Thèse – NACCCRE : Nouvelles modAlités d’imagerie Croisées de Caractérisation de la nacre pour la Conservation-REstauration

Direction de thèse

• Directrice de thèse : Camille SIMON CHANE camille.simon-chane@ensea.fr
• Laboratoire: ETIS UMR 8051, CY Cergy Paris Université, ENSEA, CNRS
• École doctorale de rattachement : ED EM2PSI
• Financeur : Fondation des Sciences du Patrimoine

Partenaires

• Laboratoire de recherche de l’INP, Elsa PERRUCHINI et Chloé BERNARD.
• ETIS, UMR 8051 Aymeric HISTACE
• Musée de la Nacre et de la Tabletterie, Méru (Oise).

Mots-clés 

Nacre, Microstructure, Iridescence, Vision par ordinateur, Apprentissage

I. Résumé

La nacre est une substance minérale et organique tapissant l’intérieur de la coquille de certains mollusques. Sa structure est de type lamellaire constituée de tablettes de carbonate de calcium étroitement liées par un fin ciment organique. Différents empilements existent en fonction du mécanisme de minéralisation de la nacre chez les gastéropodes et les bivalves. Cette microstructure lui donne son aspect irisé qui en fait un matériau apprécié dans le Patrimoine, qu’il convient donc de documenter en l’identifiant de manière la moins intrusive possible afin d’avoir une meilleure connaissance des œuvres et de leur histoire mais aussi d’optimiser les protocoles de restauration. L’identification de l’origine biologique de la nacre en contexte patrimonial est généralement fondée sur des critères visuels comme la couleur, mais cette tâche peut être compliquée par les éventuels traitements subis par ces objets.

Cette thèse définira des protocoles d’acquisition et d’analyses d’images de la nacre par ces deux approches inexplorées : d’une part, par l’étude de la microstructure de nacres de référence et d’objets en nacre par microscopies numériques, en isolant de possibles caractéristiques microstructurales particulières et pertinentes permettant une première classification de l’origine de la nacre patrimoniale; d’autre part, à travers l’acquisition des patterns d’irisation générés par l’illumination contrôlée de pièces de nacre et les algorithmes de classification associés (supervisés et non supervisés) qui permettront d’extraire les caractéristiques les plus pertinentes pour les raccrocher aux propriétés constitutives du matériau nacre provenant de différentes espèces. Une part centrale du travail de thèse sera d’établir les limites et complémentarités de ces méthodes.

II. État de l’art

La nacre est une substance minérale et organique qui tapisse l’intérieur de certains coquillages qui la biosynthétisent naturellement pour en revêtir la surface intérieure de leur coquille et parfois pour isoler un corps étranger (processus de fabrication des perles). Son aspect irisé en fait un matériau apprécié en tabletterie, marqueterie, pour la confection de bijoux et plus généralement dans la fabrication d’objets décoratifs. La nacre est ainsi un élément constitutif du patrimoine culturel muséal qu’il convient de documenter en l’identifiant de manière non-destructive.

Aujourd’hui, l’identification de la nacre dans le patrimoine se limite à la différencier de manière générale des matériaux synthétiques cherchant à en reproduire l’esthétique. Les experts de la nacre ont bien des critères visuels leur permettant d’identifier les grandes familles de coquillages nacriers, mais cette identification se complique sur de petites pièces d’incrustations. De plus, ces observations visuelles peuvent être impactées par les divers traitements souvent appliqués aux matériaux en nacre (polissage, application d’une couche de finition, teinture, etc.). Nous pouvons émettre l’hypothèse qu’une identification plus fine de l’origine de la nacre à l’aide de techniques non-invasives et accessibles aux restaurateurs pourrait permettre de mener une étude plus complète de l’œuvre et d’adapter au mieux les protocoles de restauration.

