L'éclairage extérieur joue un rôle important dans la recherche et l'industrie. La compréhension de l'éclairage extérieur est essentielle dans de nombreuses applications en vision par ordinateur, infographie, films d'animation par ordinateur, gestion de l'énergie solaire, etc. L'éclairage extérieur, d'où la contribution provient majoritairement du soleil et du ciel, possède une plage dynamique extrêmement élevée (HDR pour high dynamic range). La capture de l'éclairage extérieur, y compris l'étendue de la plage dynamique et l'intensité absolue du soleil, nécessite des appareils ou des techniques spécialisés : une caméra ordinaire est incapable de la capturer. Le contenu de l'image capturé avec un appareil photo grand public est actuellement disponible sous forme de données à basse plage dynamique (LDR pour low dynamic range). Ces problèmes deviennent un obstacle majeur à la compréhension de l'éclairage extérieur. Comprendre l'éclairage extérieur à partir d'images est également une tâche difficile en raison de sa diversité : l'éclairage change considérablement en raison du mouvement des nuages et des conditions météorologiques. Dans le cadre de ce travail, nous proposons de raisonner sur l'éclairage HDR à partir d'images LDR à partir de données. Nous explorons ce problème avec le trois objectifs suivants 1) reconstruire automatiquement l'éclairage HDR à partir de panoramas extérieurs LDR capturés avec une caméra 360⁰ point-and-shoot, 2) prévoir l'énergie solaire à partir d'images du ciel capturées avec une caméra standard ; 3) estimer les paramètres d'éclairage significatifs à partir d'une seule image conventionnelle à champ de vision limité. Ces objectifs sont appuyés par des expériences et des analyses détaillées. Nous espérons que cette recherche aidera à mieux comprendre l'éclairage extérieur HDR. / Outdoor lighting plays an important role in both research and industry. Understanding outdoor illumination is essential in many applications in computer vision, computer graphics, computer-animated movies, solar energy management, etc. Outdoor illumination, which is mainly contributed by the sun and sky, has an extremely high dynamic range (HDR). Capturing outdoor illumination including the breadth of the dynamic range and the absolute intensity of the sun requires specialized devices or techniques : a regular camera is incapable of capturing it. The image contents captured with a consumer camera are currently available as low dynamic range (LDR) data. These issues become a big obstacle to understanding outdoor lighting. Understanding outdoor illumination from images is also a challenging task because of its diversity : the lighting changes dramatically due to clouds movement and weather conditions. In this work, we propose to reason about the HDR illumination from LDR images in a data-driven way. We explore this problem in the following three objectives 1) automatically reconstruct the HDR lighting from LDR outdoor panoramas captured with a point-and-shoot 360⁰ camera, 2) forecast solar energy from sky images captured with an off-the-shelf camera; 3) estimate meaningful lighting parameters from a single conventional limited field of view image. Each of these objectives provides detailed experiments and analyses. We hope this research could help to better understand the HDR outdoor illumination.

Cette recherche développe des ambiances bénéfiques grâce à l'intégration de stratégies biophiliques comprenant l'éclairage naturel, l'éclairage électrique et l'application de couleurs de surface pour répondre au bien-être des individus dans un contexte architectural nordique isolé. Les occupants des régions nordiques sont confrontés à plusieurs défis climatiques, notamment des températures froides et une exposition limitée à la lumière du jour durant l'hiver, qui les obligent à habiter principalement des espaces intérieurs, ce qui les sépare physiquement de la nature. Cette situation a des effets notables sur plusieurs processus physiologiques, y compris la performance visuelle et circadiennes, tout en influençant les expériences spatiales qui se manifestent par des réactions émotionnelles. Les conditions intérieures doivent donc contribuer à compenser les besoins photobiologiques et psychologiques pour favoriser la satisfaction environnementale des êtres humains. Dans le cadre de l'amélioration de la conception biophilique dans un contexte nordique grâce à l'intégration des applications de lumière et de couleur, cette recherche poursuit les objectifs suivants : (1) établir les avantages physiologiques et perceptuels potentiels des différents types d'éclairage et de couleur de surface chez les occupants d'une architecture biophilique dans les climats nordiques, (2) déterminer une méthode de reproduction à distance et une évaluation numérique des attributs photobiologiques et spatiaux des effets de la lumière et de la couleur dans un contexte nordique, (3) évaluer la performance photobiologique de la configuration des couleurs de la surface dans le cadre de stratégies d'éclairage distinctes, (4) déterminer une méthode de reproduction à distance et une évaluation numérique des attributs spatiaux des effets de la lumière et de la couleur dans des lieux éloignés et (5) évaluer les attributs spatiaux de la configuration des couleurs de la surface dans le cadre de stratégies d'éclairage et de sources lumineuses distinctes. Cette thèse explore plusieurs théories sur les effets de la lumière et de la couleur sur les dimensions physiologiques et perceptuelles du bien-être humain. Elle examine également les méthodes existantes de visualisation de la lumière et des couleurs et présente un cadre et une méthode de conception fondés sur des données probantes et faisant appel à des techniques avancées et analogiques. Il permet la reproduction et l'évaluation descriptive des impacts photobiologiques et perceptuels de la lumière et de la couleur dans le contexte d'une architecture