Caractérisation multispectrale imageante du champ de lumière de sources et de matériaux pour la photosimulation, Multispectral imaging assesment of sources and materials for photosimulation

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Sous la direction de Laurent Najman
Thèse soutenue le 04 janvier 2010: Paris Est
Dans l'ouvrage [DBB06], Dutré et al. énumèrent dix problèmes d'Illumination Globale non résolus. Parmi ceux-ci, huit sont liés à la mesure et à l'intégration de données réelles dans les simulations. Cette thèse, en quatre parties et trois annexes, s'intéresse à cette problématique. Tout d'abord, les simulations de la propagation de la lumière dans les domaines du rendu physiquement réaliste, de l'éclairage, de la télédétection, de la conception de systèmes optiques... sont envisagées comme résolutions numériques d'un problème d'optique, fédérées par la notion de « photosimulation ». Dans le cadre de l'équation de rendu, les modèles réalistes de sources et le principe de la mesure goniophotométrique en champ lointain sont alors rappelés. La représentation des interactions lumière-matière est ensuite introduite par une exploration de l'apparence macroscopique, qui amène au rappel de la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle et Spectrale (SBRDF), de ses principales propriétés et modèles. Le problème de la mesure pratique de la SBRDF d'une surface dans le visible est ensuite exploré. Id est, une taxonomie des méthodes de la littérature est établie ; qui allègue en faveur du développement de nouvelles approches. Un dispositif innovant, multispectral imageant, est alors présenté. Il se fonde sur la capture de la projection de la SBRDF sur un écran lambertien 3/4-sphérique, par une caméra multispectrale grand angle, assemblage d'un objectif fisheye, d'un filtre dynamique LCTF et d'une caméra CCD 12 bits. L'extraction des images capturées de l'information de la SBRDF repose sur un modéle radiométrique, qui explicite la transformation de la lumière en niveaux des pixels, dans le formalisme physique. Ce modèle soulève des problèmes de reconstruction multispectrale et d'interréflexions, pour lesquels de nouveaux algorithmes de résolution sont implantés. Les mesures de SBRDF produites semblent très prometteuses. Dans la troisième partie, le problème de la reconstruction d'une fonction directionnelle, identifié comme fondamental en photosimulation, est traité dans le cadre de la reconstruction de SBRDF discrètes. Pour cela, les propriétés mathématiques souhaitables des fonctions reconstruites sont envisagées. Puis, à l'aune de ce corpus, les approches de la littérature sont discutées ; justifiant la recherche d'algorithmes plus performants. Une nouvelle méthode est alors proposée, fondée sur une double triangulation sphérique des échantillons, et une généralisation à la surface d'un triangle sphérique de l'interpolant spline cubique de Hermite. La fonction reconstruite est interpolante, dérivable, quasi-déterministe, ne présente pas l'artéfact bidirectionnel, intègre la métrique sphérique non euclidienne, et prend en compte le difficile problème du masquage. Qualitativement comme quantitativement, les résultats obtenus semblent plaider en faveur du surcroît de complexité théorique qu'induit cette approche. Dans la dernière partie, cet algorithme de reconstruction est appliqué au problème de la « photométrie en champ proche », ou, la caractérisation d'une source réelle par un solide photométrique étendu. La supériorité théorique du modèle étendu est d'abord démontrée. Puis, un état de l'art de la photométrie en champ proche est réalisé ; justifiant la mise en œuvre d'une nouvelle approche. Un nouveau dispositif est alors présenté. Il repose sur le déplacement d'un vidéoluminancemètre, couplage original d'une caméra CCD 12 bits avec un luxmètre, le long d'une trajectoire hémisphérique relative à la source. Les procédures de calibrage de l'instrument – géométrique, radiométrique, et photométrique – sont explicitées. Les sources de lumière caractérisées par cette approche ont été jugées suffisamment probantes pour être intégrées aux photosimulations spectrales du CSTB
-Éclairage
-Synthèse d'images
-Télédétection
-Interpolation
-Photométrie
-Photographie multibande
-Spectroscopie de réflectance
Pas de résumé en anglais
-Lighting
-Image synthesis
-Remote sensing
-Photometry
-Multispectral imaging
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1008/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Université Paris-Est
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est
Spécialité : Informatique
Présentée et soutenue publiquement par
Pierre Boulenguez
le 4 janvier 2010
Caractérisation Multispectrale Imageante du
Champ de Lumière de Sources et de Matériaux pour
la Photosimulation
Multispectral Imaging Assessment of Sources and Materials for
Photosimulation
Rapporteurs
Prof. assoc. Marilyne Andersen Massachusetts Institute of Technology
Prof. Hans Brettel Centre National de la Recherche Scientifique/Télécom ParisTech
Prof. Xavier Briottet Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales
Prof. ém. Bernard Péroche Université Claude Bernard Lyon 1
Directeur
Prof. Laurent Najman École Supérieure d’Ingènieurs en Électronique et Électrotechnique
Encadrants
Dr. Samuel Carré Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
MCF. Benoît Piranda Université de Franche-Comtéiiiii
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1. Georges Brassens (1921-1981).
