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Cotutelle avec l'Université de Poitiers, France / Lors du processus de création d’une image de synthèse photoréaliste, l’objectif principal recherché est de reproduire le transport de la lumière dans un environnement virtuel, en prenant en compte aussi précisément que possible les caractéristiques des objets de la scène 3D. Dans la perception de notre environnement, les détails très fins ont une grande importance sur l’apparence des objets, tels que des rayures sur un morceau de métal, des particules dans du vernis, ou encore les fibres d'un tissu. Il est primordial de pouvoir les reproduire à tout niveau d'échelle. Créer ces détails grâce à des informations géométriques, par exemple un maillage, mène à une trop forte complexité en termes de construction, de stockage, de manipulation et de temps de rendu. Il est donc nécessaire d’utiliser des modèles mathématiques qui permettent d’approcher au mieux les comportements lumineux induits par ces détails. Le travail de cette thèse s'inscrit dans cette problématique de gestion des détails fins par la théorie des microfacettes. En particulier, nous nous sommes intéressés à la notion de masquage-ombrage permettant de calculer la proportion de surface qui est à la fois visible de l’observateur et éclairée. Pour cela, nous étudions le modèle théorique proposé par Smith et par Ashikhmin et al. dans lequel la représentation mathématique est basée sur des contraintes liées à la position des facettes, leur orientation, leur aire et les corrélations entre ces caractéristiques. Nous avons éprouvé le modèle sur plus de 400 maillages 3D reconstruits à partir de surfaces réelles qui ne respectent pas nécessairement les contraintes imposées du modèle. Quelques maillages sont également générés à partir de distributions des orientations de microfacettes de Beckmann et GGX largement utilisées dans les moteurs de simulation académiques et industriels. Pour chacun des maillages, une fonction de masquage de référence est mesurée grâce à un algorithme de tracer de rayons. Nous pouvons ainsi comparer le masquage réel d'une microsurface prenant en compte la donnée dans son entièreté, à son masquage théorique calculé seulement par la distribution de ses micronormales. Cette étude met en évidence un lien entre l'erreur du masquage théorique et certaines caractéristiques de la microsurface, telles que sa rugosité, son anisotropie, ou le non respect des contraintes du modèle. Nous proposons une méthode pour développer un modèle prédictif de l'erreur calculable à partir de ces caractéristiques et sans avoir recours au lourd processus de tracer de rayons. L’analyse montre également le lien entre l'erreur au niveau du terme de masquage et sa répercussion dans le rendu final d'une image de synthèse. La possibilité de prédire l'erreur grâce à un processus rapide permet d'estimer la complexité de l'usage d'une microgéométrie dans un rendu photoréaliste. Nous complétons nos travaux en proposant un facteur correctif au masquage théorique pour les surfaces isotropes, là encore calculable directement à partir des caractéristiques du maillage. Nous montrons le gain de précision que cette correction apporte, tant au niveau du masquage lui-même qu'au niveau des rendus d'images de synthèse. La thèse est conclue avec une discussion présentant les limites actuelles de notre étude et ses perspectives futures. / During the creation process of a photorealistic image, the main goal is to reproduce light transport in a virtual environment by considering as accurately as possible the characteristics of the surfaces from the 3D scene. In the real world, very fine details may have a tremendous impact on the visual aspect. For instance, scratches over metal, particles within varnish, or fibers of a fabric, will visually alter surface appearance. It is therefore crucial to be able to simulate such effects at every level of detail. However, creating such microgeometry for a given 3D mesh is a complex task that results in very high memory requirements and computation time. Mathematical models must be used to approximate as precisely as possible light effects produced by these details. This thesis considers fine details from the microfacet theory, and in particular, the masking-shadowing factor that corresponds to the proportion of microsurfaces that are both visible and illuminated. We study the commonly used theoretical model of Smith and Ashikhmin et al. where the mathematical representation is derived from constraints about microfacets positions, orientations, areas, and correlations between those characteristics. The proposed model has been confronted to more than 400 3D meshes, built from real-world measured surfaces that do not necessarily fulfill the theory constraints. Some of them have also been generated from the widely used Beckmann and GGX distributions. For each mesh, the ground-truth masking effect is measured using ray tracing, and compared with the theoretical masking computed only from the distribution of micronormals. Our study highlights a connection between the theoretical masking's error and some microsurface's characteristics, such as roughness, anisotropy, or non-compliance with required constraints. We provide a method for deriving a predictive model for this error. The mesh characteristics are sufficient to compute this model without requiring heavy ray tracing computation. Our analysis shows how the masking error impacts the rendering process. We also derive a model capable of predicting rendering errors from surface characteristics. With the opportunity to predict the error with a fast computation from a 3D mesh, one can estimate the complexity to use a given microgeometry for a photorealistic rendering. Our study concludes with the formulation of a correction function added to the theoretical masking term for isotropic surfaces. This correction is computed directly from the 3D mesh characteristics without any ray tracing involved. We show gains in the accuracy of the model when corrected with our formula, both for the masking effect itself and its impact on the exactness of the renderings. This thesis is concluded with a discussion about the current limitations of our study and some future perspectives.

