Relier l'apparence des matériaux aux propriétés physiques et chimiques

par Morgane Gerardin

Projet de thèse en Informatique

Sous la direction de Nicolas Holzschuch et de Pauline Martinetto.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Jean Kuntzmann (laboratoire) depuis le 22-10-2018 .


  • Résumé

    La relation entre rugosité d'une surface colorée et apparence d'un matériau est bien définie: le modèle à micro-facettes (ou modèle de Cook-Torrance) relie ces deux propriétés et est très largement utilisé aussi bien dans le domaine de la recherche que dans celui de l'industrie. Cependant, ce modèle néglige les interactions lumière/matière à l'échelle atomique (diffraction par exemple). L'objectif de cette thèse est d'étudier la relation entre propriétés physico-chimiques et propriétés optiques d'un matériau. Dans un premier temps, nous planifions de nous focaliser sur l'étude de poudres pigmentaires sèches. Ce domaine de recherche est en effet non seulement peu exploré, mais possède également de nombreuses applications potentielles, notamment dans le cadre de l'héritage culturel pour l'étude des peintures murales présentes dans les grottes. La couleur d'un pigment sous forme minérale change généralement lorsqu'il est réduit en poudre. L'Hématite (Fe2O3), un pigment communément utilisé, et bien connue pour apparaître noire sous forme d'un bloc cristallin et rouge sous forme poudreuse sera choisie comme cas d'étude. Des poudres d'hématite synthétiques (préparées avec des tailles de grains et des morphologies différentes) et d'hématite naturelles (moulues à des tailles de grains différentes) seront caractérisées par microscopie, spectroscopie, et par des techniques d'étude structurale. Des modèles se basant sur ces résultats analytiques seront développés de manière à générer des images photo-réalistes capable de restituer le changement de couleur de ces poudres. Les étapes suivantes consisteront à étendre cette stratégie analytique et ces modèles à d'autres matériaux pour être en mesure d'aborder le cas d'artefacts historiques s'étant dégradés au cours du temps. Récemment, des décorations métalliques (souvent très dégradées) ont été identifiées sur des sculptures médiévales. L'oxydation du métal ou alliage d'origine sera investigué en identifiant la nature des phases de dégradation d'échantillons historiques. Les images générées par informatique graphique devront prendre en compte la nature de ces phases de dégradation, leur organisation spatiale, et auront pour but de reproduire l'apparence de l'oeuvre d'art pour différent degrés de dégradation.

  • Titre traduit

    Connecting physical and chemical properties with material appearance


  • Résumé

    The connection between roughness of a colored surface and material appearance is well explored: the micro-facet model (or Cook-Torrance model) connects these two properties and is widely used both in research and in the industry, but this model neglects the light/matter interactions occurring at atomic scale (diffraction for example). The goal in this thesis is to study the relationship between the physicochemical properties of a material and its optical properties. In a first step, we plan to focus on dry powdered pigments, as this research domain is both relatively unexplored and with many potential applications, especially in cultural heritage, for the study of cave paintings. Color changes of a mineral pigment often occurs when milled into powder. Hematite (Fe2O3), a commonly used pigment, is well known to appear black in its bulk crystalline form and red when ground into a powder. It will be chosen as a case study. Powders of synthetic hematite (prepared with different grain size and morphology) and natural hematite (milled at different grain sizes) will be characterized by microcopy, spectroscopy and structural techniques. Models, integrating these analytical results, will be developed in order to generate photorealistic pictures able to restitute the color changes of the powders. In subsequent steps, we will extend the analytical strategy and the models to other materials in order to be able to handle the case of historical artefacts degraded over time. Recently, metallic decorations (often very degraded) have been identified on medieval sculptures. Oxidation of original metal (or alloy) will be investigated by identification of the nature of the degraded phases of historical samples. Computer-generated pictures will have to take into account the nature of these degraded phases, their spatial organization and will aim to reproducing the appearance of the artwork for different degrees of degradation.