Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux systèmes intelligents pour des applicationsmédicales et cosmétiques. Ainsi, nous avons conçu et réalisé trois instruments. Le premier estdédié à la mesure de la mouillabilité de la peau. L’originalité de ce dispositif réside en sa capacité àdonner une image 3D de la goûte de la surface de la peau explorée et de donner le comportementdynamique de la goûte. Cette stratégie nous donnera la possibilité de créer de nouvelles basesde données relatives à la mouillabilité de tout le corps humain. En effet, nous disposons que desdonnées sur la mouillabilité de l’avant-bras. Le deuxième instrument intelligent concerne la mesurede la réflectance d’une surface. Ce dispositif assure une mesure de très haute résolution angulairede la BRDF et une très bonne répétabilité de la mesure. Il a été validé sur la peau pour la mesurede l’ éclat. Et enfin le troisième instrument, basé sur une méthode originale de mesure de vibrationà l’aide d’un système de stéréo-vision associée à un motif périodique. Il a été appliqué pour lamesure du mouvement thoracique et abdominal lors de la respiration. Notre principale motivationpour développer ce système fut la réduction des artefacts, dus aux mouvements d’un patient lorsd’un examen radiologique. / Smart Devices have been widely used by health care and cosmetics professionals. Indeed, they helpin many aspects of clinical practice by providing an efficient way for medical diagnosis, supportingbetter clinical decision-making and improving patient outcomes. In this thesis, we have beeninterested in three applications. The first one is related to the wettability measurement, especially forthe human skin. So we propose, a held-hand device that is based on the contact angle measurementto determine skin wettability. Besides, the device allows the visualization of the liquid dropletspreading in both dynamic and static modes. Moreover, it can measure the top and the left views ofthe droplet and provides the 3D droplet and the skin explored area profiles. The second applicationpermits the skin radiance measurement. For this purpose, we propose a miniaturized device havingan original method for the BRDF measurement associated with 3D profile measurement of the areastudied. As regards the third application, it is a non-invasive method for breath measurement that usesa stereovision system and a pseudo-periodic pattern. This system allows a high-resolution threedimensionaldisplacement measurement for the recording of the thoracoabdominal wall respiratorymovement. The devices developed during this research gives us a high accuracy, a good resolutionand repeatability of measurements.

The Arctic tundra, covering approx. 5.5 % of the Earth’s land surface, is one of the last ecosystems remaining closest to its untouched condition. Remote sensing is able to provide information at regular time intervals and large spatial scales on the structure and function of Arctic ecosystems. But almost all natural surfaces reveal individual anisotropic reflectance behaviors, which can be described by the bidirectional reflectance distribution function (BRDF). This effect can cause significant changes in the measured surface reflectance depending on solar illumination and sensor viewing geometries. The aim of this thesis is the hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization of important Arctic tundra vegetation communities at representative Siberian and Alaskan tundra sites as basis for the extraction of vegetation parameters, and the normalization of BRDF effects in off-nadir and multi-temporal remote sensing data. Moreover, in preparation for the upcoming German EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) satellite mission, the understanding of BRDF effects in Arctic tundra is essential for the retrieval of high quality, consistent and therefore comparable datasets. The research in this doctoral thesis is based on field spectroscopic and field spectro-goniometric investigations of representative Siberian and Alaskan measurement grids. The first objective of this thesis was the development of a lightweight, transportable, and easily managed field spectro-goniometer system which nevertheless provides reliable spectro-directional data. I developed the Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations (ManTIS). The outcome of the field spectro-radiometrical measurements at the Low Arctic study sites along important environmental gradients (regional climate, soil pH, toposequence, and soil moisture) show that the different plant communities can be distinguished by their nadir-view reflectance spectra. The results especially reveal separation possibilities between the different tundra vegetation communities in the visible (VIS) blue and red wavelength regions. Additionally, the near-infrared (NIR) shoulder and NIR reflectance plateau, despite their relatively low values due to the low structure of tundra vegetation, are still valuable information sources and can separate communities according to their biomass and vegetation structure. In general, all different tundra plant communities show: (i) low maximum NIR reflectance; (ii) a weakly or nonexistent visible green reflectance peak in the VIS spectrum; (iii) a narrow “red-edge” region between the red and NIR wavelength regions; and (iv) no distinct NIR reflectance plateau. These common nadir-view reflectance characteristics are essential for the understanding of the variability of BRDF effects in Arctic tundra. None of the analyzed tundra communities showed an even closely isotropic reflectance behavior. In general, tundra vegetation communities: (i) usually show the highest BRDF effects in the solar principal plane; (ii) usually show the reflectance maximum in the backward viewing directions, and the reflectance minimum in the nadir to forward viewing directions; (iii) usually have a higher degree of reflectance anisotropy in the VIS wavelength region than in the NIR wavelength region; and (iv) show a more bowl-shaped reflectance distribution in longer wavelength bands (>700 nm). The results of the analysis of the influence of high sun zenith angles on the reflectance anisotropy show that with increasing sun zenith angles, the reflectance anisotropy changes to azimuthally symmetrical, bowl-shaped reflectance distributions with the lowest reflectance values in the nadir view position. The spectro-directional analyses also show that remote sensing products such as the NDVI or relative absorption depth products are strongly influenced by BRDF effects, and that the anisotropic characteristics of the remote sensing products can significantly differ from the observed BRDF effects in the original reflectance data. But the results further show that the NDVI can minimize view angle effects relative to the contrary spectro-directional effects in the red and NIR bands. For the researched tundra plant communities, the overall difference of the off-nadir NDVI values compared to the nadir value increases with increasing sensor viewing angles, but on average never exceeds 10 %. In conclusion, this study shows that changes in the illumination-target-viewing geometry directly lead to an altering of the reflectance spectra of Arctic tundra communities according to their object-specific BRDFs. Since the different tundra communities show only small, but nonetheless significant differences in the surface reflectance, it is important to include spectro-directional reflectance characteristics in the algorithm development for remote sensing products. / Die arktische Tundra ist mit circa 5,5 % der Landoberfläche eines der letzten großen verbliebenen fast unberührten Ökosysteme unserer Erde. Nur die Fernerkundung ist in der Lage, benötigte Informationen über Struktur und Zustand dieses Ökosystems großräumig und in regelmäßigen Zeitabständen zur Verfügung zu stellen. Aber fast alle natürlichen Oberflächen zeigen individuelle anisotrope Reflexionsverhaltensweisen, welche durch die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (englisch: BRDF) beschrieben werden können. Dieser Effekt kann zu erheblichen Veränderungen im gemessenen Reflexionsgrad der Oberfläche in Abhängigkeit von den solaren Beleuchtung- und Blickrichtungsgeometrien führen. Zielstellung dieser Arbeit ist die hyperspektrale und spektro-direktionale Charakterisierung der Oberflächenreflexion wichtiger und repräsentativer arktischer Pflanzengesellschaften in Sibirien und Alaska, als Grundlage für die Extraktion von Vegetationsparametern und die Normalisierung von BRDF-Effekten in Off-Nadir und multi-temporalen Fernerkundungsdaten. In Vorbereitung auf die bevorstehende nationale EnMAP Satellitenmission ist ein Grundverständnis der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra von wesentlicher Bedeutung für die Erstellung von hochqualitativen, konsistenten und damit vergleichbaren Datensätzen. Die in dieser Arbeit genutzten Daten beruhen auf geländespektroskopische und geländespektro-goniometrische Untersuchungen von repräsentativen Messflächen in Sibirien und Alaska. Die Entwicklung eines leichten, transportablen und einfach anzuwendenden Geländespektro-Goniometers, welches dennoch zuverlässig Daten liefert, war die erste Aufgabe. Hierfür habe ich ein Gerät mit der Bezeichnung ManTIS („Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations“) entwickelt. Die Ergebnisse der geländespektro-radiometrischen Messungen entlang wichtiger ökologischer Gradienten (regionales Klima, pH-Wert des Bodens, Bodenfeuchte, Toposequenz) zeigen, dass die Pflanzengesellschaften sich anhand ihrer Nadir-Reflektanzen unterscheiden lassen. Insbesondere die Möglichkeit der Differenzierung im sichtbaren (VIS) blauen und roten Wellenlängenbereich. Die Nah-Infrarot (NIR) Schulter und das NIR-Reflektanzplateau sind trotz ihrer niedrigeren Reflektanzwerte eine wertvolle Informationsquelle, die genutzt werden kann um die Pflanzengesellschaften entsprechend ihrer Biomasse und der Vegetationsstruktur voneinander zu unterscheiden. Im Allgemeinen zeigen die verschiedenen Pflanzengesellschaften der Tundra: (i) eine niedrige maximale NIR-Reflektanz; (ii) ein schwaches oder nicht sichtbares lokales Reflektanzmaximum im grünen VIS-Spektrum; (iii) einen schmalen „red-edge“ Bereich zwischen dem roten und NIR-Wellenlängenbereich und (iv) kein deutliches NIR-Reflektanzplateau. Diese gemeinsamen Nadir-Reflektanzeigenschaften sind entscheidend für das Verständnis der Variabilität der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra. Keine der untersuchten Pflanzengesellschaften wies isotrope Reflektanzeigenschaften auf. Im Allgemeinen zeigt Tundravegetation: (i) die höchsten BRDF-Effekte in der solaren Hauptebene; (ii) die maximalen Reflexionsgrade in den rückwärts gerichteten Blickrichtungen; (iii) höhere Grade an Anisotropie im VIS-Spektrum als im NIR-Spektrum und (iv) schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen in den längeren Wellenlängenbereichen (>700 nm). Die Analyse des Einflusses von hohen Sonnenzenitwinkeln auf die Anisotropie der Rückstrahlung zeigt, dass sich mit zunehmenden Sonnenzenitwinkeln die Anisotropie-Eigenschaften in azimutal-symmetrische schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen ändern. Auch ergeben die spektro-direktionalen Analysen, dass