Dans la littérature scientifique, l’étude de la nacre est portée principalement par l’analyse de la qualité des perles (Agatonovic-Kustrin et al., 2012, Yan et al., 2021 ; 2022 et Zhang et al., 2016). Les études sur les nacres de coquillages se portent quant à elles généralement sur des études des processus de biominéralisation et de la microstructure des nacres. En effet, différents empilements des tablettes d’aragonite peuvent être observés par microscopie électronique à balayage sur prélèvement, avec des structures lamellaires en « briques » et « colonnes », en fonction du mécanisme de minéralisation chez les gastéropodes et les bivalves (Sun et al., 2012) et permettent donc une classification des origines de nacres par la microstructure (Carter et Clark, 1985).
Or, c’est la structure même de la nacre de type lamellaire qui lui donne son aspect irisé. Nous émettons donc l’hypothèse que les patterns d’irisation des nacres peuvent permettre d’identifier les espèces dont sont issues les nacres. En effet, des travaux récents ont montré la pertinence de l’étude des patterns d’irisation pour reconnaître et classifier les diptères (insectes à une seule paire d’ailes) au niveau taxonomique le plus fin (espèce ou sous-espèce) (Cannet, 2022). Dans ce cas de figure, c’est la structure veineuse fine constituant les ailes qui provoquent le phénomène d’irisation et devient un marqueur de la sous-espèce. Par analogie, il semble pertinent de s’inspirer de ce phénomène pour étudier les patterns d’irisation de la nacre (Luo et al., 2022 et Metzler et al., 2014) et d’étudier les liens avec les microstructures locales.

III. Description du projet de thèse

Ce projet de thèse a pour but la mise au point de techniques fiables, non-invasives et accessibles pour identifier l’origine de la nacre en contexte patrimonial par l’étude de sa microstructure et par la quantification de la variabilité de la coloration irisée. Nous souhaitons donc mettre en place un protocole permettant, d’une part, une classification de l’origine biologique de la nacre patrimoniale par l’étude des caractéristiques microstructurales en microscopes numériques, outils de plus en plus performants et accessibles et d’autre part, de manière conjointe, nous souhaitons également développer un protocole d’acquisition des patterns d’irisation générés par l’illumination contrôlée de pièces de nacre et les algorithmes de classification associés (supervisés et non supervisés) qui permettront d’extraire les caractéristiques les plus pertinentes pour les raccrocher aux propriétés constitutives et temporelles du matériau nacre provenant de différentes espèces.

Les contributions scientifiques de ce projet sont de plusieurs ordres :

• a. Il s’agit ici de contribuer au développement de deux types d’imagerie encore peu utilisés mais qui présentent des caractéristiques particulièrement adaptées à l’analyse non destructive de (bio)matériau et particulièrement prometteuses au regard des premiers résultats obtenus (voir ci-dessous).
• b. Les algorithmes qui seront développés se positionnent dans le domaine de l’apprentissage statistique en vision par ordinateur, en particulier dans le champ de l’apprentissage profond dont un enjeu fort est de développer des méthodes compatibles avec un apprentissage sur un nombre réduit de données annotées et possiblement déséquilibrées en termes de classes. Il s’agira aussi de prendre en compte des contraintes de ressources computationnelles afin de privilégier des méthodes peu gourmandes et plus en adéquation avec les enjeux d’efficacité énergétique de ce type d’approches.
• c. Enfin, il s’agira à terme de proposer aux restaurateurs du patrimoine un protocole d’identification de la nacre non-invasif et adapté aux pratiques d’atelier se basant sur des outils d’aide à la classification des matériaux nacrés afin de répondre aux enjeux de sauvegarde associés.

Des travaux préliminaires ont permis de valider que les techniques testées sont adaptées pour l’observation et l’analyse des caractéristiques microstructurales et des patterns d’irisation de la nacre provenant de différents coquillages nacriers non traités :

