Étude de la chaîne de la vision indirecte pour applications à faibles erreurs colorimétriques

Study of the chain of indirect vision for applications with low colorimetric errors

• Auteur / Autrice : Emilie Robert
• Direction : Pierre Magnan, Justin Plantier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectronique
• Date : Soutenance le 08/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Samia Bouchafa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Magnan, Justin Plantier, Jérôme Vaillant, Patrick Le Callet, David Alleysson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Vaillant, Patrick Le Callet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colorimétrie

Vision des couleurs

Imagerie spectrale

Mots clés libres

Imagerie spectrale

Matrice de Correction des Couleurs

Imagerie Multispectrale

Vision Individuelle

Expérience d'égalisation

Color Imaging

Colorimetric Device Characterization

Multispectral Imaging

Individual Vision

Equalization Experiment

Résumé

Les images de notre quotidien du 21ème siècle sont acquises et visionnées en couleur. Nos télévisions, nos téléphones et ordinateurs, tous permettent une vision indirecte, de la scène à l’œil en passant par un système de d’acquisition et une système d’affichage, avec l’illusion d’une concordance optimale avec la vision directe (de la scène à l’œil) que nous portons au monde qui nous entoure. Pour certaines applications d’imagerie extrêmement exigeantes en termes de colorimétrie, telles que : l’industrie du cinéma, la surveillance, l’industrie du textile ou bien encore l’exploration spatiale, cette illusion est régulièrement altérée par les conditions extrêmes d’acquisition rencontrées. L’objectif de cette thèse est de définir des méthodes pour la reproduction d’images numériques de très haute qualité colorimétrique. Deux axes de recherche principaux sont considérés: la sensibilité spectrale de l’œil humain, et la chaîne du traitement de l’information couleur par les capteurs d’images modernes. Les deux premiers chapitres du manuscrit donnent les connaissances et méthodes liées à ces deux axes. Dans ce cadre, deux études ont été menées sur (i) la méthode de calcul de la matrice de correction des couleurs, et (ii) la prise en compte des variations individuelles de la vision des couleurs par l’humain. Ce travail de thèse vise à définir si l’un de ces deux aspects de la chaîne de la vision indirecte, souvent étudiés indépendamment l’un de l’autre, est à l’origine de trouble importants pour la fidélité colorimétrique. Pour répondre à cette problématique, deux études ont été réalisées: la première quantifie les erreurs résiduelles après l’application à une image de corrections calculées selon deux méthodes calculatoires (moindres carrés linéaires et régression polynomiale d’ordre 2). L’étude se penche en particulier sur deux types de scènes: celles qui présentent des particularités spectrales restreintes, et celles ne permettant pas l’utilisation de mires de calibration. Les résultats sont issus de l’étude de deux capteurs d’images CMOS et sous illuminant D65. Ils indiquent en bon accord avec les études précédentes que pour des scènes contenant des couleurs de l’ensemble du domaine spectral visible, le nombre de patches utilisés pour le calcul de la matrice de correction des couleurs (CCM) peut être réduit en dessous de 24 (mire ColorChecker® X-rite). Concernant les scènes présentant des particularités spectrales, des corrections teintes-spécifiques ont été appliquées à partir de la mire Next Generation Target (NGT). Les résultats suggèrent de compléter l’étude par d’autres méthodes de sélection des teintes pour le calcul de CCM. Dans les applications qui ne permettent pas l’utilisation de mires de calibration, une méthode de caractérisation par imageur multispectral 6-bandes (déjà disponible sur de nombreuses applications spatiales) est étudiée. Elle présente des résultats acceptables sur la caractérisation de la mire ColorChecker® X-rite qui présente des réflectances qui varient de manière très progressive sur le domaine du visible. La deuxième étude quantifie les différences qui peuvent être engendrées par les variations individuelles de la vision humaine, dernier élément de la chaine de la vision indirecte. Les résultats issus de données en accès-libre dans la littérature, montrent que pour certaines teintes les différences de vision des couleurs peuvent s’avérer très critiques et suggèrent le développement de méthodes d’individualisation des images. Une revue est ensuite faite concernant les leviers technologiques utilisés pour le développement d’une expérience d’égalisation visant à mesurer la sensibilité spectrale d’individus soumis à ce contexte d’exigences colorimétriques importantes. Une discussion est alors ouverte concernant le développement de nouvelles expériences d’égalisations, proposant des alternatives pratiques issues des travaux de la littérature très récente.

The images of our daily life are acquired and viewed in color. Our televisions, smartphones and computers, all allow for indirect vision: from the scene to the eye, through an acquisition system and a display system. This is done with the illusion of an optimal match with the direct vision (from the scene to the eye) that we have of our surrounding world. For color-critical imaging applications, such as the cinema industry, surveillance, the textile industry or space exploration, this illusion is regularly altered by the extreme acquisition conditions encountered.The objective of this thesis is to define methods for the reproduction of digital images of very high color quality. Two main research axes are considered: the spectral sensitivity of the human eye, and the processing chain of color information by modern image sensors. The first two chapters of the manuscript give the knowledge and methods related to these two axes. In this context, two studies were conducted on (i) the method of calculating the color correction matrix, and (ii) the consideration of individual variations of color vision by humans. This work aims at defining if one of these two aspects of the chain of the indirect vision, often studied independently of each other, is at the origin of important disorders for the colorimetric fidelity.To address this issue, two studies have been conducted: the first quantifies the residual errors after the application to an image of corrections calculated by two computational methods (linear least squares and polynomial regression of order 2). The study focuses on two types of scenes: those with restricted spectral features, and those that do not allow the use of calibration charts. The results are based on the study of two CMOS image sensors and under illuminant D65. They indicate in good agreement with the previous studies that for scenes containing colors of the whole visible spectral range, the number of patches used for the calculation of the color correction matrix (CCM) can be reduced below 24 (ColorChecker® X-rite chart). On the other hand a reduction in the number of patches does not allow the use of the polynomial regression method admitted by the literature as more effective on complete scenes. For scenes with spectral peculiarities, hue-specific corrections were calculated and applied from the Next Generation Target (NGT) test pattern. The results suggest to complete the study with other methods of selecting the selected hues for the calculation of CCM. Other methods for calculating CCM should also be analyzed. In applications that do not allow the use of calibration charts, a method for scene characterization with a multispectral 6-band imager (already available on many space applications) is studied. It shows acceptable results on the characterization of the ColorChecker® X-rite test chart which presents reflectances that vary in a very progressive way in the visible range.The second study quantifies the differences which can be generated by the individual variations of the human vision, last element of the chain of the indirect vision. Results from open access data in the literature show that for some hues the differences in color vision can be very critical and suggest the development of methods for image individualization. A review is then made concerning the technological levers used for the development of an equalization experiment aiming at measuring the color matching functions of individuals in the context of color-critical applications. A discussion is then opened concerning the development of new equalization experiments, proposing practical alternatives resulting from the works of the very recent literature.