<p dir="ltr">Reflectance spectroscopy has been increasingly used in forestry due to its ability to rapidly, efficiently, and non-destructively detect tree stress, enabling timely and cost-effective forest management decisions. This dissertation synthesizes three studies and five experiments to understand and improve our ability to use spectral data to estimate a variety of foliar physiochemical traits and identify spectral responses in multi-stress environments, thus, advancing our understanding and application of hyperspectral data in forest management.</p><p dir="ltr">The first study seeks to refine the hyperspectral approach to monitoring tree stress by selecting optimal wavelength ranges to enhance the estimation of foliar traits, such as CO₂ assimilation rate, specific leaf area, leaf water content, and concentrations of foliar nitrogen, sugars, and gallic acid. The study revealed that model performance varied significantly across the different wavelength ranges tested and consistently, including longer wavelength regions improved trait estimation for all traits modeled. This research also established a framework for discovering novel or previously unknown absorption features associated with functional traits, thereby laying the groundwork for expanded spectral applications. This advancement enables the estimation of diverse foliar traits and facilitates detailed stress detection in trees.</p><p dir="ltr">The second study focuses on assessing the effectiveness of hyperspectral data in estimating foliar functional trait responses to various biotic and abiotic stressors and to differentiate those stressors in black walnut (<i>Juglans nigra </i>L.) and red oak (<i>Quercus rubra</i> L.) seedlings. We demonstrated that spectral data can reliably estimate a wide range of foliar traits, highlighting its potential as a surrogate for reference data in understanding plant responses to stress. This research revealed that spectral leaf predictions can effectively provide stress-specific insights into tree physiochemical responses to biotic and abiotic stressors.</p><p dir="ltr">The third study explores the application of hyperspectral reflectance to identify drought-induced foliar responses in black walnut seedlings during their initial field establishment. Chemometric models developed from greenhouse experiments were applied to spectral data collected in the field to assess their transferability and accuracy in predicting various leaf traits under drought stress. Using only spectral data, we demonstrated that seedlings show distinct spectral responses to past and ongoing drought stress, with varying degrees depending on seed provenances. This research aims to provide practical insights for utilizing spectral analysis in real-world conditions and understanding the challenges of using spectral tools in the field.</p><p dir="ltr">Collectively, this dissertation demonstrates the robust potential of hyperspectral reflectance technology in advancing the monitoring of tree health. By optimizing spectral range selection, reliably estimating tree foliar traits under stress conditions, differentiating various stressors in controlled environments, and effectively detecting current and past drought stress in field conditions, this research offers valuable insights for improving forest health monitoring and management strategies in response to environmental challenges.</p>

Parmi les études novatrices que l'on peut aborder depuis l'orbite martienne en utilisant les données multiangulaires de l'instrument HRSC (canaux nadir, stéréographique et photométrique) de Mars Express, figure la détermination des caractéristiques physiques de la surface, pour cartographier les variations des propriétés physiques des sols et des roches de Mars et les relier aux observations spectroscopiques et thermiques réalisées par les instruments OMEGA, TES et THEMIS. <br /> Les modèles de Minnaert et de fonction de phase à deux termes de Hapke s'accordent pour démontrer que les observations multiangulaires de HRSC acquises au cours de la mission sur le cratère Gusev et le flanc sud de Apollinaris peuvent, sous certaines limites, être assemblées pour produire une fonction de phase couvrant un grand intervalle d'angles de phase (5-95°) avec une résolution spatiale de l'ordre de 400 mètres à 1.6 kilomètres.<br /><br />Combiné à la rugosité de surface, l'effet d'opposition joue un rôle significatif, <br />suggérant que les propriétés optiques de l'état de surface au niveau de Gusev sont fortement influencées par la porosité, l'état de compaction et l'organisation de la couche superficielle du régolite. L'aspect cartographique de la présente étude photométrique est utile pour donner une meilleure signification aux variations observées. Selon les tendances générales de cette analyse, il est très probable que la variation photométrique observée, au moins pour les régions centre et Ouest du cratère Gusev, soit partiellement due aux régimes des vents dominants, ces derniers ayant une orientation Nord - Nord Ouest / Sud - Sud Est et induisant une perturbation de la couche supérieure de la surface. Les résultats de cette étude photométrique sont en accord avec des études indépendantes basées sur les données orbitales d'inertie thermique et de spectroscopie de réflectance, et également des données photométriques et d'imagerie microscopique réalisées in situ par les instrument du rover Spirit. Cela conforte l'idée de l'existence en surface d'une couche composée de poussière à grains fins qui aurait été enlevée au niveau des unités de faible albédo révélant ainsi un substrat basaltique sombre formé de matériaux à grains plus grossiers. <br /><br />Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour documenter les processus de surface sur les planètes.