Chronologiquement, un premier protocole d’acquisition des patterns d’irisation générés par l’illumination contrôlée de coquillages nacriers a été développé lors du stage de Félix Bical financé par la FSP (2025). Des acquisitions ont été réalisées sur 6 coquillages nacrés, (principalement des ormeaux et des moules, en grande majorité européens) représentant les deux grandes classes (bivalves et gastéropodes) (figure 1). Plusieurs pistes ont été explorées pour la mise en place du protocole de prise de vue que nous souhaitions reproductible mais aussi accessible scientifiquement et logistiquement à la communauté des restaurateurs. Pour concevoir un protocole fiable de capture d’images des effets d’iridescence, l’approche a été inspirée par la méthode RTI (Reflectance Transformation Imaging) (Khawaja et al., 2025). Plusieurs protocoles ont été testés (ex : échantillon sur plaque tournante alors que la caméra et l’éclairage reste fixe) jusqu’à arriver à un protocole final pour lequel l’angle d’incidence de la source lumineuse est déplacée tous les 10° de 0° à 90° autour de l’échantillon totalement fixe, l’appareil photographique étant également fixe (figure 2).

Figure 1 : Arbre phylogénétique simplifié avec images des 6 échantillons étudiés lors du stage de Félix Bical ainsi que la microstructure associée

Figure 2 : Gauche : Schéma illustrant le protocole final de prise de vue de l’iridescence utilisé lors du stage de Félix Bical. Droite : Photographies issues d’une prise de vue réalisée avec le protocole choisi sur un échantillon d’ormeau. De haut en bas : lumière placée à 60, 50 et 40° relativement à l’échantillon (Félix Bical)

Des données colorimétriques ont été extraites des images obtenues. Afin de traiter la grande quantité de données générées et pour permettre une meilleure visualisation des résultats, des scripts sous Python ont été réalisés, permettant d’extraire les données colorimétriques des images obtenues et d’analyser ces données à l’aide de deux outils statistiques distincts permettant la réduction de dimensionnalité : l’ACP (Analyse en Composante Principal) et la t-SNE (t-distributed Stochastic Neighbor Embedding). Ce stage a donc permis de mettre en place un protocole d’acquisition de la nacre en imagerie macroscopique et les données extraites forment une première base de données grâce à laquelle nous avons testé des algorithmes de caractérisation et de classification de la nacre. L’analyse de ces données avec des approches statistiques de classification afin d’évaluer dans quelle mesure les propriétés constitutives du matériau se retrouvent à une échelle macroscopique est encourageant, avec la possibilité de différencier des coquillages entre eux.

Un nouveau stage débuté en février 2026 et financé par le DIM-PAMIR avait pour but de démontrer la possibilité d’accéder à la surface interne de la nacre et sa microstructure grâce à la microscopie numérique et de travailler de manière non-destructive sur une première classification par l’étude de la microstructure. En effet, l’étude de la microstructure de la nacre est généralement réalisée par microscope électronique à balayage et généralement sur échantillon en coupe transversale. Un deuxième objectif était de savoir si le traitement de la nacre patrimoniale (en particulier l’étape du polissage) pouvait altérer cette microstructure et de quelle façon.
Le stage a pu déjà démontrer la possibilité d’accéder sans prélèvement, grâce au microscope 3D numérique Keyence VHX7000, à la surface interne et aux caractéristiques microstructurales de la nacre d’un corpus de référence de nacres provenant de différents coquillages nacriers fourni par le musée de la Nacre et de la tabletterie à Méru (Oise) (figure 3). Nous avons également pu observer que le polissage avait un impact sur les caractéristiques microstructurales observées sur les échantillons bruts non traités (modification des agencements des fronts de croissance, motifs et formes, etc.). Dans ce stage, Aurélien Tournebize a pu aussi montrer l’apport de méthodes de classification par apprentissage profond pour la détermination de l’origine de la nacre sur des échantillons non polis, même si les premiers résultats sont à consolider.

Figure 3 : Acquisition en éclairage annulaire sous microscope numérique Keyence VHX7000 de la surface de la nacre d’un bivalve à x200 (gauche) et d’un gastéropode à x500 (droite)

Ces deux stages nous ont donc donné les bases nécessaires et des résultats préliminaires encourageants pour envisager la suite de ce projet sous la forme d’une thèse.

