Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-07T17:49:03Z No. of bitstreams: 1 fernandoakiodearaujoyamada.pdf: 21095203 bytes, checksum: 1842e801a538bdeef0368c963b9d98b7 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-24T13:47:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 fernandoakiodearaujoyamada.pdf: 21095203 bytes, checksum: 1842e801a538bdeef0368c963b9d98b7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-24T13:47:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 fernandoakiodearaujoyamada.pdf: 21095203 bytes, checksum: 1842e801a538bdeef0368c963b9d98b7 (MD5) Previous issue date: 2016-03-15 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No problema de registro rígido por pares é preciso encontrar uma transformação rígida que alinha duas nuvens de pontos. A sulução clássica e mais comum é o algoritmo Iterative Closest Point (ICP). No entanto, o ICP e muitas de suas variantes requerem que as nuvens de pontos já estejam grosseiramente alinhadas. Este trabalho apresenta um método denominado Shape-based Weighting Covariance Iterative Closest Point (SWC-ICP), uma melhoria do ICP clássico. A abordagem proposta aumenta a possibilidade de alinhar corretamente duas nuvens de pontos, independente da pose inicial, mesmo quando existe apenas sobreposição parcial entre elas, ou na presença de ruído e outliers. Ela se beneficia da geometria local dos pontos, codificada em tensores de orientação de segunda ordem, para prover um segundo conjunto de correspondências para o ICP. A matriz de covariância cruzada computada a partir deste conjunto é combinada com a matriz de covariância cruzada usual, seguindo uma estratégia heurística. Para comparar o método proposto com algumas abordagens recentes, um protocolo de avaliação detalhado para registro rígido é apresentado. Os resultados mostram que o SWC-ICP está entre os melhores métodos comparados, com performance superior em situações de grande deslocamento angular, mesmo na presença de ruído e outliers. / In the pairwise rigid registration problem we need to find a rigid transformation that aligns two point clouds. The classical and most common solution is the Iterative Closest Point (ICP) algorithm. However, the ICP and many of its variants require that the point clouds are already coarsely aligned. We present in this work a method named Shape-based Weighting Covariance Iterative Closest Point (SWC-ICP), an improvement over the classical ICP. Our approach improves the possibility to correctly align two point clouds, regardless of the initial pose, even when there is only a partial overlapping between them, or in the presence of noise and outliers. It benefits from the local geometry of the points, encoded in second-order orientation tensors, to provide a second correspondences set to the ICP. The cross-covariance matrix computed from this set is combined with the usual cross-covariance matrix following a heuristic strategy. In order to compare our method with some recent approaches, we present a detailed evaluation protocol to rigid registration. Results show that the SWC-ICP is among the best methods compared, with superior performance in situations of wide angular displacement, even in situations of noise and outliers.

Este documento apresenta uma dissertação sobre o desenvolvimento de um sistema de integração de dados para geração de estruturas tridimensionais a partir de vídeo 3D. O trabalho envolve a extensão de um sistema de vídeo 3D em tempo real proposto recentemente. Esse sistema, constituído por projetor e câmera, obtém imagens de profundidade de objetos por meio da projeção de slides com um padrão de faixas coloridas. Tal procedimento permite a obtenção, em tempo real, tanto do modelo 2,5 D dos objetos quanto da textura dos mesmos, segundo uma técnica denominada luz estruturada. Os dados são capturados a uma taxa de 30 quadros por segundo e possuem alta qualidade: resoluções de 640 x 480 pixeis para a textura e de 90 x 240 pontos (em média) para a geometria. A extensão que essa dissertação propõe visa obter o modelo tridimensional dos objetos presentes em uma cena por meio do registro dos dados (textura e geometria) dos diversos quadros amostrados. Assim, o presente trabalho é um passo intermediário de um projeto maior, no qual pretende-se fazer a reconstrução dos modelos por completo, bastando para isso apenas algumas imagens obtidas a partir de diferentes pontos de observação. Tal reconstrução deverá diminuir a incidência de pontos de oclusão (bastante comuns nos resultados originais) de modo a permitir a adaptação de todo o sistema para objetos móveis e deformáveis, uma vez que, no estado atual, o sistema é robusto apenas para objetos estáticos e rígidos. Até onde pudemos averiguar, nenhuma técnica já foi aplicada com este propósito. Este texto descreve o trabalho já desenvolvido, o qual consiste em um método para detecção, rastreamento e casamento espacial de componentes conexas presentes em um vídeo 3D. A informação de imagem do vídeo (textura) é combinada com posições