biophilique à distance. L'évaluation des ambiances a été réalisée à l'aide de l'imagerie à grande gamme dynamique (*en anglais : high dynamic range imaging - HDR*) et d'images en correspondance de tons (*en anglais : tone-mapped images*) obtenus à partir d'un modèle à échelle réduite présentant différentes caractéristiques d'éclairage et de couleur. Les images HDR permettent d'analyser, de calculer et de classer les effets photobiologiques en fonction de l'intensité lumineuse nécessaire à la vision et à la stimulation circadienne au cours d'une journée. Des images avec mappage de tons ont été utilisées pour évaluer les effets perceptifs possibles en analysant le contraste chromatique et de luminosité des scènes. Une nouvelle méthode de caractérisation est présentée sous la forme d'un graphique en 2D reliant les propriétés de saturation et de luminosité à des descripteurs de couleur. Les descriptions des couleurs aident à transmettre les propriétés des couleurs aux émotions probables causées par l'interaction de l'éclairage et de la couleur des surfaces intérieures qui affectent l'expérience spatiale de l'utilisateur. Cette thèse propose que les habitants des régions nordiques manifestent une profonde affinité pour la lumière et les couleurs de leur environnement immédiat. Par conséquent, il est suggéré que l'intégration de l'éclairage et de la couleur des surfaces dans les bâtiments nordiques soit basée sur les couleurs générées dans le paysage naturel afin d'assurer le confort et la satisfaction environnementale. Les expériences menées révèlent que l'application de couleurs sur les surfaces intérieures dans le cadre de stratégies d'éclairage distinctes, qu'elles soient naturelles ou électriques, s'aligne sur les besoins photobiologiques humains et répond potentiellement aux exigences perceptuelles des occupants. Les résultats révèlent que les ambiances colorées des surfaces, sous un ciel couvert du nord, peuvent fournir les conditions d'éclairage nécessaires à la stimulation circadienne. En outre, les espaces présentant des combinaisons distinctes de couleurs de surface dans le cadre de différentes stratégies d'éclairage permettent de générer une large gamme d'ambiances répondant à différentes conditions d'éclairage pour les tâches visuelles et les besoins circadiens au cours d'une journée. Il est également plausible d'affirmer que l'emplacement de l'éclairage par rapport au point de vue de l'observateur et le type de source lumineuse peuvent générer des attributs distincts de lumière et de couleur, susceptibles d'évoquer différentes émotions chez les occupants. Les présentes analyses exploratoires et descriptives permettent de mieux comprendre l'importance de la lumière et des couleurs dans les communautés nordiques et leur application potentielle à l'architecture nordique. La méthode pourrait aider les architectes et les concepteurs dans leur pratique professionnelle à caractériser une ambiance en fonction des besoins visuels et non visuels, et des expériences souhaitées en fonction du programme architectural. La combinaison des méthodes présentées dans cette recherche est cruciale pour comprendre l'impact de l'architecture au cours du processus de conception à distance. Cette recherche démontre les avantages potentiels de la conception biophilique, en particulier l'éclairage et la couleur, pour améliorer les conditions intérieures de l'architecture nordique. / This research develops positive ambiances through the integration of biophilic strategies including daylighting, electric lighting, and surface colour applications to respond to individuals' well-being in remote northern architecture. Northern occupants encounter several climate challenges including cold temperatures and limited daylight exposure compelling individuals to mainly inhabit indoor spaces, resulting in a physical separation from nature. This circumstance exerts notable effects on several physiological processes, encompassing visual and circadian functions, while also influencing the spatial experiences manifested in emotional responses. Indoor conditions therefore should compensate photobiological and emotional needs to promote humans' environmental satisfaction. In the context of enhancing biophilic design in a northern context through the integration of light and colour applications, this research endeavours the following objectives: (1) to establish the potential physiological and perceptual benefits of light and colour patterns in occupants inhabiting biophilic architecture in northern climates, (2) to determine a remote reproduction method and numerical evaluation to photobiological and spatial attributes of light and colour effects under a northern context, (3) to evaluate the photobiological performance of surface colour configuration under distinct lighting strategies, (4) to determine a remote reproduction method and numerical evaluation of spatial attributes of light and colour effects in remote locations and (5) to evaluate the spatial attributes of surface colour configuration under distinct lighting strategies and light sources. This dissertation explores several theories of light and colour effects on humans' well-being physiological and perceptual dimensions. It also discusses the existing methods of visualization of light and colour and introduces an evidence-based design framework and method employing advanced and analog techniques. It permits replication and descriptive evaluation of the photobiological and perceptual impacts of light and colour within the context of remote biophilic architecture. The assessment of ambiances was conducted using high dynamic range (HDR) and tone-mapped images obtained from a reduced scale model with different lighting and colour characteristics. HDR images permit analyzing, computing, and classifying the photobiological effects according to light intensity required for vision and circadian stimulation over a day. Tone-mapped images have