Mesures photométriques et colorimétriques en conditions dynamiques par imagerie HDR : application à l'optimisation des installations d'éclairage routier

Photometric and colorimetric measurements under dynamic conditions using HDR imaging : Application to the optimisation of road lighting installations

• Auteur / Autrice : Florian Greffier
• Direction : Roland Brémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Automatique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Perceptions, Interactions, Comportements & Simulations (Champs-sur-Marne ; 2020) - Laboratoire Perceptions, Interactions, Comportements & Simulations (Champs-sur-Marne ; 2020)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Charbonnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roland Brémond, Dominique Dumortier, Gaël Obein, Vincent Boucher, Sophie Jost, Christine Fernandez-Maloigne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Dumortier, Gaël Obein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exploration visuelle

Revêtement réfractaire

Réflexion (optique)

Photographie HDR

Colorimétrie

Photométrie

Routes -- Éclairage

Mots clés libres

Eclairage routier

Photométrie

Colorimétrie

Imagerie HDR

Propriétés de réflexion des revêtements

Performance visuelle

Road Lighting

Photometry

Colorimetry

High Dynamic Range imaging

Pavement reflection properties

Visual performance

Résumé

L’optimisation des installations d’éclairage est un enjeu prioritaire d’adaptation des infrastructures routières et des territoires urbains au changement climatique. Un éclairage optimisé doit permettre de concilier les impératifs de sobriété énergétique (maîtrise des consommations d’électricité) et de réduction des nuisances lumineuses (halo, éblouissement, impact de la lumière sur la biodiversité). Il doit aussi satisfaire les besoins réels des usagers (visibilité, sécurité, confort visuel) en intégrant la mixité des usages (marche, vélo, véhicule motorisé) et les différences de perception visuelle associées. La normalisation européenne et les recommandations de la Commission Internationale de l’Éclairage fournissent un ensemble d’outils méthodologiques pour concevoir une installation d’éclairage et évaluer ses performances. S’agissant de satisfaire des besoins visuels humains, les luminances présentes dans le champ de vision sont au cœur de cette problématique d’optimisation. Les couleurs des surfaces ou des objets de la scène routière peuvent aussi contribuer à la prise d’informations visuelles des usagers. Mais la réalisation de mesures photométriques (luminance) et colorimétriques (chrominance) sous éclairage routier reste un exercice confidentiel. Les contraintes matérielles et opérationnelles sont relativement fortes et les pratiques tendent à négliger les performances réelles des installations en matière de service visuel rendu.Pour pallier ce manque de connaissances, il a été développé un système d’imagerie HDR permettant de réaliser des mesures photométriques et colorimétriques dans des conditions dynamiques. Il repose sur l’association de quatre caméras étalonnées en luminance et en couleur. Le système d’imagerie peut être installé à bord d’un véhicule en mouvement. La problématique d’appariement d’images et de fusion HDR a été abordée en mobilisant des techniques empruntées à la stéréoscopie. La méthodologie traditionnelle de caractérisation des performances de l’éclairage a été adaptée afin de positionner automatiquement le maillage de mesures standard dans des images et ainsi réaliser les calculs normalisés de luminance moyenne et d’uniformités des luminances, dans le contexte de l’éclairage public et de l’éclairage en tunnel. Le fait de disposer d’images HDR a également permis de s’intéresser à l’éblouissement d’incapacité (mesures du Threshold Increment) qui n’est jamais évalué sur site réel. Le système a ensuite été utilisé pour démontrer le rôle fondamental des propriétés optiques réelles des revêtements de chaussée dans l’optimisation des installations d’éclairage. Cela a conduit à développer une nouvelle méthode de mesure de ces propriétés par imagerie et à l’investir dans la conception d’un système d’éclairage adaptatif. Il a également servi à étudier l’influence de la géométrie d’observation de la route sur les critères de qualité d’une installation d’éclairage, pour mieux considérer les différents types d’usagers. Enfin, de nouveaux outils méthodologiques et des travaux exploratoires ont été discutés afin de positionner la performance visuelle comme un levier privilégié de réduction des besoins de lumière nocturne

The optimisation of lighting installations is a priority issue for the adaptation of road infrastructures and urban areas to climate change. Optimised lighting must make it possible to reconcile the imperatives of energy sobriety (control of electricity consumption) and the reduction of light pollution (halo, glare, impact of light on biodiversity). It must also meet the real needs of users (visibility, safety, visual comfort) by integrating the mix of uses (walking, cycling, motorised vehicles) and the associated differences in visual perception.European standards and the recommendations of the International Commission on Illumination provide a set of methodological tools for designing a lighting installation and evaluating its performance. In terms of satisfying human visual needs, the luminances present in the field of view are at the heart of this optimisation issue. The colours of surfaces or objects in the road scene can also contribute to the visual information of users. However, the performance of photometric (luminance) and colorimetric (chrominance) measurements under road lighting remains a confidential exercise. The material and operational constraints are relatively strong and practices tend to neglect the real performance of installations in terms of visual service rendered.To overcome this lack of knowledge, an HDR imaging system has been developed to carry out photometric and colorimetric measurements under dynamic conditions. It is based on the combination of four cameras calibrated in luminance and colour. The imaging system can be installed in a moving vehicle. The problem of image matching and HDR fusion has been addressed by using techniques borrowed from stereoscopy. The traditional methodology for characterising lighting performance was adapted to automatically position the standard measurement grid in images and thus carry out standard calculations of mean luminance and luminance uniformities, in the context of public lighting and tunnel lighting. The availability of HDR images has also allowed us to look at disability glare (Threshold Increment measurements) which is never assessed in real life.The system was then used to demonstrate the fundamental role of the actual optical properties of pavement surfaces in the optimisation of lighting installations. This led to the development of a new method of measuring these properties by imaging and investing it in the design of an adaptive lighting system. It was also used to study the influence of road observation geometry on the quality criteria of a lighting installation, in order to better consider the different types of users. Finally, new methodological tools and exploratory work were discussed in order to position visual performance as a preferred lever for reducing road lighting requirements