tridimensionais (geometria) a fim de alinhar partes de superfícies que são vistas em quadros subseqüentes. Esta é uma questão chave no vídeo 3D, a qual pode ser explorada em diversas aplicações tais como compressão, integração geométrica e reconstrução de cenas, dentre outras. A abordagem que adotamos consiste na detecção de características salientes no espaço do mundo, provendo um alinhamento de geometria mais completo. O processo de registro é feito segundo a aplicação do algoritmo ICP---Iterative Closest Point---introduzido por Besl e McKay em 1992. Resultados experimentais bem sucedidos corroborando nosso método são apresentados. / This document presents a MSc thesis focused on the development of a data integration system to generate tridimensional structures from 3D video. The work involves the extension of a recently proposed real time 3D video system. This system, composed by a video camera and a projector, obtains range images of recorded objects using slide projection of a coloured stripe pattern. This procedure allows capturing, in real time, objects´ texture and 2,5 D model, at the same time, by a technique called structured light. The data are acquired at 30 frames per second, being of high quality: the resolutions are 640 x 480 pixels and 90 x 240 points (in average), respectively. The extension that this thesis proposes aims at obtaining the tridimensional model of the objects present in a scene through data matching (texture and geometry) of various sampled frames. Thus, the current work is an intermediary step of a larger project with the intent of achieving a complete reconstruction from only a few images obtained from different viewpoints. Such reconstruction will reduce the incidence of occlusion points (very common on the original results) such that it should be possible to adapt the whole system to moving and deformable objects (In the current state, the system is robust only to static and rigid objects.). To the best of our knowledge, there is no method that has fully solved this problem. This text describes the developed work, which consists of a method to perform detection, tracking and spatial matching of connected components present in a 3D video. The video image information (texture) is combined with tridimensional sites (geometry) in order to align surface portions seen on subsequent frames. This is a key step in the 3D video that may be explored in several applications such as compression, geometric integration and scene reconstruction, to name but a few. Our approach consists of detecting salient features in both image and world spaces, for further alignment of texture and geometry. The matching process is accomplished by the application of the ICP---Iterative Closest Point---algorithm, introduced by Besl and McKay in 1992. Succesful experimental results corroborating our method are shown.

[pt] A geometria diferencial descreve de maneira intuitiva os objetos suaves no espaço. Porém, com a evolução da modelagem geométrica por computador, essa ferramenta se tornou ao mesmo tempo necessária e difícil de se descrever no mundo discreto. A teoria de Morse ficou importante pela ligação que ela cria entre a topologia e a geometria diferenciais. Partindo de um ponto de vista mais combinatório, a teoria de Morse discreta de Forman liga de forma rigorosa os objetos discretos à topologia deles, abrindo essa teoria para estruturas discretas. Este trabalho propõe uma definição construtiva de funções de Morse geométricas no mundo discreto e do complexo de Morse-Smale correspondente, onde a geometria é definida como a amostragem de uma função suave nos vértices da estrutura discreta. Essa construção precisa de cálculos de homologia que se tornaram por si só uma melhoria significativa dos métodos existentes. A decomposição de Morse- Smale resultante pode ser eficientemente computada e usada para aplicações de cálculo da persistência, geração de grafos de Reeb, remoção de ruído e mais. . . / [en] Differential geometry provides an intuitive way of understanding smooth objects in the space. However, with the evolution of geometric modeling by computer, this tool became both necessary and difficult to transpose to the discrete setting. The power of Morse theory relies on the link it created between differential topology and geometry. Starting from a combinatorial point of view, Forman´s discrete Morse theory relates rigorously discrete objects to their topology, opening Morse theory to discrete structures. This work proposes a constructive definition of geometric discrete Morse functions and their corresponding discrete Morse-Smale complexes, where the geometry is defined as a smooth function sampled on the vertices of the discrete structure. This construction required some homology computations that turned out to be a significant improvement over existing methods by itself. The resulting Morse-Smale decomposition can then be efficiently computed, and used for applications to persistence computation, Reeb graph generation, noise removal. . .