been used to evaluate possible perceptual effects by analyzing the chromatic and brightness contrast of the scenes. A novel characterization method is presented as a 2D chart relating saturation and brightness properties to colour descriptors. The colour descriptions help to convey colour properties to likely emotions caused by the interaction of lighting and indoor surface colour that affect the user's spatial experience. This thesis dissertation states that inhabitants of northern regions exhibit a profound affinity for the light and colours of their immediate surroundings. Consequently, it is suggested that the incorporation of lighting and surface colour in northern buildings should be based on the colours generated in the natural landscape to achieve comfort and environmental satisfaction. The conducted experiments reveal that the application of colour on interior surfaces under distinct lighting strategies, whether natural or electric, aligns with human photobiological needs and potentially addresses the perceptual requirements of occupants. The experiments conducted in this research unveil that surface colour ambiances, under a northern overcast sky, can provide the necessary lighting conditions for circadian stimulation. Furthermore, spaces with distinct surface colour combinations under different lighting strategies permit generating a wide range of ambiances responding to different lighting conditions for visual tasks and circadian needs over a day. It is also plausible to affirm that the placement of lighting concerning the observer's viewpoint and the type of light source can generate distinct attributes of light and colour, potentially evoking different emotions in occupants. The present exploratory and descriptive analyses help to comprehensively understand light and colour significance in northern communities and their potential application for northern architecture. The method could serve to assist architects and designers in the professional practice to characterize an ambiance according to visual and non-visual needs, and desired experiences according to the architectural program. The combination of methods presented in this research is crucial to understanding the impact of architecture during the remote design process. This research demonstrates the potential benefits of biophilic design, specifically lighting and colour, to improve the indoor conditions of northern architecture.

L’imagerie HDR et l’imagerie 3D sont deux domaines dont l’évolution simultanée mais indépendante n’a cessé de croître ces dernières années. D’une part, l’imagerie HDR (High Dynamic Range) permet d’étendre la gamme dynamique de couleur des images conventionnelles dites LDR (Low Dynamic Range). D’autre part, l’imagerie 3D propose une immersion dans le film projeté avec cette impression de faire partie de la scène tournée. Depuis peu, ces deux domaines sont conjugués pour proposer des images ou vidéos 3D HDR mais peu de solutions viables existent et aucune n’est accessible au grand public. Dans ce travail de thèse, nous proposons une méthode de génération d’images 3D HDR pour une visualisation sur écrans autostéréoscopiques en adaptant une caméra multi-points de vue à l’acquisition d’expositions multiples. Pour cela, des filtres à densité neutre sont fixés sur les objectifs de la caméra. Ensuite, un appareillement des pixels homologues permet l’agrégation des pixels représentant le même point dans la scène acquise. Finalement, l’attribution d’une valeur de radiance est calculée pour chaque pixel du jeud’images considéré par moyenne pondérée des valeurs LDR des pixels homologues. Une étape supplémentaire est nécessaire car certains pixels ont une radiance erronée. Nous proposons une méthode basée surla couleur des pixels voisins puis deux méthodes basées sur la correction de la disparité des pixels dontla radiance est erronée. La première est basée sur la disparité des pixels du voisinage et la seconde sur la disparité calculée indépendamment sur chaque composante couleur. Ce pipeline permet la générationd’une image HDR par point de vue. Un algorithme de tone-mapping est ensuite appliqué à chacune d’elles afin qu’elles puissent être composées avec les filtres correspondants à l’écran autostéréoscopique considéré pour permettre la visualisation de l’image 3D HDR. / HDR imaging and 3D imaging are two areas in which the simultaneous but separate development has been growing in recent years. On the one hand, HDR (High Dynamic Range) imaging allows to extend the dynamic range of traditionnal images called LDR (Low Dynamic Range). On the other hand, 3Dimaging offers immersion in the shown film with the feeling to be part of the acquired scene. Recently, these two areas have been combined to provide 3D HDR images or videos but few viable solutions existand none of them is available to the public. In this thesis, we propose a method to generate 3D HDR images for autostereoscopic displays by adapting a multi-viewpoints camera to several exposures acquisition.To do that, neutral density filters are fixed on the objectives of the camera. Then, pixel matchingis applied to aggregate pixels that represent the same point in the acquired scene. Finally, radiance is calculated for each pixel of the set of images by using a weighted average of LDR values. An additiona lstep is necessary because some pixels have wrong radiance. We proposed a method based on the color of adjacent pixels and two methods based on the correction of the disparity of those pixels. The first method is based on the disparity of pixels of the neighborhood and the second method on the disparity independently calculated on each color channel. This pipeline allows the generation of 3D HDR image son each viewpoint. A tone-mapping algorithm is then applied on each of these images. Their composition with filters corresponding to the autostereoscopic screen used allows the visualization of the generated 3DHDR image.