v
?v???l?u?i?-?m???m?e??s?o?n??l?a??d???r?a?n?g?e?r??l???v?r?e??.?u?n??c?a?c?h?a?n?t.?d?o?u?x?e?n??c?h?a?n?t,PA?m?i?s???r?e,?v??s?i?g?n?e,e?c?b???t?e?r?r?e,??v?i?t?e,?n?l?a?D?o?r???l???v?r?eA?u?n?P?d?o?u?x?c?r?e?u?s?e?c?h?a?n?t,?m?o?r?tA?d?e?r?n?i?e?r??v??c?r?e?u?s?a?e?c?f?a?i?s?a?n?t??p?a?u?v?r?e??p?e,?l????m?eE?u?n???'?y?g?r?a?n?d?P?c?o?u?r?a?g?e,?a?u?v?r?eI?l?d?o?r????'?e?n?B?r?a?s?s?e?n???a?l?l?a?i?t?n?e?t?r?i?m?e?r??t?o?u?j?o?u?r???a?u?xM?a?r?t?i?n?,?c?h?a?m?p??.?l?a?P?t?e?m?a?u?v?r?e?q?u?a?n?d?M?a?r?t?i?n?,?a??p?a?u?v?r?e?l?a?b?o?u?r?e?r??m?i?s???r?e,D?eC?r?e?u?s?e?c?h?a?m?p?,?l?a??s?a??t?e?r?r?e,E?c?r?e?u?s?e?e?n??l?e?a?u?v?r?e?t?e?m?p??.C?r?e?u?s?eP?l?e?o?u?r?I?l?g?a?g?n?e?r??t?o?m?l?e?n??p?a?i?n??s?e?d?e?f?a?i?s?a?n?t?s?a??c?a?c?h?a?n?t,?v?i?e,?s?aD?e?r?i?e?n??l??a?u?r?o?r?e?n?e?j?u?s?q?u?'?a?u??g?e?n??.?c?o?u?c?h?a?n?t,?p?a?u?v?r?eD?e?l?a??l??a?u?r?o?r?e?l?e?j?u?s?q?u?'?a?u?M?a?r?t?i?n??c?o?u?c?h?a?n?t,.I?l?????'?e?n???a?l?l?a?i?t?o?m?m?a?g?e?b???c?h?e?r??b???c?h?a?n?t.?l?a??a?u?v?r?e?t?p?a?u?v?r?e?eC?r?e?u?s?e??t?e?r?r?e,r?l?e?r?e,?pEE?t?n??l?a??t?o?u???l?u?i??l?e???f?a?i?t?l?i?e?u?x,D?e?p?a?r??s?o?n??t?o?u???c?h?a?m?p?,?l?e???l?a?b?o?u?r?e?r??t?e?m?p??.?d?e?r?n?i?e?r?PI?l?a?u?v?r?e?l?u?i?-?m???m?eM?a?r?t?i?n?,?t?o?m?p?a?u?v?r?ee,?m?i?s???r?e,?n?C?r?e?u?s?e?v?i?t?e,?l?a??s?e?t?e?r?r?e,P?c?r?e?u?s?eM?a?r?t?i?n?,?l?e?m?i?s???r?e,?t?e?m?p??.?l?a?S?c?r?e?u?s?e?a?n???t?e?m?l?a?i?s?s?e?r???.?v?o?i?r??c?r?e?u?s?a??s?u?r??s?a??s?o?n??b??v?i?s?a?g?e,EN?i??f?a?i?s?a?n?t?l??a?i?r??e?n??j?a?l?o?u?x?c?a?c?h?a?n?t,?n?i??n??l???v?i?t?e,a?s?e?i?E?tr???t?e?n?d?i?t???m???c?h?a?n?t,??N?i??d?i?r?e?l??a?i?r??o?u?r??j?a?l?o?u?x?p?a???n?i??l?e???l??PaM?a?r?t?i?n?,?i??m?i?s???r?e,r?s?o?u????t?e?r?r?e,?m???c?h?a?n?t,?s?o?u??I?l?t?e?m?p??.?r?e?t?o?u?r?n?a?i?t?a?u?v?r?e?l?e-?c?h?a?m?p?e?c??v??a?u?t?l????p?a?u?l?e,?r?b???c?h?e?uee?c??,AT?o?u?j?o?u?r??H?b???c?h?a?n?t,?d?e??viPlan de la thèse
I Sources et matériaux en photosimulation
1 Notion innovante 3 Représentation
2 Représentation des sources
de photosimulation des matériaux
2.1 Modèles réalistes de sources
3.1 Sur l’apparence de quelques
en éclairage
1.1 Lumière et simulation surfaces
2.2 Photométrie en champ loin-
1.2 Quantification de l’énergie 3.2 Réflectance bidirectionnelle
tain
portée par la lumière et spectrale : la SBRDF
2.3 Photosimulation et limites du
1.3 Problème de l’éclairage global 3.3 Introduction à la modélisa-
modèle ponctuel
tion de la SBRDF