Este documento apresenta uma dissertação sobre o desenvolvimento de um sistema de integração de dados para geração de estruturas tridimensionais a partir de vídeo 3D. O trabalho envolve a extensão de um sistema de vídeo 3D em tempo real proposto recentemente. Esse sistema, constituído por projetor e câmera, obtém imagens de profundidade de objetos por meio da projeção de slides com um padrão de faixas coloridas. Tal procedimento permite a obtenção, em tempo real, tanto do modelo 2,5 D dos objetos quanto da textura dos mesmos, segundo uma técnica denominada luz estruturada. Os dados são capturados a uma taxa de 30 quadros por segundo e possuem alta qualidade: resoluções de 640 x 480 pixeis para a textura e de 90 x 240 pontos (em média) para a geometria. A extensão que essa dissertação propõe visa obter o modelo tridimensional dos objetos presentes em uma cena por meio do registro dos dados (textura e geometria) dos diversos quadros amostrados. Assim, o presente trabalho é um passo intermediário de um projeto maior, no qual pretende-se fazer a reconstrução dos modelos por completo, bastando para isso apenas algumas imagens obtidas a partir de diferentes pontos de observação. Tal reconstrução deverá diminuir a incidência de pontos de oclusão (bastante comuns nos resultados originais) de modo a permitir a adaptação de todo o sistema para objetos móveis e deformáveis, uma vez que, no estado atual, o sistema é robusto apenas para objetos estáticos e rígidos. Até onde pudemos averiguar, nenhuma técnica já foi aplicada com este propósito. Este texto descreve o trabalho já desenvolvido, o qual consiste em um método para detecção, rastreamento e casamento espacial de componentes conexas presentes em um vídeo 3D. A informação de imagem do vídeo (textura) é combinada com posições tridimensionais (geometria) a fim de alinhar partes de superfícies que são vistas em quadros subseqüentes. Esta é uma questão chave no vídeo 3D, a qual pode ser explorada em diversas aplicações tais como compressão, integração geométrica e reconstrução de cenas, dentre outras. A abordagem que adotamos consiste na detecção de características salientes no espaço do mundo, provendo um alinhamento de geometria mais completo. O processo de registro é feito segundo a aplicação do algoritmo ICP---Iterative Closest Point---introduzido por Besl e McKay em 1992. Resultados experimentais bem sucedidos corroborando nosso método são apresentados. / This document presents a MSc thesis focused on the development of a data integration system to generate tridimensional structures from 3D video. The work involves the extension of a recently proposed real time 3D video system. This system, composed by a video camera and a projector, obtains range images of recorded objects using slide projection of a coloured stripe pattern. This procedure allows capturing, in real time, objects´ texture and 2,5 D model, at the same time, by a technique called structured light. The data are acquired at 30 frames per second, being of high quality: the resolutions are 640 x 480 pixels and 90 x 240 points (in average), respectively. The extension that this thesis proposes aims at obtaining the tridimensional model of the objects present in a scene through data matching (texture and geometry) of various sampled frames. Thus, the current work is an intermediary step of a larger project with the intent of achieving a complete reconstruction from only a few images obtained from different viewpoints. Such reconstruction will reduce the incidence of occlusion points (very common on the original results) such that it should be possible to adapt the whole system to moving and deformable objects (In the current state, the system is robust only to static and rigid objects.). To the best of our knowledge, there is no method that has fully solved this problem. This text describes the developed work, which consists of a method to perform detection, tracking and spatial matching of connected components present in a 3D video. The video image information (texture) is combined with tridimensional sites (geometry) in order to align surface portions seen on subsequent frames. This is a key step in the 3D video that may be explored in several applications such as compression, geometric integration and scene reconstruction, to name but a few. Our approach consists of detecting salient features in both image and world spaces, for further alignment of texture and geometry. The matching process is accomplished by the application of the ICP---Iterative Closest Point---algorithm, introduced by Besl and McKay in 1992. Succesful experimental results corroborating our method are shown.

[pt] A extração e visualização de isosuperfícies de campos escalares são importantes para inspeções e análises de modelos em diversas áreas. Uma isosuperfície é representada por uma malha de triângulos que aproxima um conjunto de nível do volume de dados. O foco deste trabalho é a extração e visualização de isosuperfícies de modelos de reservatório de petróleo, representados por malhas de hexaedros levemente côncavos. Para uma melhor representação das isosuperfícies, optou-se pela substituição de triângulos planares por superfícies curvas. Para assegurar a extração de superfícies contínuas e suaves, este trabalho propõe o uso de envelopes para determinação das normais. A técnica proposta é implementada em GPU com uso de subdivisão adaptativa das superfícies. / [en] The extraction and visualization of isosurfaces of scalar fields are important for inspections and analysis of models in several areas. An isosurface is represented by a mesh of triangles that approximates a level set of a data volume. The main focus of this work is the extraction and visualization of isosurfaces of black oil reservoir models, represented by hexahedral meshes with slightly concave cells. For a better representation of the isosurfaces, we have opted to replace planar triangles for curved patches. To ensure the extraction of continuous and smooth surfaces, this work proposes the use of envelopes to determine normals. The proposed technique is implemented in GPU with the usage of adaptive subdivision of patches.