Fernerkundungsprodukte wie der NDVI oder die relative Absorptionstiefe stark von BRDF-Effekten beeinflusst werden. Die anisotropen Eigenschaften der Fernerkundungsprodukte können sich erheblich von den beobachteten BRDF-Effekten in den ursprünglichen Reflektanzdaten unterscheiden. Auch lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass der NDVI relativ gesehen die blickrichtungsabhängigen BRDF-Effekte minimieren kann. Für die untersuchten Pflanzengesellschaften der Tundra weichen die Off-Nadir NDVI-Werte nie mehr als 10 % von den Nadir-NDVI-Werten ab. Im Resümee dieser Studie wird nachgewiesen, dass Änderungen in der Sonnen-Objekt-Sensor-Geometrie direkt zu Reflektanzveränderungen in den Fernerkundungsdaten von arktischen Pflanzengesellschaften der Tundra entsprechend ihrer objekt-spezifischen BRDF-Charakteristiken führen. Da die verschiedenen Arten der Tundravegetation nur kleine, aber signifikante Unterschiede in der Oberflächenreflektanz zeigen, ist es wichtig die spektro-direktionalen Reflexionseigenschaften bei der Entwicklung von Algorithmen für Fernerkundungsprodukte zu berücksichtigen.

Cette thèse présente quelques avancées sur la représentation efficace de l’apparence matérielle dans une simulation de l’éclairage. Nous présentons deux contributions : un algorithme pratique de simulation interactive pour rendre la réflectance mesurée avec une géométrie dynamique en utilisant une analyse fréquentielle du transport de l’énergie lumineuse et le shading hiérarchique et sur-échantillonnage dans un contexte deferred shading, et une nouvelle fonction de distribution pour le modèle de BRDF de Cook-Torrance. Dans la première partie, nous présentons une analyse fréquentielle de transport de l’éclairage en temps réel. La bande passante et la variance sont fonction de l’éclairage incident, de la distance parcourue par la lumière, de la BRDF et de la texture, et de la configuration de la géométrie (la courbure). Nous utilisons ces informations pour sous-échantillonner l’image en utilisant un nombre adaptatif d’échantillons. Nous calculons l’éclairage de façon hiérarchique, en un seul passage. Notre algorithme est implémenté dans un cadre de deferred shading, et fonctionne avec des fonctions de réflectance quelconques, y compris mesurées. Nous proposons deux extensions : pré-convolution de l’éclairage incident pour plus d’efficacité, et anti-aliasing utilisant l’information de fréquence. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons aux fonction de réflectance a base de micro-facette, comme le modèle de Cook-Torrance. En nous basant sur les réflectances mesurées, nous proposons une nouvelle distribution des micro-facettes. Cette distribution, Shifted Gamma Distribution, s’adapte aux donnée avec plus de précision. Nous montrons également comment calculer la fonction d’ombrage et de masquage pour cette distribution. Dans un deuxième temps, nous observons que pour certains matériaux, le coefficient de Fresnel ne suit pas l’approximation de Schlick. Nous proposons une généralisation de cette approximation qui correspond mieux aux données mesurées. Nous proposons par ailleurs une nouvelle technique d’optimisation, canal par canal, en deux étapes. Notre modèle est plus précis que les modèles existants, du diffus au spéculaire. / This thesis presents some advances in efficient representation of material appearance in a lighting simulation. The scope of this thesis is two-fold: an interactive shading algorithm to render measured reflectance with dynamic geometry using frequency analysis of light transport and hierarchical shading and up-sampling in deferred shading context, and a new normal distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF model, along with a new shadowing and masking function and a generalization of Schlick’s approximation of the Fresnel term. In the first part, we introduce a real-time frequency analysis of light transport framework that allows us to estimate the bandwidth and variance of the shading integrand. The bandwidth and variance are a function of frequencies in the illumination, distance traveled by light, BRDF and texture, and the geometry configuration (curvature). We use this information to under-sample the image, and also use an adaptive number of samples for shading. We devise a single-pass hierarchical shading and up-sampling scheme to assemble an image out of the sparsely shaded image pixels. We extend our interactive technique to use pre-convolved shading for real-time performance. We also take advantage of the bandwidth information to perform multi-sample anti-aliasing in deferred shading by subsampling only a small portion of image pixels whose bandwidth is smaller than 1 pixel^-1. In the second part, we propose a new distribution function for the Cook-Torrance micro-facet BRDF, based on our observations on the reflectance measurements. We isolate the distribution components of the reflectance data and directly observe that existing distribution functions are insufficient. Then we devise the Shifted Gamma Distribution (SGD) fitting more accurately to the data. We derive the shadowing and masking function from the distribution. We observe that not all materials have the Fresnel behavior expected by Schlick’s approximation. Hence, we generalize the Schlick’s approximation to more accurately fit the model to the measurements. We introduce a two-step fitting approach, that fits each RGB channel separately — accounting for wave-length dependent effects. We show that our shading model outperforms existing models and accurately represents a wider range of materials from diffuse to glossy and highly specular materials.