Während über hexagonales (alpha) GaN zum ersten Mal 1932 berichtet wurde, gelang erst 1989 die Synthese einer mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3C-SiC epitaktisch gewachsenen, metastabilen kubischen (eta) GaN Schicht. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung der Verbindungen eta-(In,Ga,Al)N mittels RF-Plasma unterstützter MBE auf GaAs(001) und den mikrostrukturellen sowie optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems. Im Vergleich zur hexagonalen bietet die kubische Kristallstruktur auf Grund ihrer höheren Symmetrie potentielle Vorteile für die Anwendung in optischen und elektronischen Bauelementen. Viele wichtige Materialgrößen der kubischen Nitride sind jedoch noch gänzlich unbekannt, da sich die Synthese einkristalliner Schichten als sehr schwierig erweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher erstens, die technologischen Grenzen der Herstellung von bauelementrelevanten kubischen (In,Ga,Al)N Heterostrukturen auszuweiten und zweitens, einen Beitrag zur Aufklärung der bis dato wenig bekannten optischen und elektronischen Eigenschaften des GaN und der Mischkristalle In GaN zu leisten. Zunächst wird ein optimierter MBE Prozess unter Einsatz einer Plasmaquelle hohen Stickstofflusses vorgestellt, welcher nicht nur die reproduzierbare Epitaxie glatter, einphasiger GaN Nukleationsschichten auf GaAs ermöglicht. Vielmehr können damit auch dicke GaN. Schichten mit glatter Oberflächenmorphologie hergestellt werden, welche die Grundlage komplizierterer eta-(In,Ga,Al)N Strukturen bilden. An einer solchen GaN Schicht mit einer mittleren Rauhigkeit von nur 1.5 nm werden dann temperaturabhängige Reflexions- und Transmissionsmessungen durchgeführt. Zur Auswertung der Daten wird ein numerisches Verfahren entwickelt, welches die Berechnung des kompletten Satzes von optischen Konstanten im Spektralgebiet 2.0 = 0.4 wären grün-gelbe Laserdioden. Zusammenfassung in PostScript / While the earliest report on wurtzite (alpha) GaN dates back to 1932, it was not until 1989 that the first epitaxial layer of metastable zincblende (eta) GaN has been synthesized by molecular beam epitaxy (MBE) on a 3C-SiC substrate. The present work focuses on radio frequency (RF) plasma-assisted MBE growth, microstructure, and optical properties of the eta-(In,Ga,Al)N material system on GaAs(001). Due to their higher crystal symmetry, these cubic nitrides are expected to be intrinsically superior for (opto-) electronic applications than the widely employed wurtzite counterparts. Owing to the difficulties of obtaining single-phase crystals, many important material constants are essentially unknown for the cubic nitrides. The aim of this work is therefore, first, to push the technological limits of synthesizing device-relevant zincblende (In,Ga,Al)N heterostructures and, second, to determine the basic optical and electronic properties of GaN as well as to investigate the hardly explored alloy InGaN. An optimized MBE growth process is presented which allows not only the reproducible nucleation of smooth, monocrystalline GaN layers on GaAs using a high-nitrogen-flow RF plasma source. In particular, thick single-phase GaN layers with smooth surface morphology are obtained being a prerequisite for the synthesis of ternary eta-(Ga,In,Al)N structures. Temperature dependent reflectance and transmittance measurements are carried out on such a GaN film having a RMS surface roughness as little as 1.5 nm. A numerical method is developed which allows to extract from these data the complete set of optical constants for photon energies covering the transparent as well as the strongly absorbing spectral range (2.0 -- 3.8 eV). Inhomogeneities in the refractive index leading to finite coherence effects are quantitatively analyzed by means of Monte Carlo simulations. The fundamental band gap EG(T) of GaN is determined for 5 < T < 300 K