Grâce à notre collaboration avec le musée de la Nacre et de la tabletterie, la thèse bénéficiera déjà d’un corpus représentatif de coquillages nacriers bruts mais aussi des échantillons ayant subi différents stades et types de polissage afin d’en étudier les propriétés microstructurales et colorimétriques. L’accès à des échantillons préparés à différents stades de fabrication que nous pourrons documenter au fur et à mesure de ces étapes est en cours de discussion. Des objets de collection pourront être ensuite analysés afin de tester notre méthodologie et nos résultats.

Ainsi, les objectifs principaux de ce travail de thèse qui articuleront le programme de travail seront de :

• 1. Consolider et optimiser rigoureusement les travaux préliminaires :
  • a. Consolider le protocole d’acquisition d’images de nacre dans le cadre de l’imagerie d’iridescence macroscopique ;
  • b. Consolider le protocole d’acquisition à l’échelle microscopique de la microstructure de la nacre.
• 2. Créer une base de données annotées d’images d’irisation et de microstructure de nacre de différentes origines, de différentes périodes, naturelles et restaurées (intégrant la nature de la technique de restauration) en respectant les deux protocoles mis au point
• 3. S’appuyer sur cette base pour développer des algorithmes de classification issus des techniques d’apprentissage machine permettant de catégoriser automatiquement de nouvelles entrées d’images de nacre.
  • a. Par étude de l’irisation
  • b. Par étude de la microstructure
  • c. Conjointement
• 4. Confronter les deux protocoles d’acquisitions et trois familles d’algorithmes à une utilisation terrain pour les faire évoluer et les adapter à la pratique métier de la restauration.

Planning prévisionnel

IV. Positionnement

Nous proposons un projet pluridisciplinaire dans la mesure où chacun des partenaires apportera son expertise au service d’une problématique de conservation restauration mise en lumière par un professionnel restaurateur (Céline Girault, responsable de la spécialité “mobilier” à l’Institut national du Patrimoine). Ce projet intègre en effet non seulement deux laboratoires de recherche (ETIS et INP) mais aussi des conservateurs et restaurateurs ainsi que des institutions muséales comme le musée de la Nacre et de la Tabletterie à Méru (Oise).

Ce projet vise une recherche appliquée et applicable par des professionnels du patrimoine. Il a vocation à améliorer la connaissance de ce matériau en vue de la conservation-restauration d’objet présentant de la nacre. Cet aspect matérialité des objets du patrimoine s’inscrit pleinement dans les axes portés par la FSP. De plus, la mise en avant d’un protocole innovant, non-invasif et accessible aux professionnels du patrimoine, renforce l’intérêt de ce projet pour la FSP. Enfin, l’INP – école supérieure de formation des restaurateurs – faisant partie de l’encadrement de cette thèse, les résultats seront immédiatement intégrés à la formation, assurant ainsi une transmission des résultats de la recherche aux utilisateurs.

V. Encadrement du travail doctoral

La direction de la thèse sera assurée par Camille Simon Chane, Maîtresse de conférences HDR au laboratoire ETIS, spécialisée en traitement de données issues de capteurs non-conventionnels pour le patrimoine culturel, dont l’imagerie multispectrale sous lumière visible et UV. Le coencadrement sera assuré par Aymeric Histace, Professeur des Universités en Vision par Ordinateur au laboratoire ETIS et Elsa Perruchini, Ingénieure d’étude et adjointe à la responsable du Laboratoire de Recherche de l’INP qui apportera son expertise dans le domaine de l’étude et de l’analyse des matériaux composites organique-inorganique du patrimoine culturel et en particulier l’étude de la microstructure par la microscopie (optique, numérique, électronique).