Les techniques de reconstruction 3d sont devenues incontournables pour des applicationstelles que la caractérisation et l'analyse de surfaces. Les travaux réalisés au coursde cette thèse ont pour objectif d'améliorer la qualité des reconstructions 3d par stéréophotométrie.Cette méthode repose sur deux principes, l'inversion d'un modèle d'interactionlumière/matière (BRDF) et la configuration d'un système d'éclairage et de prises de vues.Pour des surfaces diffuses, la stéréo-photométrie est réalisée à partir d'un minimum detrois images acquises d'un point de vue fixe pour des directions d'éclairages différentes.Son avantage est d'extraire simultanément les propriétés géométriques et colorimétriquesdes surfaces analysées même en cas de forte rugosité. Néanmoins, son application exige laformulation de plusieurs hypothèses qui sont difficilement respectables dans un contexteréel. Ceci génère des erreurs significatives dans les reconstructions. Pour les réduire, nousproposons différentes contributions qui s'articulent autour de la prise en compte globale de lachaine d'acquisition. Les apports de nos travaux se situent aux niveaux de la caractérisationet de la modélisation du système d'éclairage, du capteur d'acquisition et de l'améliorationde la qualité des images. Nous nous sommes aussi intéressés à l'optimisation des protocolesde prises de vues dans le cas de spécularité surfacique ou d'ombrage dus à la présence derugosité. Les résultats obtenus montrent que la prise en compte de ces caractéristiques dansl'inversion d'un modèle de BRDF permet une nette amélioration des reconstructions et offrela possibilité de réduire la taille des systèmes d'acquisition. / Tridimensional reconstruction method has become essential for applications suchas the characterization and analysis of surfaces. In this thesis, aims are to increase the qualityof 3d reconstructions by photometric stereo. This method is based on two principles, reversinglight-matter interaction model and configuration of a lighting system. With diffuse surfaces,the photometric stereo use three captured images from a fixed point of view for differentillumination directions. Its main advantage is to extract the color and geometric propertiesfor the textured rough surfaces. However, its application requires to make assumptions thatare not credible in real cases. This problem generates significant errors in the reconstructions.To reduce them, we offer various solutions around the overall consideration of the acquisitionchain. Our contribution focuses on the characterization and modeling of the lighting system,the acquisition sensor and improved image quality. We are also interested to optimize acquisitionprotocol in the case of specular surface or shading due to the surface geometry. Ourresults show that the inclusion of these features in the inversion of a BRDF model allowsan improvement of 3d reconstructions as well as the possibility of reducing the size of theacquisition systems.

