Ce mémoire porte sur la reconstruction 3D active par la lumière structurée et se veut une introduction au travers d'une vue d'ensemble du domaine. L'accent est mis sur une compréhension des différents aspects du scan 3D, en commençant par l'acquisition du matériel et en allant jusqu'au calcul d'un modèle 3D. Les défis techniques les plus fréquents dans un contexte de scan 3D avec de l'équipement à faible coût sont abordés, de façon à donner une idée générale des problèmes à anticiper à quelqu'un qui souhaiterait se lancer dans la conception ou l'utilisation de ce type de scanneur. Afin d'aider à peser les forces et faiblesses de chaque algorithme formant l'état de l'art actuel en lumière structurée, une revue des différentes stratégies existantes est également donnée. L'étude du domaine a mené à une contribution sous la forme d'un article, qui a été intégré dans le chapitre 6. Cet article propose une amélioration en ce qui concerne la performance et la précision d'un algorithme de scan 3D existant et a été publié dans la International Virtual Conference on 3D Vision en novembre 2020. / This thesis focuses on active 3D reconstruction with structured light and is intended to be an introduction through an overview of the field. It is focused on understanding the different aspects of a 3D scanner, from the acquisition of the material to the final mesh reconstruction. The most common technical difficulties that arise in the context of low-cost 3D scanning are addressed, to give a general idea of the potential technical problems that may occur when using a DIY 3D scanner built from scratch. To help assess the strengths and weaknesses of each algorithm of the current state of the art in structured light, a review of the different strategies is also proposed. The study of this domain led to the contribution of a paper, presented here in its entirety in chapter 6. This paper describes an improvement of an existing algorithm, both in terms of performance and precision, and was published in the International Virtual Conference on 3D Vision in November 2020.

Cette étude porte sur l'application des techniques de mesure optiques pour la caractérisation mécanique des organes biologiques. Deux voies ont été explorées : la réalisation de maillages en éléments finis et la mesure de déformations planes. Les maillages en éléments finis peuvent être réalisés à partir du relief des organes. Nous avons alors développé une technique de projection de réseaux de traits. Afin d'améliorer l'exactitude, l'analyse des réseaux s'effectue par des techniques de décalages de phases. Une procédure de calibrage du montage a été spécialement développée. La mesure des déformations sur de la peau a été effectuée par une extension de la technique de suivi de marqueurs. Afin de voir l'ensemble des phénomènes mécaniques qui régissent ce tissu, nous avons réalisé des essais de traction simple, de relaxation, de traction à accélération constante et de traction biaxiale. Le caractère viscoplastique de la peau et l'orthotropie de sa structure ont été ainsi mis en évidence.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'inspection de surfaces métalliques industrielles. Nous proposons de généraliser des méthodes de l'imagerie hyperspectrale à des données multimodales comme des images optiques multi-canales, et des images thermographiques multi-temporelles. Dans la première application, les cubes de données sont construits à partir d'images multi-composantes pour détecter des défauts de surface. Les meilleures performances sont obtenues avec les éclairages multi-longueurs d'ondes dans le visible et le proche IR, et la détection du défaut en utilisant l'angle spectral, avec le spectre moyen comme référence. La deuxième application concerne l'utilisation de l'imagerie thermique pour l'inspection de pièces métalliques nucléaires afin de détecter des défauts de surface et sub-surface. Une approche 1D est proposée, basée sur l'utilisation du kurtosis pour sélectionner la composante principale parmi les premières obtenues après réduction des données avec l’ACP. La méthode proposée donne de bonnes performances avec des données non-bruitées et homogènes, cependant la SVD avec les algorithmes de détection d'anomalies est très robuste aux perturbations. Finalement, une approche, basée sur les techniques d'analyse de franges et la lumière structurée est présentée, dans le but d'inspecter des surfaces métalliques à forme libre. Après avoir déterminé les paramètres décrivant les modèles de franges sinusoïdaux, l'approche proposée consiste à projeter une liste de motifs déphasés et à calculer l'image de phase des motifs enregistrés. La localisation des défauts est basée sur la détection et l'analyse des franges dans les images de phase. / The work presented in this thesis deals with the quality control and inspection of industrial metallic surfaces. The purpose is the generalization and application of hyperspectral imagery methods for multimodal data such as multi-channel optical images and multi-temporal thermographic images. In the first application, data cubes are built from multi-component images to detect surface defects within flat metallic parts. The best performances are obtained with multi-wavelength illuminations in the visible and near infrared ranges, and detection using spectral angle mapper with mean spectrum as a reference. The second application turns on the use of thermography imaging for the inspection of nuclear metal components to detect surface and subsurface defects. A 1D approach is proposed based on using the kurtosis to select 1 principal component (PC) from the first PCs obtained after reducing the original data cube with the principal component analysis (PCA) algorithm. The proposed PCA-1PC method gives good performances with non-noisy and homogeneous data, and SVD with anomaly detection algorithms gives the most consistent results and is quite robust to perturbations such as inhomogeneous background. Finally, an approach based on fringe analysis and structured light techniques in case of deflectometric recordings is presented for the inspection of free-form metal surfaces. After determining the parameters describing the sinusoidal stripe patterns, the proposed approach consists in projecting a list of phase-shifted patterns and calculating the corresponding phase-images. Defect location is based on detecting and analyzing the stripes within the phase-images.

L'imagerie numérique, de la synthèse d'images à la vision par ordinateur est en train de connaître une forte évolution, due entre autres facteurs à la démocratisation et au succès commercial des caméras 3D. Dans le même contexte, l'impression 3D grand public, qui est en train de vivre un essor fulgurant, contribue à la forte demande sur ce type de caméra pour les besoins de la numérisation 3D. L'objectif de cette thèse est d'acquérir et de maîtriser un savoir-faire dans le domaine de la capture/acquisition de modèles 3D en particulier sur l'aspect rendu réaliste. La réalisation d'un scanner 3D à partir d'une caméra RGB-D fait partie de l'objectif. Lors de la phase d'acquisition, en particulier pour un dispositif portable, on est confronté à deux problèmes principaux, le problème lié au référentiel de chaque capture et le rendu final de l'objet reconstruit. / Digital imaging, from the synthesis of images to computer vision isexperiencing a strong evolution, due among other factors to the democratization and commercial success of 3D cameras. In the same context, the consumer 3D printing, which is experiencing a rapid rise, contributes to the strong demand for this type of camera for the needs of 3D scanning. The objective of this thesis is to acquire and master a know-how in the field of the capture / acquisition of 3D models in particular on the rendered aspect. The realization of a 3D scanner from a RGB-D camera is part of the goal. During the acquisition phase, especially for a portable device, there are two main problems, the problem related to the repository of each capture and the final rendering of the reconstructed object.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.