5 le rendu des nuages (état de l'art)
5.3 Rendu de l’atmosphère et du ciel
La variation de la couleur du ciel est essentiellement due à la diffusion et l'absorption de la lumière par les particules de l'atmosphère. Deux phénomènes se combinent pour donner sa luminosité et sa couleur au ciel : la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie. La première est provoquée par des particules très petites (de taille inférieure à la longueur d'onde de la lumière incidente) comme les molécules de l'air, la seconde correspond à l'effet de particules plus grosses (de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière) comme les aérosols.
Le calcul exact des caractéristiques d'un ciel est un problème difficile. En effet, il dépend de la diffusion multiple de la lumière du soleil dans les couches de l'atmosphère, mais aussi de l'éclairage indirect induit par la réflexion de la lumière sur la terre. Le phénomène de diffusion est bien sur dépendant de la longueur d'onde de la lumière et des propriétés globales et locales de l'atmosphère. Nishita [NND96] propose un modèle convaincant pour le calcul de la couleur du ciel.
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Dans cette section, nous avons discuté le rendu de l’atmosphère et du ciel. Ce qu’un observateur va pouvoir observer, va dépendre principalement de la densité des composants (molécules d’air, d’ozone, gouttelettes d’eau, poussière, aérosol, ...) de l’atmosphère et de la distance d’observation (profondeur optique) entre l’objet observé et l’observateur.
La couleur du ciel est une indication de référence sur les différentes parties de la journée. Ainsi, la modéliser par une couleur uniforme n’est pas réaliste. La représentation RGB est suffisante pour capturer la couleur du ciel, mais insuffisante pour prédire les véritables couleurs du ciel lors de phénomènes dépendants des longueurs d’onde (arc-en-ciel...).
5.1.1 Prise en compte de la dispersion atmosphérique
La source principale de lumière dans le ciel est évidemment le soleil lui-même. Cependant, le ciel émet aussi de la lumière (indirecte), en tant que résultat de la diffusion atmosphérique et de la réflexion des nuages et du sol. La distribution de la lumière sur l’hémisphère ou dôme visible du ciel dépend des conditions environnementales particulières (humidité, position géographique, saison, ...).
Un modèle physique précis qui décrit la propagation de la lumière dans l’atmosphère est nécessaire pour afficher la couleur du ciel [Slo02].
Pour le rendu de l’atmosphère il y a deux groupes de méthodes, celles qui se limitent à la dispersion simple [NSTN93] et celles qui traitent la dispersion multiple [NND96]. Des méthodes utilisent des couches concentriques avec une densité constante (molécules d’air et aérosols) [NSTN93] et d’autres avec une densité qui décroît exponentiellement avec l’augmentation de l’altitude [REK04]. Ce ne sont pas les seules subdivisions de l’atmosphère proposées [NND96]. Certaines méthodes [NND96 et BN08] précalculent les parties chères en calculs de l’équation du transport de la lumière (comme la transmittance) et d’autres [Slo02] précalculent l’éclairage du ciel (plutôt basses fréquences) et le projettent sur des fonctions de base appropriées hémisphériques/sphériques. Les projections sur des fonctions sphériques comme les harmoniques sphériques pour la radiance spectrale émise depuis le ciel utilisent le fait que la variation de la radiance est localement basses fréquences. Le problème des précalculs est évidemment l’obtention d’une solution statique du point de vue des conditions atmosphériques. Mais l’utilisation du GPU peut accélérer significativement les précalculs [BN08].
5.1.2 Temps clair ensoleillé
Une étude sur la modélisation et le rendu de l’atmosphère d’un ciel clair est accessible [Slo02]. Le rendu de la couleur du ciel clair ensoleillé en temps réel utilise généralement une couleur uniforme, une photographie ou un modèle paramétrique. En fait, le succès des modèles paramétriques résulte dans l’affichage d’une couleur de ciel visuellement plausible en fonction de la position du soleil et en temps
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réel (et prenant en compte souvent des conditions climatiques). Ces modèles peuvent être obtenus en limitant le nombre de dispersions et de réflexions ou en utilisant des représentations polynomiales des simulations physiques réalisées [PSS99, HMS05].
5.1.3 Le crépuscule
Haber [HMS05] dans son article prend en compte la diffusion atmosphérique multiple de la lumière du soleil pour la simulation physique du crépuscule. Leur modèle d’atmosphère (réaliste) est composé de molécules d’air (à l’origine de la diffusion de Rayleigh), d’une mixture d’aérosols (à l’origine de la diffusion anisotropique de Mie) et de molécules d’eau. Ils prennent en compte la réfraction de la lumière directe du soleil, le "filtrage" du à la couche d’ozone ainsi que l’ombre de la Terre. La prise en compte de la réfraction n’est pas justifiée. L’absorption due à la couche d’ozone peut être considérée négligeable [NSTN93], mais [HMS05] sous-entend le contraire. Haber arriva à simuler les nuances subtiles des ciels de lever ou coucher du soleil (qui changent très vite) et cela pour une grande variété de conditions climatiques.
Un autre point intéressant de leur modèle est l’utilisation de deux représentations pour l’atmosphère. Ils utilisent une représentation sous forme de couches qui partagent les mêmes propriétés optiques (humidité, altitude, concentration des composants...) avec approximativement la même quantité de molécules d’air, et une représentation sous forme de cellules sectorielles pour les transferts radiatifs. Pour rendre correctement les couleurs du ciel du crépuscule, il n’est pas possible de limiter le processus de dispersion à la dispersion simple ou double [HMS05]. Pour le crépuscule, l’illumination indirecte est très importante (car la plus grosse partie visible du soleil l’est depuis les hautes couches de l’atmosphère), ce qui explique la nécessité de prendre en compte la dispersion multiple. Dans [HMS05] l’illumination indirecte est décomposée en une partie anisotropique et une partie isotopique (approximation des dispersions d’ordre supérieur).
5.1.4 Calcul de la contribution directe du ciel
Pour calculer l’illumination directe du ciel (source de lumière diffuse) d’un point p, une intégrale sur un hémisphère doit être calculée, plus précisément une intégrale (irradiance) sur les directions de l’hémisphère où le ciel est visible.