L'étude de l'apparence de surfaces par analyse photométrique est un domaine de recherche actif, avec de nombreuses applications par exemple pour étudier de la qualité de surfaces, la rugosité des objets, leur apparence, etc. Le sujet de cette thèse concerne plus particulièrement l'étude de surfaces opaques, par l'acquisition de la géométrie et de la réflectance. Cela nous a conduit à une analyse des modèles mathématique de réflectance, permettant de représenter les matériaux. Afin d'offrir une description physiquement plausible des matériaux opaques, notre première contribution principale concerne la mise en oeuvre d'un modèle à base de microfacettes Lambertiennes interfacées. Il généralise différents modèles de la littérature incluant des surfaces planes diffuses ou spéculaires et rugueuses diffuses ou spéculaires grâce à trois paramètres physiques : couleur, rugosité et indice de réfraction. Il permet de prendre en compte la transmission des flux lumineux pénétrant sous la surface ainsi que les réflexions multiples entre microfacettes et de restituer les effets de rétrodiffusion lumineuse et d’anisotropie. Notre seconde contribution principale concerne la réalisation d'un système complet d'acquisition de la géométrie et de la réflectance d'objets à partir d'images HDR. Notre méthodologie correspond à une chaîne de reconstruction complète et automatique, uniquement à partir d'images, permettant d'obtenir un niveau de précision intéressant et un faible coût de mise en place et de temps de traitement comparé aux méthodes existantes. Notre méthode permet d'extraire des échantillons de réflectance suffisamment nombreux pour identifier les paramètres de modèles de réflectance avec les données acquises. / The study of surface appearance by photometric analysis is an active area of research, with various applications concerning the analysis of surface roughness or appearance ... The subject of this PhD dissertation relates to the study of opaque surfaces, through the acquisition of their geometry. Our study leads us to an analysis of mathematical reflectance models, for representing materials appearance. To provide a physically plausible description of opaque surfaces, the first major contribution concerns the implementation of a model based on Lambertian interfaced microfacets. This model generalizes several approaches often referenced in the literature, and includes flat diffuse or specular surfaces as well as diffuse or specular microfacets with three physically-based parameters: color, roughness and refractive index. It makes it possible to take into account the transmission of the light flux entering below the surface as well as multiple reflections between microfacets, while handling backscattering and anisotropy. The second main contribution of this work concerns the impolementation of a complete acquisition system for estimating geometry and reflectance from HDR images. Our methodology is based on a complete and automatic reconstruction framework, achieving a higher level of precision, a lower cost of implementation and a shorter processing time compared to photometry-based existing methods.

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France) / En synthèse d'images, le principal calcul à effectuer pour générer une image a été formalisé dans une équation appelée équation du rendu [Kajiya1986]. Cette équation est la intègre la conservation de l'\'energie dans le transport de la lumi\`ere. Elle stipule que l'énergie lumineuse renvoyée, par les objets d'une scène, dans une direction donnée est égale à la somme de l'énergie émise et réfléchie par ceux-ci. De plus, l'énergie réfléchie par un élément de surface est définie comme la convolution de l'éclairement incident avec une fonction de réflectance. Cette dernière modélise le matériau (au sens physique) de l'objet et joue le rôle d'un filtre directionnel et énergétique dans l'équation du rendu, simulant ainsi la manière dont la surface se comporte vis-à-vis d'une réflexion. Dans ce mémoire de thèse, nous introduisons de nouvelles représentations pour la fonction de réflectance ainsi que pour la représentation de l'éclairement incident. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons deux nouveaux modèles pour représenter la fonction de réflectance. Le premier modèle s'inscrit dans une démarche artistique et est destiné à faciliter la création et l'édition des reflets spéculaires. Son principe est de laisser l'utilisateur peindre et esquisser les caractéristiques (forme, couleur, gradient et texture) du reflet spéculaire dans un plan de dessin paramétrisé en fonction de la direction de la réflexion miroir de la lumière. Le but du second modèle est de représenter de manière compacte et efficace les mesures des matériaux isotropes. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle représentation à base de polynômes rationnels. Les coefficients de ces derniers sont obtenus à l'aide d'un processus d'approximation qui garantit une solution optimale au sens de la convergence. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous introduisons une nouvelle représentation volumétrique pour l'éclairement indirect représenté directionnellement à l'aide de vecteurs d'irradiance. Nous montrons que notre représentation est compacte et robuste aux variations géométriques et qu'elle peut être utilisée comme système de cache pour du rendu temps réel ou non, ainsi que dans le cadre de la transmission progressive des données (streaming). Enfin, nous proposons deux types de modifications de l'éclairement incident afin de mettre en valeur les détails et les formes d'une surface. Le première modification consiste à perturber les directions de l'éclairement incident tandis que la seconde consiste à en modifier l'intensité. / In image synthesis, the main computation involved to generate an image is characterized by an equation named rendering equation [Kajiya1986]. This equation represents the law of energy conservation. It stipulates that the light emanating from the scene objects is the sum of the emitted energy and the reflected energy. Moreover, the reflected energy at a surface point is defined as the convolution of the incoming lighting with a reflectance function. The reflectance function models the object material and represents, in the rendering equation, a directional and energetic filter that describes the surface behavior regarding the reflection. In this thesis, we introduce new representations for the reflectance function and the incoming lighting. In the first part of this thesis, we propose two new models for the reflectance function. The first model is targeted for artists to help them create and edit highlights. Our main idea is to let the user paint and sketch highlight characteristics (shape, color, gradient and texture) in a plane parametrized by the incident lighting direction. The second model is designed to represent efficiently isotropic material data. To achieve this result, we introduce a new representation of the reflectance function that uses rational polynomials. Their coefficients are computed using a fitting process that guarantees an optimal solution regarding convergence. In the second part of this thesis, we introduce a new volumetric structure for indirect illumination that is directionally represented with irradiance vector. We show that our representation is compact and robust to geometric variations, that it can be used as caching system for interactive and offline rendering and that it can also be transmitted with streaming techniques. Finally, we introduce two modifications of the incoming lighting to improve the shape depiction of a surface. The first modification consists in warping the incoming light directions whereas the second one consists in scaling the intensity of each light source.