and the room temperature density of states is investigated. Systematic studies of the band edge photoluminescence (PL) in terms of transition energies, lineshapes, linewidths, and intensities are carried out for both alpha- and GaN as a function of temperature. Average phonon energies and coupling constants, activation energies for thermal broadening and quenching are determined. Excitation density dependent PL measurements are carried out for both phases in order to study the impact of nonradiative recombination processes at 300 K. A recombination model is applied to estimate the internal quantum efficiency, the (non)radiative lifetimes, as well as the ratio of the electron to hole capture coefficients for both polytypes. It is seen that the dominant nonradiative centers in the n-type material investigated act as hole traps which, however, can be saturated at already modest carrier injection rates. In summary, despite large defect densities in GaN due to highly mismatched heteroepitaxy on GaAs, band edge luminescence is observed up to 500 K with intensities comparable to those of state-of-the-art alpha-GaN. For the first time, thick InGaN films are fabricated on which blue and green luminescence can be observed up to 400 K for x=0.17 and x=0.4, respectively. Apart from bulk-like InGaN films, the first coherently strained InGaN/GaN (multi) quantum wells with In contents as high as 50 % and abrupt interfaces are grown. This achievement shows that a ternary alloy can be synthesized in a metastable crystal structure far beyond the miscibility limit of its binary constituents despite the handicap of highly lattice mismatched heteroepitaxy. The well widths of these structures range between 4 and 7 nm and are thus beyond the theoretically expected critical thickness for the strain values observed. It is to be expected that even higher In contents can be reached for film thicknesses below 5 nm. The potential application of such InGaN/GaN multi quantum wells with x >= 0.4 would thus be diode lasers operating in the green-yellow range. abstract in PostScript

Structural colours arise from the interaction of visible light with nano-structured materials. The occurrence of such structures in nature has been known for over a century, but it is only in the last few decades that the study of natural photonic structures has fully matured due to the advances in imagining techniques and computational modelling. Even though a plethora of different colour-producing architectures in a variety of species has been investigated, a few significant questions are still open: how do these structures develop in living organisms? Does disorder play a functional role in biological photonics? If so, is it possible to say that the optical response of natural disordered photonics has been optimised under evolutionary pressure? And, finally, can we exploit the well-adapted photonic design principles that we observe in Nature to fabricate functional materials with optimised scattering response? In my thesis I try to answer the questions above: I microscopically investigate $\textit{in vivo}$ the growth of a cuticular multilayer, one of the most common colour-producing strategies in nature, in the green beetles $\textit{Gastrophysa viridula}$ showing how the interplay between different materials varies during the various life stages of the beetles; I further investigate two types of disordered photonic structures and their biological role, the random array of spherical air inclusions in the eggshells of the honeyguide $\textit{Prodotiscus regulus}$, a species under unique evolutionary pressure to produce blue eggs, and the anisotropic chitinous network of fibres in the white beetle $\textit{Cyphochilus}$, the whitest low-refractive index material; finally, inspired by these natural designs, I fabricate and study light transport in biocompatible highly-scattering materials.