II Un instrument innovant de mesure des matériaux
4 État de l’art de la mesure de 5 Principe et banc d’acquisi- 6 Traitement des données
la réflectance bidirectionnelle tion de l’instrument innovant et résultats de l’instrument
5.1 SourceL 6.1 Approche innovante de la re-
35.2 Écran lambertien - construction multispectrale4.1 Instruments séquentiels 4
sphériqueE 6.2 Modèle radiométrique com-4.2 Instrs imageants
4.3 Aperçu des instruments en 5.3 Axes motorisésA etA plet de l’instrument1 2
5.4 Caméra multispectrale grand 6.3 Résolution et étalonnage dutélédétection
angle (C ,F ,O ) modèle
5.5 Procédure d’acquisitionP 6.4 Résultats et discussion
III Un algorithme innovant d’interpolation bidirectionnelle et spectrale
9 Présentation de l’al-7 Reconstruction raisonnable- 8 État de l’art de la recons-
gorithme innovantment intuitive d’une TSBRDF truction d’une TSBRDF
8.1 Régression d’un modèle ana- 9.1 Interpolation hermitienne
7.1 Nomenclature pour les SBRD- lytique d’une répartition spectrale
F discrètes : la TSBRDF 8.2 Décompositions fonction- 9.2 Interpolation directionnelle
7.2 Notion innovante d’allure nelles hermitienne
« raisonnablement intuitive » 8.3 Moyenne pondérée 9.3 Interpolation bidirectionnelle
8.4 Cas isotrope et sur une grille et spectrale
IV Un instrument innovant de mesure des sources
11 État de l’art de la pho- 12 Instrument innovant de10 Comparaison théorique
tométrie en champ proche photométrie en champ prochedes modèles de sources
10.1 SourceL comme solide 12.1 Structure du solide photo-11.1 Modèle géométrique de la
photométrique ponctuel métrique étendusource
10.2 SourceL comme solide 12.2 Présentation du banc d’ac-11.2 Acquisition des échantillons
photométrique distribué de luminance lumineuse quisition
10.3 SourceL comme solide 12.3 Traitement des données11.3 Reconstruction du solide
photométrique étendu 12.4 Reconstruction et résultatsphotométrique étendu
Annexes
B Aspects logiciels C Capteurs imageants ILT CCDA Autres résultats
B.1 Visualiseur de SBRDF pS- C.1 Capteurs imageants dans le
BRDFView visible
A.1 Dirac– sur la sphère››
B.2 Instrument de mesure des C.2 Principe de la photodiodeA.2 Taxonomie de la dispersion
matériaux C.3 Transfert de charge ILT CCDen photosimulation
B.3 Interpolation bidirectionnelle C.4 Saturation, blooming et
et spectrale libinterpol smear
B.4 Instrument de mesure des C.5 Capteurs ICX085AL et
sources ICX285AL
Séquences de lecture alternatives.