En synthèse d'images, le principal calcul à effectuer pour générer une image a été formalisé dans une équation appelée équation du rendu [Kajiya1986]. Cette équation est la intègre la conservation de l'\'energie dans le transport de la lumi\`ere. Elle stipule que l'énergie lumineuse renvoyée, par les objets d'une scène, dans une direction donnée est égale à la somme de l'énergie émise et réfléchie par ceux-ci. De plus, l'énergie réfléchie par un élément de surface est définie comme la convolution de l'éclairement incident avec une fonction de réflectance. Cette dernière modélise le matériau (au sens physique) de l'objet et joue le rôle d'un filtre directionnel et énergétique dans l'équation du rendu, simulant ainsi la manière dont la surface se comporte vis-à-vis d'une réflexion. Dans ce mémoire de thèse, nous introduisons de nouvelles représentations pour la fonction de réflectance ainsi que pour la représentation de l'éclairement incident. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons deux nouveaux modèles pour représenter la fonction de réflectance. Le premier modèle s'inscrit dans une démarche artistique et est destiné à faciliter la création et l'édition des reflets spéculaires. Son principe est de laisser l'utilisateur peindre et esquisser les caractéristiques (forme, couleur, gradient et texture) du reflet spéculaire dans un plan de dessin paramétrisé en fonction de la direction de la réflexion miroir de la lumière. Le but du second modèle est de représenter de manière compacte et efficace les mesures des matériaux isotropes. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle représentation à base de polynômes rationnels. Les coefficients de ces derniers sont obtenus à l'aide d'un processus d'approximation qui garantit une solution optimale au sens de la convergence. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous introduisons une nouvelle représentation volumétrique pour l'éclairement indirect représenté directionnellement à l'aide de vecteurs d'irradiance. Nous montrons que notre représentation est compacte et robuste aux variations géométriques et qu'elle peut être utilisée comme système de cache pour du rendu temps réel ou non, ainsi que dans le cadre de la transmission progressive des données (streaming). Enfin, nous proposons deux types de modifications de l'éclairement incident afin de mettre en valeur les détails et les formes d'une surface. Le première modification consiste à perturber les directions de l'éclairement incident tandis que la seconde consiste à en modifier l'intensité. / In image synthesis, the main computation involved to generate an image is characterized by an equation named rendering equation [Kajiya1986]. This equation represents the law of energy conservation. It stipulates that the light emanating from the scene objects is the sum of the emitted energy and the reflected energy. Moreover, the reflected energy at a surface point is defined as the convolution of the incoming lighting with a reflectance function. The reflectance function models the object material and represents, in the rendering equation, a directional and energetic filter that describes the surface behavior regarding the reflection. In this thesis, we introduce new representations for the reflectance function and the incoming lighting. In the first part of this thesis, we propose two new models for the reflectance function. The first model is targeted for artists to help them create and edit highlights. Our main idea is to let the user paint and sketch highlight characteristics (shape, color, gradient and texture) in a plane parametrized by the incident lighting direction. The second model is designed to represent efficiently isotropic material data. To achieve this result, we introduce a new representation of the reflectance function that uses rational polynomials. Their coefficients are computed using a fitting process that guarantees an optimal solution regarding convergence. In the second part of this thesis, we introduce a new volumetric structure for indirect illumination that is directionally represented with irradiance vector. We show that our representation is compact and robust to geometric variations, that it can be used as caching system for interactive and offline rendering and that it can also be transmitted with streaming techniques. Finally, we introduce two modifications of the incoming lighting to improve the shape depiction of a surface. The first modification consists in warping the incoming light directions whereas the second one consists in scaling the intensity of each light source. / Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)