La protection des documents fiduciaires et identitaires contre la fraude exige le développement d’outils de contrôle fondés sur des effets visuels sans cesse renouvelés, difficiles à contrefaire (même pour un expert ... de la contrefaçon !). Ce projet de recherche s’inscrit dans cette problématique et vise à apporter des solutions originales via l’impression de supports diffusants d’une part, et le développement de modèles de rendu visuel d’autre part. Les effets visuels recherchés sont des ajustements de couleurs entre les deux faces d’un imprimé lorsque celui-ci est observé par transparence devant une source lumineuse. Pour obtenir facilement des ajustements de couleurs quelles que soient les couleurs visées, il est capital d’avoir un modèle à disposition, permettant de calculer les quantités d’encre à déposer. Un modèle doit être capable de prédire les facteurs spectraux de réflexion et de transmission du support imprimé en décrivant les phénomènes de diffusion optique présents en pratique dans les couches d’encre et le support. Nous nous intéressons plus particulièrement aux imprimés translucides contenant des couleurs en demi-ton des deux côtés de la surface avec pour objectif de prédire le rendu visuel pour diverses configurations d’observation. Pour cela, nous proposons une nouvelle approche basée sur l’utilisation de matrices de transfert de flux pour prédire les facteurs spectraux de réflexion et de transmission des imprimés lorsqu’ils sont éclairés simultanément des deux côtés. En représentant le comportement optique des différents composants d’un imprimé par des matrices de transfert, la description des transferts de flux entre ces composantes s’en trouve simplifiée. Ce cadre mathématique mène à la construction de modèles de prédiction de couleurs imprimées en demi-ton sur des supports diffusants. Nous montrons par ailleurs que certains modèles existants, comme le modèle de Kubelka-Munk ou encore le modèle de Clapper-Yule, peuvent également être formulés en termes de matrices de transfert. Les résultats obtenus avec les modèles proposés dans ce travail mettent en évidence des qualités de prédiction équivalentes, voire supérieures, à celles qu’on retrouve dans l’état de l’art, tout en proposant une simplification de la formulation mathématique et de la description physique des échanges de flux. Cette simplification fait de ces modèles des outils de calcul qui s’utilisent très facilement, notamment pour la détermination des quantités d’encre à déposer sur les deux faces de l’imprimé afin d’obtenir des ajustements de couleurs / The protection of banknotes or identity documents against counterfeiting demands the development of control tools based on visual effects that are continuously renewed. These visual effects become thus difficult to counterfeit even by an expert forger ! This research tries to deal with that issue. Its objective is to bring new solutions using on the one side, the printing of diffusing materials, and on the other side the development of visual rendering models that can be observed. The visual effects that are sought-after are the color matching on both sides of a printed document when observed against thelight. To easily obtain a color matching, whatever the colors that are aimed for, it is essential to have a model that helps in calculating the quantity of ink to be left on the document. A model must be used to predict the spectral reflectance and the transmittance factors of the printed document by describing the phenomena of optical diffusion really present in the ink layers and in the document. We shall focus our interest especially on translucent printed documents that have halftone colors on both sides. Our goal here is to predict the visual rendering in different configurations of observation. To that end, we are offering a new approach based on the use of flux transfer matrices to predict the spectral reflectance and transmittance factors of prints when they are simultaneously lit up on both sides. By representing with transfer matrices the optical behavior of the different components present in a printed document, we see that the description of flux transfer between these elements is thus simplified. This mathematical framework leads to the construction of prediction models of halftone printed colors on diffusing materials. We also show that some existing models, such as the Kubelka-Munk or the Clapper-Yule models, can also be formulated in transfer matrices terms. The results that we get with the models used in this work make apparent identical prediction quality and in some cases even better ones to the ones found in the state of the art, while offering a simplification of the mathematical formulation and the physical description of the flux transfer. This simplification thus transforms these models into calculation tools that can easily be used especially for the choice of quantities of ink that must be left on both sides of the document in order to obtain color matching

Le problème du « Shape From Shading » est aujourd'hui considéré comme un problème mal posé et difficile à résoudre. Afin de bien comprendre les difficultés de ce problème et d'apporter des solutions fiables et pertinentes, nous proposons une approche rigoureuse basée sur la notion de solution de viscosité.<br />Après avoir considéré et exploité au maximum les équations (aux dérivées partielles) obtenues à partir de la modélisation classique du problème du « Shape From Shading », nous proposons et étudions de nouvelles équations provenant de modélisations plus réalistes que celles qui avaient été traitées classiquement dans la littérature. Cette démarche nous permet alors de démontrer qu'avec de telles nouvelles modélisations, le problème du « Shape From Shading » est généralement un problème complètement bien posé. En d'autres termes, nous prouvons que la version classique du problème du « Shape from Shading » est devenu mal posée à cause d'une trop grande simplification de la modélisation.<br />Dans ce travail, nous proposons aussi une extension de la notion de solutions de viscosité singulières développée récemment par Camilli et Siconolfi. Cette extension nous permet de proposer une nouvelle caractérisation des solutions de viscosité discontinues. Ce nouveau cadre théorique nous permet aussi d'unifier les différents résultats théoriques proposés dans le domaine du « Shape From Shading ».