La modification d'éclairage et de matériaux dans une image est un objectif de longue date en traitement d'image, vision par ordinateur et infographie. <br /><br /> Cette thèse a pour objectif de calculer une décomposition en images intrinsèques, qui sépare une photographie en composantes indépendantes : la réflectance, qui correspond à la couleur des matériaux, et l'illumination, qui représente la contribution de l'éclairage à chaque pixel. Nous cherchons à résoudre ce problème difficile à l'aide de plusieurs photographies de la scène. L'intuition clé des approches que nous proposons est de contraindre la décomposition en combinant des algorithmes guidés par l'image, et une reconstruction 3D éparse et incomplète générée par les algorithmes de stéréo multi-vue. <br /><br /> Une première approche permet de décomposer des images de scènes extérieures, à partir de plusieurs photographies avec un éclairage fixe. Cette méthode permet non seulement de séparer la réflectance de l'illumination, mais décompose également cette dernière en composantes dues au soleil, au ciel, et à l'éclairage indirect. Une méthodologie permettant de simplifier le processus de capture et de calibration, est ensuite proposée. La troisième partie de cette thèse est consacrée aux collections d'images: nous exploitons les variations d'éclairage afin de traiter des scènes complexes sans intervention de l'utilisateur. <br /><br /> Les méthodes décrites dans cette thèse rendent possible plusieurs manipulations d'images, telles que l'édition de matériaux tout en préservant un éclairage cohérent, l'insertion d'objets virtuels, ou le transfert d'éclairage entre photographies d'une même scène.

Les contributions de cette thèse sont divisées en trois parties principales. Dans la partie 1, nous proposons une méthode locale utilisant une distribution GGM pour approcher les distributions des images en les subdivisant en groupe de pixels que nous appelons dorénavant clusters. L'idée principale consiste à déterminer quelle caractéristique (couleur, luminance) est plus représentative pour une image donnée. Puis nous utilisons cette caractéristique pour subdiviser l'image en clusters. Quatre stratégies de mise en correspondance des clusters de l'image d'entrée avec ceux de l'image cible sont proposées. Ces stratégies ont pour but de produire des images photoréalistes dont le style ressemble à celui de l'image cible (dans notre cas le style d'une image est défini en termes de couleur et luminosité). Nous étendons le principe de transfert de couleur au transfert simultané de couleur et de gradient. Afin de pouvoir décrire las distributions de couleur et de gradient par une seule distribution, nous adoptons le modèle MGGD (multivariate generalized Gaussian distributions). Nous proposons une nouvelle transformation de distribution MGGD pour des applications de traitement d'image telles que le transfert multi-dimensionnel de caractéristiques d'image, de couleur, etc. De plus, nous adoptons aussi un modèle de distribution plus précis (distribution Beta bornée) pour représenter des distributions de couleur et de luminosité. Nous proposons une transformation de distribution Beta qui permet d'effectuer un transfert de couleur entre images et qui s'avère plus performante que celles basées sur les distributions Gaussiennes. Dans la partie 2, nous introduisons une nouvelle méthode permettant de créer des images HDR à partir d'une paire d'images, l'une prise avec flash et l'autre pas. Notre méthode consiste en l'utilisation d'une fonction de luminosité (brightness) simulant la fonction de réponse d'une caméra, et d'une nouvelle fonction d'adaptation de couleur (CAT), appelée CAT bi-locale (bi-local CAT), permettant de reproduire les détails de l'image flash. Cette approche évite toutes les limitations inhérentes aux méthodes classiques de création d'images HDR. Dans la partie 3, nous exploitons le potentiel de notre adaptation bi-locale CAT pour diverses applications d'édition d'image telles que la suppression de bruit (dé-bruitage), suppression de flou, transfert de texture, etc. Nous introduisons notre nouveau filtre guidé dans lequel nous incorporons l'adaptation bi-locale CAT dans la partie 3. / This thesis addresses three main topics from the domain of image processing, i.e. color transfer, high-dynamic-range (HDR) imaging and guidance-based image filtering. The first part of this thesis is dedicated to color transfer between input and target images. We adopt cluster-based techniques and apply Gaussian mixture models to carry out a more precise color transfer. In addition, we propose four new mapping policies to robustly portray the target style in terms of two key features: color, and light. Furthermore, we exploit the properties of the multivariate generalized Gaussian distributions (MGGD). in order to transfer an ensemble of features between images simultaneously. The multi-feature transfer is carried out using our novel transformation of the MGGD. Despite the efficiency of the proposed MGGD transformation for multi-feature transfer, our experiments have shown that the bounded Beta distribution provides a much more precise model for the color and light distributions of images. To exploit this property of the Beta distribution, we propose a new color transfer method, where we model the color and light distributions by the Beta distribution and introduce a novel transformation of the Beta distribution. The second part of this thesis focuses on HDR imaging. We introduce a method for automatic creation of HDR images from only two images - flash and non-flash images. We mimic the camera response function by a brightness function and we recover details from the flash image using our new chromatic adaptation transform (CAT), called bi-local CAT. That way, we efficiently recover the dynamic range of the real-world scenes without compromising the quality of the HDR image (as our method is robust to misalignment). In the context of the HDR image creation, the bi-local CAT recovers details from the flash image, removes flash shadows and reflections. In the last part of this thesis, we exploit the potential of the bi-local CAT for various image editing applications such as image de-noising, image de-blurring, texture transfer, etc. We propose a novel guidance-based filter in which we embed the bi-local CAT. The proposed filter performs as good as (and for certain applications even better than) state-of-the art methods.