Dans les secteurs industriels, la maîtrise de l’aspect des surfaces est une problématique majeure de la conception jusqu’à la réalisation des produits. En entreprise, l’évaluation de la qualité des surfaces est généralement réalisée par des contrôleurs humains, sauf pour certaines applications spécifiques pour lesquels des systèmes ont pu être mis en œuvre. L’objectif est donc d’aider les fabricants à mieux évaluer l’aspect et d’avancer vers l’automatisation du processus d’inspection qualité des surfaces.D’un point de vue métrologique, la quantification de l’aspect passe par l’acquisition de la fonction de répartition du coefficient de luminance (BRDF) qui fournit une cartographie de la lumière réfléchie à la surface d’un échantillon. Le système visuel humain extrait de cette mesure des facteurs à partir desquels il élabore des attributs de l’aspect : régularité d’une texture, uniformité de la couleur, qualité du brillant, saillance d’une anomalie, etc.En conséquence, notre approche consiste à utiliser les techniques appelées Reflectance Transformation Imaging (RTI) originellement issues du domaine archéologique, pour l’industrie. Elles permettent d’obtenir simultanément une estimation réduite et simplifiée de la BRDF et une estimation des normales à la surface.Un dispositif d’acquisition RTI appelé la Sphère MeSurA permet d’obtenir des données stéréophotométriques (luminances). L’approximation de forme des mesures discrètes de luminances acquises est fournie selon le principe de la Décomposition Modale Discrète (DMD). Une analyse comparative avec les autres modèles montre que la DMD décrit plus fidèlement les réflexions spéculaires, et plus généralement les zones locales de surfaces brillantes.Nous développons une méthode permettant de mesurer la similarité d’aspect en définissant des descripteurs invariants à la rotation obtenus par un changement de paramétrage de la DMD. Nous calculons ainsi des cartes de distance permettant d’extraire les anomalies les plus saillantes. Nous proposons également leur évaluation par des attributs pertinents sur lesquels les contrôleurs pourront se baser pour décider de la conformité d’un produit.De plus, nous mettons l’accent sur des indicateurs directionnels de normales et de courbures à la surface. Ils permettent de séparer efficacement les composantes périodiques et non-périodiques de la surface, et ainsi de caractériser géométriquement les anomalies d’aspect d’une part et d’autre part la signature d’un procédé de fabrication.Les résultats de ces travaux permettent ainsi d’aider les fabricants à maîtriser la qualité d’aspect en accédant à différentes modalités de la surface inspectée, dans un logiciel d’application appelé MsaTool®. / In industry, controlling the surface appearance is an important issue in the product creation, from the conception phases through the manufacturing phase all the way to delivery to the final consumer. The surface quality control is mostly carried out by human controllers, except for specific applications where inspection devices have been designed. Our prime purpose is to help manufacturers for the assessment of the surface finish appearance and move towards automation of the inspection process.From a metrological point of view, the relevant quantity is the Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) that describes the angular distribution of the reflected light from a surface. The human visual system is able to extract information about these surface reflectance properties, that allow us to construct a mental representation of the stimulus and give meaning to the observations : structural regularity, color uniformity, gloss quality, characteristics of salience, etc.Our approach is based on the use of techniques known as Reflectance Transformation Imaging (RTI), initialy developed to study the surface of cultural heritage artefacts, as industrial measurement instrument. The RTI techniques allow us to obtain both a reduced and simplified BRDF estimation and the normal field to the surface.A RTI acquisition system called MeSurA Sphere provides photometric stereo datasets (radiance values captured under varying illumination). The continuous model of the local reflection of radiances is based on the Discrete Modal Decomposition (DMD). A comparative analysis with other RTI models shows that the DMD is well suited for approximating the complex physical behavior of light reflections and enhance the overall accuracy of appearance reconstruction of shiny reflective surfaces.We developed a method to measure the similarity of surface appearance using rotation invariant descriptors obtained by chan- ging the DMD parameterization. We then calculate distance maps to extract the most salient features leading to an effective separa- tion of surface defects. We identify relevant parameters from which controllers are able to decide on product conformity.We propose orientation-preserving maps of slopes and curvatures for identifying and separating the periodic and aperiodic components of the surface. We are then able to make a geometric characterization of the detected surface defects or of the manu- facturing process signature.The results of this work make possible to help manufacturers in the control of surface appearance using a software called MsaTool® bringing together several modalities of our treatments.

