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Abstract :
[en] Digitization—whether in 2D, 2D+, or 3D—now plays a central role in collection management, scientific analysis, and public access. The COVID-19 pandemic underscored the essential function of digital surrogates, often serving as the sole means of accessing and studying collections. While 2D spectral imaging and 3D digitization have individually proven their value in heritage contexts, integrating these approaches offers the potential to uncover previously inaccessible information about materials, structures, and inscriptions.
This research explores the potential of 3D spectral imaging (3D SI) to enhance the documentation, interpretation, and analysis of heritage objects. Drawing on the strengths of both spectral and geometric data, the study proposes an affordable and accessible workflow tailored to the needs of heritage professionals. The dual objective is to develop a technical methodology for acquiring 3D spectral data and to evaluate its added value through a series of case studies.
Key research questions include: How can 3D spectral data be effectively acquired using a cost-efficient setup? What is the added value of 3D SI for the digitization of challenging materials? Can it improve legibility or reveal otherwise invisible information? Can it support non-invasive material identification?
By systematically testing equipment, workflows, and processing strategies, this study formulates and assesses hypotheses concerning the analytical and visual benefits of 3D SI. Ultimately, it aims to establish best practices and evaluate the feasibility of integrating 3D SI into large-scale digitization efforts. The results have the potential to inform future conservation, research, and public dissemination strategies across the cultural heritage sector.
This dissertation is structured into three main parts.
The first part serves as a set of preliminary considerations. It includes the general introduction, which outlines the scientific and practical motivations behind the decision to combine 3D with spectral imaging. This section then lays out the technological and methodological foundations of this hybrid approach, explaining the rationale behind selecting photogrammetry as the 3D acquisition technique. Finally, it provides a documented state of the art, defining the key principles necessary for understanding the research framework.
The second part constitutes the core of this study. It focuses on the implementation of the proposed methodology and its evaluation through several case studies, and is divided into five chapters. The first chapter details the choices made regarding equipment and acquisition protocols, comparing various options ranging from cost-effective solutions to more advanced, high-end configurations.
The second chapter investigates whether spectral imaging can enhance 3D models compared to traditional photogrammetry and other 3D imaging techniques. Certain materials pose challenges for conventional photogrammetry due to their optical properties—such as highly reflective, strongly absorbent, or highly transmissive materials. Spectral imaging is explored as a potential solution to overcome these limitations and improve the accuracy and completeness of 3D reconstructions.
The third chapter explores how 3D spectral imaging contributes to improving the legibility of heritage objects by revealing features that are difficult to perceive with the naked eye. Both spectral and geometric aspects are addressed through a variety of processing techniques. The chapter compares enhancements derived from white light textures—using methods such as decorrelation stretch and dimensionality reduction—with those obtained from individual spectral bands or combinations of bands through false color imaging, dimensionality reduction, or mathematical processing. The added value of geometric data is also assessed, using specific textures like ambient occlusion and flattening techniques to improve visual interpretation.
The fourth chapter addresses the identification of materials and certain geometric elements using classification methods, with a particular focus on pigment detection. To evaluate these methods, two experimental case studies were created, each with its own training dataset. The approach is ultimately applied to a real-world heritage case study to assess its practical effectiveness.
These three chapters are grounded in case studies involving heritage objects from diverse cultures and time periods, demonstrating the wide applicability of the proposed method. It is not restricted to any specific era or type of object.
Finally, the fifth chapter synthesizes the findings from the previous chapters to assess the overall effectiveness of the selected equipment and protocols. Additional experiments were conducted to assess specific aspects of the equipment’s performance. These experiments were designed to be easily reproducible without the need for advanced or specialized tools. The chapter offers practical recommendations for achieving an optimal balance between cost and performance in heritage applications. Moreover, the proposed experiments provide a framework that other researchers can replicate to evaluate the potential of alternative low-cost equipment.
The third and final part is devoted to practical recommendations, best practices, and concluding reflections. Building on the findings from Part Two, it proposes a set of best practices and recommendations to support the community in implementing 3D spectral imaging. This includes equipment recommendations and guidance for making informed choices based on specific needs. For each research question addressed in this dissertation, a recommended workflow is proposed and illustrated with tailored flowcharts. The dissertation concludes with a general synthesis and outlines future research perspectives opened by this work.
[fr] La numérisation — qu’elle soit en 2D, 2D+ ou 3D — joue aujourd’hui un rôle central dans la gestion des collections, l’analyse scientifique et l’accès du public au patrimoine. La pandémie de COVID-19 a mis en évidence l’importance cruciale des substituts numériques, devenus parfois le seul moyen d’accéder aux collections et de les étudier. Si l’imagerie spectrale 2D et la numérisation 3D ont chacune démontré leur utilité dans le domaine patrimonial, leur combinaison ouvre de nouvelles perspectives pour révéler des informations jusque-là inaccessibles sur les matériaux, les structures ou les inscriptions.
Cette recherche explore le potentiel de l’imagerie spectrale 3D pour améliorer la documentation, l’interprétation et l’analyse des objets patrimoniaux. En tirant parti des complémentarités entre données spectrales et géométriques, l’étude propose une méthodologie accessible et peu coûteuse, adaptée aux besoins des professionnels du patrimoine. Elle poursuit un double objectif : développer un protocole méthodologique d’acquisition de données spectrales en 3D et en évaluer la valeur ajoutée à travers plusieurs études de cas.