La personne recrutée bénéficiera d’un soutien riche à travers un écosystème multi-disciplinaire et complémentaire. L’INP apportera un soutien dans l’élaboration des protocoles pour l’étude des caractéristiques microstructurales par microscopie numérique via Elsa Perruchini et de protocoles de prise de vue pour imager l’iridescence via Chloé Bernard, chargée de l’imagerie scientifique au sein du laboratoire de Recherche de l’INP. Céline Girault, responsable de la spécialité “mobilier”, apportera son expertise dans les problématiques de restaurations liées à l’identification des nacres et à leur utilisation dans les objets du patrimoine culturel.
Le musée de la Nacre et de la Tabletterie à Méru (Oise) est partenaire du projet depuis le premier stage qui a permis une prise de contact qui a depuis montré l’intérêt réciproque d’un travail collaboratif dans le cadre de la thèse. Les discussions autour du stage passé et en cours ont permis d’affiner la problématique scientifique. Le musée a déjà fourni de premiers échantillons de nacres de différentes origines non encore travaillés, et donnera aussi accès à un corpus d’objets patrimoniaux dans divers états de conservation.

Le projet bénéfice également de l’implication de Jon Ygneve Hardeberg, professeur au Norwegian University of Science and Technology, Colourlab, à Gjøvik, (Norvège) et spécialiste dans l’imagerie multispectrale pour le patrimoine culturel (Hardeberg et al., 2015). Jon Hardeberg a bénéficié d’une invitation d’un mois au laboratoire ETIS en 2025 via CY Advanced Studies et souhaite organiser un séjour plus long en 2027. Au cours du séjour passé, Jon Hardeberg a participé aux discussions et à une visite au musée de la Nacre et de la tabletterie de Méru et a signifié son intérêt pour le sujet et sa volonté à s’impliquer dans l’étude de la nacre via l’imagerie RTI et multispectrale.

L’assise de ce consortium dans le domaine des sciences du patrimoine facilitera les rapprochements avec d’autres institutions culturelles comportant des fonds d’objet en nacre.

VI. Perspectives de diffusion et de valorisation

Les possibilités offertes par cette étude ainsi que les résultats obtenus seront communiqués aux conservateurs, chercheurs et restaurateurs ainsi qu’aux responsables des différentes institutions intéressées. Les résultats et l’expérience acquise au cours de ce projet auront des retombées concrètes, des adaptations dans les pratiques pourront en effet être réalisées. La problématique étant générale, elle pourra profiter aux institutions patrimoniales membres de la FSP, de nombreuses collections incorporant des objets avec des incrustations de nacre. Les collections archéologiques constituent également un domaine d’application potentiel.

Étant en lien direct avec des pratiques d’atelier d’étude technique et constat d’état d’œuvres, les résultats de ce projet seront transmis aux futurs professionnels de la conservation-restauration. De plus, les acteurs de ce projet présenteront les résultats des recherches effectuées à différentes manifestations : seront ciblées des journées professionnelles, comme par exemple les Journées professionnelles de la conservation-restauration des biens culturels organisées chaque année par le Ministère de la Culture. Enfin, la valorisation du projet concerne aussi la communication écrite. Les résultats expérimentaux seront publiés dans des journaux académiques indexés à comité de lecture. Pour toucher un plus large public, les implications de ce projet pour la conservation préventive et curative feront l’objet de communications dans des journaux professionnels, à destination des conservateurs, chargés de collections et restaurateurs, comme la Lettre de l’OCIM, Techné, ou les carnets de recherche de l’INP.

Dans un objectif de science ouverte et afin de bénéficier à toute personne ou institution intéressée par la nacre, la base de données d’imagerie multimodale de nacre sera ouverte et partagée avec le public dans un dépôt de données ciblé. Un plan de gestion de données sera établi lors de la première année de thèse et mis à jour annuellement afin de garantir un stockage et une organisation des données adéquats et en lien avec les objectifs de la thèse.

Au-delà de la problématique patrimoniale et de restauration, l’identification d’espèces à partir d’imagerie microscopique et macroscopique de fragments est d’intérêt actuel dans le cadre de l’étude de la biodiversité actuelle et passée.