Le brillant est un attribut de l'apparence visuelle. Il s'agit d'une construction du système visuel, basée sur le signal optique en provenance d’une surface et capté par l'œil. Les développements récents en spectrophotométrie fondamentale ont produit des instruments à même de mesurer la réflexion lumineuse avec une acuité égale à celle du système visuel humain. Une description transverse, visuelle et optique, d'un même ensemble d'échantillons est maintenant possible. Dans ce travail, nous construisons via des procédés sol-gel une échelle de brillant métrologique multivariée en termes de topologie de surface, indice de réfraction, teinte et niveaux de brillant. Cette échelle est caractérisée par la suite en rugosité, en indice de brillant spéculaire et en BRDF. Nous présentons les techniques de mesure et les corrections employées sur ConDOR, notre goniospectrophotomètre dédié à la mesure haute résolution du pic spéculaire. Au terme de cette étude, l'instrument présente une résolution angulaire de 0,014°, la meilleure résolution atteinte à ce jour, deux fois inférieure à celle du système visuel humain. La dynamique est de 6,5 décades. ConDOR est employé pour mesurer les BRDF de plusieurs échantillons brillants issus de différentes échelles. Elles sont étudiées et les discutées. Un premier lien entre rugosité et BRDF est esquissé. Nous étudions finalement en nous basant sur une échelle de référence de brillant deux aspects de sa perception : l’effet d'un changement d'angle solide d'illumination et l’effet du réalisme de l'environnement d'observation. Nos résultats montrent que le système visuel est plus sensible aux variations de brillant dans des conditions d'observations réalistes, tant en matière d'éclairage que d'environnement. L’effet est particulièrement prononcé pour les échantillons mats. Les conditions moins réalistes ou moins naturelles peuvent mener les observateurs à la confusion. / Gloss is a visual appearance attribute. It is a construction from the visual system built on the optical signal from a surface and sensed by the eye. Recent developments in fundamental spectrophotometry lead to instruments able to measure luminous reflection with an acuity equal to the visual system in terms of angular resolution and dynamic. A cross-discipline description between optics and vision is now possible on a same set of samples. In this work, we build through sol-gel process a metrological gloss scale. It is multivariate in terms of surface topology, refractive indices, hue and gloss levels. This scale is then characterized in roughness, specular gloss and BRDF. We expose the measurement techniques and corrections used on our goniospectrophotomer ConDOR. This instrument is dedicated to high resolution measurement of specular peaks. By the end of this study, Condor has reached an angular resolution of 0.014°, the smaller achieved until now, twice better than the human visual system acuity. The dynamic range extends over 6.5 decades. ConDOR is used to measure BRDF of several glossy samples from different scales. These measurements are studied and discussed. A first link between roughness and BRDF is drawn.Using a reference gloss scale, we finally study two aspects of gloss perception: both effects of a change in the solid angle of illumination and in the observation environment realism. Our results indicate that the visual system is more sensitive to gloss variations under realistic conditions as well in lighting as in environment. This effect is particularly noticeable on matt samples. Lesser realistic or lesser natural conditions could lead observers to confusion.

The acquisition of remote sensing data having an investigated quality level constitutes an important step to advance our understanding of the vegetation response to environmental factors. Spaceborne sensors introduce additional challenges that should be addressed to assure that derived findings are based on real phenomena, and not biased or misguided by instrument features or processing artifacts. As a consequence, updates to incorporate new advances and user requirements are regularly found on most cutting edge systems such as the MODIS system. In this dissertation, the objective was to design, characterize and assess any possible departure from current values, a MODIS VI algorithm for restoring the continuity 16-day 1-km product, based on the new 8-day 500-m MODIS SR product scheduled for MODIS C6. Additionally, the impact of increasing the time resolution from 16 to 8 days for the future basic MODIS C6 VI product was also assessed. The performance of the proposed algorithm was evaluated using high quality reference data and known biophysical relationships at several spatial and temporal scales. Firstly, it was evaluated using data from the ASRVN, FLUXNET-derived ecosystem GPP and an analysis of the seasonality parameters derived from current C5 and proxy C6 VI collections. The performance of the 8-day VI version was evaluated and contrasted with current 16-day using the reported correlation of the EVI with the GPP derived from CO2 flux measurements. Secondly, we performed an analysis at spatial level using entire images (or "tiles") to assess the BRDF effects on the VI product, as these can cause biases on the SR and VIs from scanning radiometers. Lastly, we evaluated the performance of the proposed algorithm for detecting inter-annual VI anomalies from long-term time series, as compared with current MODIS VI C5. For this, we analyzed the EVI anomalies from a densely vegetated evergreen region, for the period July-September (2000-2010). Results showed a high general similarity between results from both algorithms, but also systematic differences, suggesting that proposed algorithm towards C6 may represent an advance in the reduction of uncertainties for the MODIS VI product.