Connecting physical and chemical properties with material appearance - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2022

Connecting physical and chemical properties with material appearance

Relier l'apparence des matériaux aux propriétés physiques et chimiques

Abstract

Parietal paintings are subject to natural and anthropogenic degradations. Although they may find themselves weakened to the point of becoming almost illegible, their broadcasting to the general public remains of historical, societal and cultural importance. Thus, the chemical and structural characterization, at the microscopic level, of the materials that were used to make these paintings, is necessary to reproduce their visual appearance. A digital reproduction through photo-realistic images synthesis will validate their observed appearance, and promote their dissemination.If the coloring matters used on parietal paintings were applied with a binder, there is no trace of it left nowadays which allows us to describe these paintings as a dry pigment layer on top of a rock substrate.Numerous shades of red ochre implying the presence of hematite alpha-ce{Fe_2O_3} are observed in parietal paintings. In order to limit the study to this chromophore, we chose to synthesize several samples through routes allowing to control the nucleation and growth of hematite crystals in solution under standard or hydrothermal conditions. These were chosen from those described in the literature so as to obtain colored powders ranging from orange to purple, comparable in terms of their morphology and/or their colors to those observed on parietal paintings.We used several characterization methods (X-ray powder diffraction, optical microscopy and scanning electron microscopy) in order to study the chemical composition of synthetic hematite crystalline powders, as well as the morphological and microstructural parameters of their grains.The color of the different hematite powders is characterized by reflectance, measured by spectroscopy. The colorimetric analysis of these results makes it possible to deduce a correlation between the color and the size of the grains composing the powder.Computer graphics is involved in order to accurately capture the appearance of objects through photo-realistic images rendering. As a first approximation, a paint is considered to be a thin, semi-transparent uniform layer on a substrate. Thus we developed a Bidirectional Reflectance Distribution function (BRDF) model that takes into account multiple reflections and attenuation of light within the layer and implemented it in Mitsuba renderer. This model has been experimentally validated, but requires to be complexified in order to take into account the light scattering introduced by the presence of grains randomly dispersed within a more realistic paint layer.The BRDF measurement of dry and optically thick pigment layers using spectro-gonio-photometry allows a finer characterization of their appearance. We identified three scattering phenomena occurring at the surface or in the volume of the sample as responsible for their appearance: specular scattering, back-scattering and volume scattering. Several analytical models are defined so as to simulate each of these contributions as a function of the morphology of the grains of the studied powders.If the modelizations carried out are efficient in the case of a single pigment, a more realistic approach will be to study the case of mixtures, ochres and natural samples.
Les peintures pariétales sont sujettes à des dégradations naturelles ou anthropiques. Bien qu’elles s’en trouvent fragilisées au point de devenir presque illisibles, leur diffusion auprès du grand public reste d’une importance à la fois historique, sociétale et culturelle. Ainsi, la caractérisation chimique et structurale, au niveau microscopique, des matériaux ayant permis la réalisation de ces peintures, est nécessaire pour restituer leur apparence visuelle. Une restitution numérique par la synthèse d’images photo-réalistes permettra de valider l’apparence observée de ces peintures, et d’en favoriser la diffusion.Si les matières colorantes utilisées en art pariétal furent appliquées à l’aide d’un éventuel liant, il n’en reste aucune trace aujourd’hui ce qui permet de décrire une telle œuvre comme une couche pigmentaire sèche sur un substrat rocheux.De nombreuses teintes d’ocres rouges impliquant la présence d’hématite alpha-ce{Fe_2O_3} sont observées sur les peintures rupestres. Afin de limiter l’étude à ce chromophore, plusieurs poudres d’hématite ont été synthétisées par des voies de synthèses permettant de contrôler la nucléation et la croissance des cristaux en solution dans des conditions standards ou hydrothermales. Celles-ci ont été choisies parmi celles décrites dans la littérature de manière à obtenir une palette de poudres colorées allant de l’orangé au pourpre, parmi lesquelles certaines sont comparables de part leur morphologie et/ou leur teinte à celles observées sur des peintures pariétales.Plusieurs méthodes de caractérisations sont employées (diffraction de rayons X sur poudre, microscopie optique et microscopie électronique à balayage) afin d’étudier la composition chimique des poudres cristallines d'hématite synthétique, ainsi que les paramètres morphologiques et micro structuraux de leurs grains.La couleur des différentes poudres d’hématite est caractérisée par la réflectance, mesurée par spectroscopie. Une analyse colorimétrique de ces résultats permet de mettre en évidence une corrélation entre la teinte et la taille des grains composant la poudre.L’informatique graphique entre en jeu dans le but de fidèlement rendre compte de l’apparence d’objets par le biais de la synthèse d’images photo-réalistes. En première approximation, une peinture est considérée comme une couche mince uniforme semi-transparente sur un substrat. Ainsi un modèle de Bidirectional Reflectance Distribution function (BRDF) prenant en compte les réflexions multiples et l’atténuation de la lumière au sein de la couche a été développé et implémenté sous Mitsuba. Ce modèle est validé expérimentalement, mais nécessite d’être complexifié afin de prendre en compte les phénomènes de diffusion de la lumière introduits par la présence de grains aléatoirement dispersés au sein d’une couche de peinture plus réaliste.La mesure de la BRDF par spectro-gonio-photométrie sur des couches pigmentaires sèches et optiquement épaisses permet de mieux en caractériser l’apparence. Trois phénomènes de diffusion intervenant à la surface ou dans le volume de l’échantillon sont identifiés comme responsables de leur apparence: diffusion spéculaire, rétro-diffusion et diffusion volumique. Plusieurs modèles analytiques sont définis de manière à simuler chacune de ces contributions en fonction de la morphologie des grains des poudres étudiées.Si les modélisations effectuées sont efficaces dans le cas d’un unique pigment, une approche plus réaliste consistera à étudier le cas de mélanges, d’ocres et d’échantillons naturels.
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tel-04118975 , version 1 (12-01-2023)
tel-04118975 , version 2 (06-06-2023)

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  • HAL Id : tel-04118975 , version 2

Cite

Morgane Gerardin. Connecting physical and chemical properties with material appearance. Image Processing [eess.IV]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALM056⟩. ⟨tel-04118975v2⟩
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