Instrument de mesure de matériaux/SBRDF : (1, 3, C, 4) 5, 6, B.2
Interpolation de fonctions directionnelles : 7.2, 9.2, B.3
Interpolation de SBRDF discrètes : (1, 3) 7, 8, 9, B.3
Instrument de mesure de sources : (1, 2, C, 10, 11) 12, B.4
viiviiiTable des matières
Titre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Hommage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Plan de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Table des matières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Table des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Table des tableaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Table des procédures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Introduction 1
I Sources et matériaux en photosimulation 3
1 Notion innovante de photosimulation 5
1.1 Lumière et simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Modèles physiques de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Lumière physique et simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Quantification de l’énergie portée par la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Grandeurs radiométriques spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Gras photométriques et colorimétriques . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Problème de l’éclairage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Équation des transferts radiatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Algorithmes d’éclairage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Représentation des sources 17
2.1 Modèles réalistes de sources en éclairage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1 Introduction à l’éclairage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Modèles de sources « solides photométriques » . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Photométrie en champ lointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Principe du goniophotomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Visualisation et stockage de l’intensité lumineuse . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Photosimulation et limites du modèle ponctuel . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Solide photométrique ponctuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 Solide phique distribué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3 Solide photométrique étendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
ix3 Représentation des matériaux 25
3.1 Sur l’apparence de quelques surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Phénomène spéculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.2 Pe lambertien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.3 Critère de rugosité de Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.4 Phénomène brillant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.5 Phénomène opalescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.6 Pe de rétroréflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.7 Phénomène anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.8 Pe en couches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.9 Phénomène iridescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.10 Pes fluorescents et phosphorescents . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.11 Bilan sur l’apparence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Réflectance bidirectionnelle et spectrale : la SBRDF . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Définition de la SBRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Conservation de l’énergie d’une SBRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Réciprocité de Helmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.4 Condition d’isotropie de Noé [Noé99] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Introduction à la modélisation de la SBRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Modèle lambertien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Modèle spéculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 Modèle des microfacettes de Cook et Torrance [CT82] . . . . . . . . . 39
3.3.4 Modèle d’optique ondulatoire de He et al. [HTSG91] . . . . . . . . . . 41
3.3.5 Modèle historique de Minnaert [Min41] . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.6 Modèles du lobe de cosinus de Phong [Pho75] et Blinn [Bli77] . . . . 43
3.3.7 Modèle anisotrope de Ward [War92] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.8 Modèle à lobes de cosinus généralisés de Lafortune et al. [LFTG97] . 46
Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II Un instrument innovant de mesure des matériaux 49
4 État de l’art de la mesure de la réflectance bidirectionnelle 51
4.1 Instruments séquentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.1 Gonioréflectomètre de Serrot et al. [SBBC98] . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.2 Gre de Deniel [Den02] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.3 GreLIGHT TECREFLET 90 [TEC07] . . . . . . . . . . 54
4.2 Instruments imageants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Instruments imageants directs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 Instrs imts indirects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Aperçu des instruments en télédétection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Principe et banc d’acquisition de l’instrument innovant 67
5.1 SourceL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
35.2 Écran lambertien -sphériqueE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
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