VII. Bibliographie

1. Agatonovic-Kustrin Snezana, et Morton David W. « The Use of UV-Visible Reflectance Spectroscopy as an Objective Tool to Evaluate Pearl Quality ». Marine Drugs 10, 7 (10 juillet 2012): 1459‑75. https://doi.org/10.3390/md10071459.
2. Cannet Arnaud, Simon-Chane Camille, Akhoundi Mohammad, Histace Aymeric, Romain Olivier, Souchaud Marc, Jacob Pierre, et al. « Wing Interferential Patterns (WIPs) and Machine Learning, a Step toward Automatized Tsetse (Glossina Spp.) Identification ». Scientific Reports 12, 1 (22 novembre 2022): 20086. https://doi.org/10.1038/s41598-022- 24522-w.
3. Carter Joseph G., Clark George R. « Classification and Phylogenetic Significance of Molluscan Shell Microstructure ». Notes for a Short Course: Studies in Geology 13, (1985):50-71. https://doi:10.1017/S0271164800001093
4. J. Y Hardeberg, S. George, F. Deger, I. Baarstad, and J. E. Palacios, Spectral Scream: Hyperspectral image acquisition and analysis of a masterpiece. In “Public paintings by Edvard Munch and some of his contemporaries. Changes and conservation challenges,” Archetype Publications, London (2015).
5. M A Khawaja et al 2025 J. Phys.: Conf. Ser. 3128 012017, DOI 10.1088/1742-6596/3128/1/012017
6. Luo, Yu, Wenfu Zhang, Aiping Fang, Ronghui Ye, Gang Ren, et Genfang Zhang. « Nacre Color and Reflectance Spectrum Analyses of Four Selected Strains of Mussels, Hyriopsis Cumingii ». Journal of Shellfish Research 41, no 2 (24 octobre 2022). https://doi.org/10.2983/035.041.0207.
7. Metzler, R. A., C. Burgess, B. Regan, S. Spano, et E. J. Galvez. « Polarimetry of Nacre in Iridescent Shells ». édité par Rongguang Liang et Joseph A. Shaw, 918704. San Diego, California, United States, 2014. https://doi.org/10.1117/12.2061196.
8. Sun, Jiyu, et Bharat Bhushan. « Hierarchical Structure and Mechanical Properties of Nacre: A Review ». RSC Advances 2, no 20 (2012): 7617. https://doi.org/10.1039/c2ra20218b.
9. Yan, Jun, Jian Zhang, Qing Sun, Xuejun Yan, et Jiawei Sheng. « The Unique UV–Vis Reflection Features of the Nacre of Hyriopsis Cumingii Shells, and Its Formation Mechanisms ». Dyes and Pigments 184 (janvier 2021): 108753. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2020.108753.
10. Yan, Xuejun, Yangming Jiang, Hui Jin, Tao Chen, Yang Zhou, Jinhua Liu, et Jun Yan. « Unique Spectral Characteristics of Natural-Color Edison Pearls Cultured in Hyriopsis Cumingii, and Its Formation Mechanisms ». Micron 160 (septembre 2022): 103324. https://doi.org/10.1016/j.micron.2022.103324.
11. Zhang, Genfang, Wenfu Zhang, Ronghui Ye, Aiping Fang, Gang Ren, Rongquan Zheng, et Shoubao Yang. « Analysis of Selective Breeding of Nacre Color in Two Strains of Hyriopsis Cumingii Lea Based on the Cielab Colorspace ». Journal of Shellfish Research 35, no 1 (avril 2016): 225‑29. https://doi.org/10.2983/035.035.0124.

Photographie d’une partie de l’ensemble Troisoeufs exposé au musée de la Nacre et de la tabletterie (copyright Franck Boucourt)

VIII. Compétences recherchées

Nous recherchons pour cette thèse fortement multidisciplinaire, une personne avec une appétence pour le patrimoine culturel et le sujet d’étude. La thèse nécessitera de maîtriser certaines des compétences suivantes, et de se former aux autres :

• Prise d’acquisition (photo, microscopie).
• Traitement de données et d’images, en particulier l’utilisation de python pour entraîner des réseaux profonds.
• Développement méthodologique.
• Rédaction scientifique : écriture d’articles et rapports en français et anglais.
• Faciliter la communication entre des experts de divers domaines (conservation, malacologie, informatique, imagerie, …).

IX. Candidature

Candidature par mail à Camille Simon Chane, comprenant un CV et une lettre de motivation.