Caractérisation, modélisation et simulation des effets visuels du brouillard pour l'usager de la route

Dense fog is a major road safety issue. Improving road users' safety involves prevention, forecast, detection, as well as signalling, lighting and driver assistance. However, in order to design suitable road or vehicle solutions compensating for the loss of visual information, accurate understanding of how fog reduces visibility is necessary. Evaluating such solutions in terms of driving behaviour requires the use of simulation, because tests in real foggy traffic are unpractical. The goal of this work is to describe how fog impairs the driver's visual environment, in order to model and simulate the visual effects of fog. In the first bibliographic part, we notice the gap between the complex and varied microphysical and optical aspects of fog on the one hand, and the oversimplified notion of "visibility range" commonly used to describe its perceptive effects on the other hand. We show that frequency analysis is necessary to characterize the scattering-induced perturbations to the luminance distribution which forms the visual signal. In order to synthesise the images needed for this approach, we use a ray-tracing technique which allows physically-based rendering of scattering media.In the second part, we first describe the Monte Carlo light tracing technique we implemented to simulate light propagation with multiple anisotropic scattering in a polydispersed medium such as fog. The resulting simulation code is then used to study the properties of the modulation transfer function of a "slab" of fog, considered equivalent to an optical filter. This leads to the definition of a frequency contrast operator which characterizes the halo effect of scattered light. Based on Koschmieder's law, we propose an extended model of fog visual effects - extinction, halo and veils (atmospheric and back-scattered) - which can be used to predict the modifications generated by fog in the visual environment of road users in any traffic situation. We also show that the proposed model is compatible with real-time driving simulation.The photometric model of fog visual effects developed in this work has already been tested experimentally by driving psychologists. It has also been adapted by real-time graphic simulation specialists to enhance the fidelity of fog conditions on driving simulators. It will also be used to study the performance of road equipment in reduced visibility conditions.Sur la route, le brouillard est relativement rare, mais particulièrement meurtrier. Pour améliorer la sécurité des usagers, les solutions passent d'abord par la prévention, la prévision et la détection, mais également par la signalisation, l'éclairage et l'aide à la conduite. Toutefois, la conception de solutions adaptées, susceptibles de compenser la perte de visibilité induite par le brouillard, repose sur la compréhension du phénomène. De plus, l'évaluation de ces solutions en termes de comportement de conduite passe nécessairement par la simulation, étant donnée la quasi-impossibilité des expérimentations en brouillard réel. L'objet de cette étude est de décrire les dégradations induites par le brouillard dans l'environnement visuel du conducteur, en vue de les modéliser et de les reproduire sur simulateur de conduite.Dans la première partie, essentiellement bibliographique, on commence par constater la contradiction entre la complexité et la diversité des propriétés microphysiques et optiques du brouillard d'une part, et l'utilisation courante de la notion de “ distance de visibilité ” pour en décrire les effets perceptifs d'autre part. On montre ensuite que la caractérisation des effets visuels du brouillard passe par une analyse fréquentielle des perturbations induites par la diffusion de la lumière dans la distribution de luminance formant le signal visuel. En vue de maîtriser le recueil des images indispensables à cette analyse, on choisit de faire appel à la synthèse d'images en privilégiant la méthode du tracé de rayons.Dans la deuxième partie, on commence par décrire la technique de tracé de photons de type Monte-Carlo développée pour simuler la diffusion multiple et anisotrope de la lumière au sein d'un milieu polydispersé tel que le brouillard. Le code ainsi mis au point est ensuite mis en œuvre afin d'étudier les propriétés de la fonction de transfert de modulation d'une couche de brouillard, assimilée à un filtre optique, ce qui nous conduit à définir un opérateur fréquentiel de contraste pour caractériser le halo généré autour du signal transmis par l'énergie lumineuse diffusée. En se basant sur la loi de Koschmieder, on propose finalement un modèle étendu des effets visuels du brouillard – extinction, halo et voiles (atmosphérique et rétro-diffusé) – permettant de prédire les dégradations engendrées par le brouillard dans l'environnement visuel de l'usager de la route en toutes conditions de circulation. On montre également que le modèle proposé est compatible avec une mise en œuvre interactive sur simulateur de conduite.Le modèle photométrique des effets visuels du brouillard issu de ce travail a dores et déjà fait l'objet d'une validation expérimentale, en collaboration avec des psychologues de la conduite. Il a également été utilisé pour améliorer les outils de simulation de conduite dans le brouillard, en collaboration avec une société spécialisée dans la simulation temps-réel. Il est prévu de mettre en œuvre ces outils pour étudier les performances de l'infrastructure routière en termes de visibilité et de lisibilité par temps de brouillard