Light interreflexions in ridged surfaces : influence of surface structure, material and lighting on color

par Dorian Saint-Pierre

Thèse de doctorat en Optique, Photonique

Sous la direction de Mathieu Hébert et de Lionel Simonot.

Soutenue le 19-11-2020

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (équipe de recherche) , Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Hubert Curien [Saint Etienne] (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Jacquemoud.

Le jury était composé de Christine Andraud.

Les rapporteurs étaient Myriam Zerrad, Daniel Meneveaux.

  • Titre traduit

    Interréflexions lumineuses sur surface structurée : influence de la structure de surface, du matériau et de l’éclairage sur la couleur


  • Résumé

    Les interréflexions lumineuses sont un phénomène optique relativement peu étudié, qui se produit sur les surfaces non-planes, plus précisément dans leurs concavités petites ou grandes, et qui affecte de manière sensible leur apparence colorée : chaque point éclairé dans une concavité de la surface rééclaire à son tour les autres points de la cavité. Ce processus d'éclairage mutuel peut se produire indéfiniment si la surface est diffusante. Il est crucial de prendre en compte un très grand nombre de réflexions successives pour correctement prédire l’apparence de matériaux structurés, par exemple dans le cas de l’impression 3D. Nous proposons des modèles permettant de décrire ces interréflexions avec des résolutions quasi-analytiques, moyennant l’hypothèse forte d’une surface striée périodique, formée de cavités en V infiniment longues, identiques et parallèles, faite d’un matériau opaque. Trois types de modèle d’interréflexions ont été étudiés : matériaux Lambertiens, spéculaires, et Lambertiens interfacé. Les résultats des modèles ont permis d’analyser en profondeur l’influence de la forme, de la géométrie d’éclairage, et du matériau sur la couleur et la luminosité perçue. Le modèle Lambertien met en évidence un gain de luminance et de chroma dans le cas de matériau diffusants hautement réfléchissants, qui peut cependant disparaitre selon le type d’éclairage considéré. Le modèle spéculaire met en évidence la saturation de la couleur en fonction du nombre de réflexions, et l’influence du changement de polarisation sur cette même couleur perçue. Le modèle Lambertien avec interface propose une approche pour des matériaux plus réalistes et montre une différence modeste avec les prédictions du modèle Lambertien pur. Ces modèles forment une boite à outil très utile pour se faire une idée des paramètres influant sur la couleur, a quelle évolution de couleur s'attendre, dans quelle mesure leur influence est significative, et de savoir expliquer les raisons physiques de ces évolutions. Les évolutions décrites peuvent, elles, se généraliser à des structures surfaces plus complexes que celles que nous avons effectivement étudiées.


  • Résumé

    Light interreflections are an optical phenomenon that remains relatively Under-investigated, and happening on every non-planar surface, precisely in their big or small concavities, and that noticeably affects their color appearance : each illuminated point in a concavity is then illuminating the other points of the cavity. This process of mutual illumination can happen indefinitely on a scattering surface. It is crucial to acknowledge a high number of light successive reflections to correctly predict a structured material appearance, for example in the case of 3D printing. We propose models allowing the description of these interreflections with quasi-analytical solutions, Under the assumption that the surface is periodically ridged, made of infinitely long V-cavities, identical and parallel, made of opaque material. Three types of interreflection model were studied: Lambertian, mirror-like, and « interfaced » Lambertian materials. The results of the models allowed us to deeply investigate the influence of the shape, the lighting geometry and of the material on the perceived color and radiance. The Lambertian model put the emphasis on a gain in radiance and chroma in the case of highly reflective scattering materials, which can disappear with a change in lighting. The specular only model shows the saturation of the perceived color as a function of the number of specular reflections, and the influence of the polarization change on the color. The interfaced Lambertian model propose a more realistic approach for real life materials, with small differences with the predictions obtained with the Lambertian only model. These models are a useful toolbox to get an idea of the different parameters influencing the color, which evolution of the color to expect, and to what extent the influence is significant, and how to explain the physical reasons behind them. The described evolutions can be generalized to more complex surface structure than the one studied in this work.


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