infrarouge : capteur et camera thermique;
  •  lumière visible : open your eyes ! Beaucoups de téléscopes professionnel sont utilisés  à la fois en visible et en infrarouge, exemple : Hubble, VLT;
  •  ultraviolet : lampe a bronzer;
  •  rayons X: radiographie;
  •  rayons gamma : radioactivité;
  •  rayonnement cosmique.

Plus la longueur d'onde est faible, plus l'énergie est importante et plus le rayonnement est pénétrant. C'est pourquoi, il ne faut pas abuser du bronzage, que la radiographie doit être pratiquée par un proffessionel et que la radioactivité est à éviter !
Ces rayonnements, nocifs pour les êtres vivants sont filtrés par l'atmosphere terrestre. C'est pourquoi les observatoires exploitant ces longueurs d'ondes sont en orbite.

http://www.dasop.obspm.fr/dasop/sciences/chap2/lumcodes.html

> La Lumière ne se voit pas en tant que telle.
Il est illusoire de penser que l'on voit la Lumière.
La Lumière est invisible. Seuls les objets bombardés de Lumière sont visibles.
Cela signifie que les simulations ou sont représentés les "faisceaux" sont fausses, à moins qu'elles intègrent de la fumée, de la poussière, ou d'autres éléments qui seraient Frappés de ces rayons, seule condition pour visualiser... le parcours de la Lumière.

Tout a fait. D'ailleur, si vous braqué votre camera sur une light_source vous ne verrez rien ! Dans la realité les faisceaux de lumière visible le sont parce que de fines particules de poussière sont éclairées. Pour avoir le même effet avec Pov-Ray, il faut simuler cette poussière avec un effet atmospherique comme un média.

> Le soleil par exemple donne une lumière dont les principales valeur se situient dans les rouges. Le ciel à midi donne des valeurs bleues. Le ciel au couchant et au levant donne du rouge.

Ces couleurs ne sont pas due au Soleil lui même mais à la réfraction des rayons par l'atmosphères terrestres.

> Cette caractéristique s'appelle La température de Couleur d'une source Lumineuse.
Elle est exprimée en degré "Kelvin".

0K = 273,16 °C
Cela correspond au 0 absolu (zéro absolu), température à laquelle il n'y a plus aucun rayonnement, plus d'énergie, toutes les particules de matières sont figées.

> Plus la température monte, plus il brille vers le jaune pale (d'ou l'expression "métal porté à blanc"). Il passe du rouge foncé au rouge vif, de l'orange au jaune, puis au blanc.
Notez que plus il est blanc, plus il rayonne de lumière
Etrangement, la Lumière qui est blanche, voir bleutée est, dans la Langage
des spécialistes appellée Lumière Froide; effectivement, et meme si sa température de couleur est tres élevée, elle rayonne avec un maximum d'ondes bleues, et donc emet une teinte fraiche, ou preque bleue. Le ciel sans nuages donne une lumière tres bleutée, meme si l'oeil a corrigé ce phénomène et pense qu'elle est...blanche.
Donc la Lumière se caractérise par sa température de couleur.

On peut peut-être faire la comparaison avec la couleur des étoiles.
Une étoile rouge a une température de surface autour de 3000K,
notre Soleil jaune, autour de 6000K,
une bleu, les plus chaudes, atteint les 20 000K.

ZeSly http://perso.wanadoo.fr/zesly/

Précisions + +:

>> Le soleil par exemple donne une lumière dont les principales valeur se
>> situient dans les rouges.
>> Le ciel à midi donne des valeurs bleues.
>> Le ciel au couchant et au levant donne du rouge.
> Ces couleurs ne sont pas due au Soleil lui même mais a la réfraction des
> rayons par l'atmospheres terrestres.

le bleu est dû à la diffusion des longueurs d'ondes courtes (UV, violet, bleu) dans toutes les directions (isotropique, scattering type 1 en langue POV) le rouge, lui passe mieux dans la direction de la lumiere. Un petit google "couleurs du ciel" m'a mené à cet article très bien fait: http://www.inrp.fr/lamap/scientifique/optique/savoir/couleur_ciel.htm

Marc Jacquier http://marc.jacquier.free.fr/