Les questions de recherche principales sont les suivantes : comment acquérir efficacement des données spectrales 3D avec un équipement abordable ? Quelle est la valeur ajoutée de cette approche pour la numérisation de matériaux difficiles à numériser avec les techniques surfaciques habituelles ? Peut-elle améliorer la lisibilité ou révéler des informations invisibles à l’œil nu ? Peut-elle servir à identifier ou différencier les matériaux de manière non invasive ?
En testant de manière systématique différents dispositifs, flux de travail et méthodes de traitement, cette étude formule et évalue des hypothèses sur les apports visuels et analytiques de l’imagerie spectrale 3D. Elle vise, in fine, à proposer des recommandations concrètes pour l’intégration de cette méthodologie dans des campagnes de numérisation à plus grande échelle. Les résultats pourraient nourrir les pratiques futures en matière de conservation, de recherche et de valorisation du patrimoine culturel.
Cette thèse est structurée en trois grandes parties.
La première partie constitue les prolégomènes. Elle comprend l’introduction générale, qui expose les motivations scientifiques et pratiques ayant conduit au choix de combiner la photogrammétrie à l’imagerie spectrale. Elle présente également les fondements technologiques et méthodologiques de cette approche hybride. Enfin, elle propose un état de l’art documenté du domaine, en définissant les principes de base nécessaires à la compréhension du cadre de recherche.
La deuxième partie constitue le cœur de cette étude. Elle est consacrée à la mise en œuvre de la méthodologie proposée et à son évaluation au travers de plusieurs études de cas, réparties en cinq chapitres.
Le premier chapitre détaille les choix réalisés en matière d’équipement et de protocoles, en comparant différentes options allant des solutions les plus abordables aux configurations plus coûteuses.
Le deuxième chapitre s’interroge sur l’intérêt de l’imagerie spectrale pour améliorer les modèles 3D, en comparaison aux résultats obtenus en photogrammétrie classique, mais aussi par rapport à d'autres techniques d’imagerie 3D. Certains matériaux posent en effet des problèmes à la photogrammétrie classique en raison de leurs propriétés optiques—comme les matériaux très réfléchissants, fortement absorbants ou très transmissifs. L’imagerie spectrale est ici exploitée comme un moyen de surmonter ces limitations et d’améliorer la précision et l’intégrité des reconstructions 3D.
Le troisième chapitre explore la contribution de l’imagerie spectrale 3D à l’amélioration de la lisibilité des objets patrimoniaux, en mettant en évidence des éléments difficilement visibles à l’œil nu. Les données spectrales et géométriques sont analysées à travers différentes techniques de traitement. Le chapitre compare les rehauts obtenus à partir de textures en lumière blanche (via des méthodes telles que l’étirement par décorrélation ou la réduction de dimension) avec ceux issus de bandes spectrales individuelles ou combinées (imagerie en fausses couleurs, réduction de dimension, traitements mathématiques). La valeur ajoutée des données géométriques est également étudiée à l’aide de textures spécifiques comme les textures d’occlusion ou via les techniques de mise à plat virtuelle pour faciliter l’interprétation visuelle.
Le quatrième chapitre porte sur l’identification des matériaux et de certains éléments géométriques à l’aide de méthodes de classification, avec une attention particulière portée à l’identification des pigments. Deux études de cas expérimentales ont été élaborées, chacune disposant de son propre jeu de données d’apprentissage. L’approche est ensuite appliquée à un cas d’étude patrimonial réel afin d’en évaluer l’efficacité sur le terrain.
Ces trois derniers chapitres s’appuient sur des études de cas patrimoniaux issus de cultures et de périodes variées, afin de démontrer que la méthode proposée est applicable à un large éventail de contextes. Elle ne se limite ni à une époque spécifique, ni à un type particulier d’objet.
Enfin, le cinquième chapitre synthétise les résultats des chapitres précédents pour évaluer l’efficacité des équipements et protocoles utilisés. Des expériences complémentaires ont été menées pour évaluer certains aspects des performances des différents éléments. Conçues pour être facilement reproductibles sans outils spécialisés, ces expériences aboutissent à des recommandations pratiques visant à trouver un équilibre optimal entre coût et performance pour des applications patrimoniales. Par ailleurs, elles constituent un cadre que d’autres chercheurs peuvent réutiliser pour tester le potentiel d’équipements alternatifs à bas coût.
La troisième et dernière partie est consacrée aux recommandations pratiques, aux bonnes pratiques et aux conclusions générales. En s’appuyant sur les résultats de la deuxième partie, elle propose un ensemble de recommandations concrètes pour accompagner la communauté dans la mise en œuvre de l’imagerie spectrale 3D. Cela comprend des conseils sur le choix de l’équipement en fonction des besoins spécifiques. Pour chaque question de recherche traitée dans la thèse, un protocole recommandé est proposé et illustré par des diagrammes adaptés. La thèse se termine par une synthèse générale et ouvre des perspectives pour de futures recherches.
