Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-08-31Bitstream added on 2014-06-13T19:19:26Z : No. of bitstreams: 1 medeiros_ng_dr_prud.pdf: 2551311 bytes, checksum: e8d6fb96dac45b6a8ca1c8ff6b406c84 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento e avaliação de dois modelos de orientação exterior para sensores de varredura linear (pushbroom) que permitem estimar os coeficientes que descrevem a trajetória da plataforma, ambos utilizando feições retas como controle de campo. Considerando que a aquisição da imagem de varredura linear não é instantânea, devem ser calculados seis Parâmetros de Orientação Exterior (POE) para cada linha adquirida. Para tanto a posição e atitude do sensor são modeladas a partir de um polinômio temporal. A relação de uma reta no espaço imagem e sua homóloga no espaço objeto é estabelecida no primeiro modelo, a partir da equivalência entre o vetor normal ao plano de projeção no espaço imagem e o vetor normal ao plano de projeção no espaço objeto rotacionado. A propriedade de equivalência entre planos foi adaptada para considerar a geometria da imagem de varredura linear. O segundo modelo tem como princípio a ortogonalidade do vetor posição de um ponto da reta no espaço imagem (vetor de visada) e o vetor normal ao plano de projeção que contém essa reta no espaço objeto. Além destes, o modelo de colinearidade usando pontos adaptado ao sensor de varredura linear, também foi implementado a fim de comparar as metodologias. Experimentos com dados simulados correspondentes a uma cena do satélite CBERS (China-Brazil Earth Resource Satellite) e experimentos com dados reais usando uma imagem CBERS foram realizados para testar os modelos desenvolvidos. Os resultados mostraram que os modelos propostos podem ser usados para calcular os POE de imagens de varredura linear, e dispondo de tais parâmetros, a correção geométrica de imagens orbitais pode ser realizada. São analisados ainda, vários fatores determinantes da precisão, como o número e distribuição das entidades de controle. / The aim of this paper is to present the derivation and evaluation of two models for orientation of pushbroom sensors that allow estimating the polynomial coefficients describing the platform trajectory. Both models use only linear features as ground control. Considering that pushbroom image acquisition is not instantaneous, six EOP (Exterior Orientation Parameters) for each scanned line must be estimated. The sensor position and attitude parameters are modeled with a time dependent polynomial. The relationship between a straight line in the image space and its homologous in the object space is established in the first model through a mathematical model based on the equivalence between the vector normal to the projection plane in the image space and the vector normal to the rotated projection plane in the object space. The equivalence property between planes was adapted to consider the pushbroom geometry. The second model rely on the principle that the position vector containing image point (viewing vector) and the normal vector to the projection plane in the object space are orthogonal. The model based on collinearity equations using points adapted to the pushbroom geometry were also implemented aiming at the comparison the methodologies. Experiments with simulated data corresponding to a CBERS scene (China-Brazil Earth Resource Satellite) and experiments with real data using a CBERS image were accomplished in order to test the developed models using straight lines. The obtained results showed that the proposed models can be used to estimate the EOP of pushbroom images with suitable accuracy. Such parameters (EOP) can be used to accomplish the geometric correction of orbital images. Several other factors attesting accuracy like distribution and number of control entities were also evaluated.

Quantification of spectral data is of great interest in many fields of science, since it can provide further insight into other properties of an object. However, traditional cameras are usually made to image the world in a similar fashion as to how we see it, wherefore they are usually not fit to record nor measure further spectral information. To get a better insight into the spectral properties of an object, a hyperspectral camera might be of use, since those can often identify and measure hundreds of different spectral bands. In this study we look at the construction and further development of an existing design of a push broom hyperspectral imaging system, built with optics for a fraction of the cost of commercial ones. With developed software and objects at hand a spectral calibration was performed, showing a possible spectral range of 184(2)-918(11) nm, but the use of the whole spectral range was however not possible due to limitations in the transmissivity of the lenses below 350 nm. A shift of the spectral range towards longer wavelengths is proposed, which would give further insight into the near infrared spectrum without any information losses. It was found that the spectral calibration of the imager was the main limiting factor of the system, since inaccuracies up to ±11 nm were identified, while the resolution has been found to be 1.4 nm in previous studies, proving that better calibrations are of essence. In good operating conditions, the resolution in the angle of view of the imager was found to be 0.55 mdeg. If the measurement conditions are not as good, or if such kind of spatial resolution is not required, a camera with a smaller detector size and larger pixels could be used to lower the cost of the system without a deterioration in image quality, since the uncertainties in the calibrations and measurement conditions were found to be the limiting factor.

Les caméras pushbroom sont omniprésentes en imagerie satellitaire. Ce capteur linéaire enregistre des images 1-D et utilise le défilement du satellite autour de la terre pour construire des bandeaux d’image ; son principe de fonctionnement est identique aux scanners et photocopieurs que l’on peut utiliser tous les jours. Les avantages liés à cette technologie sont principalement une résolution d’image étendue qui va bien au delà des caméras perspectives, un coût d’exploitation faible et une robustesse au contexte spatial. Pour reconstruire des images couleur, le plan focal d’un satellite embarque plusieurs caméras pushbroom sensibles à différentes bandes spectrales de la lumière. Ce mode d’acquisition dépendant du temps suppose que l’orientation du satellite, également appelée attitude dans cette étude, ne varie pas au cours du survol d’une scène. Les satellites ont jusqu’à maintenant été considérés comme stables du fait de leur inertie. Cependant les technologies récentes développées dans la recherche spatiale tendent à réduire leur taille et alléger leur poids pour les rendre plus agiles et moins coûteux en énergie lors de leur mise en orbite. La résolution des capteurs a également été améliorée, ce qui rend nettement plus critique la moindre oscillation de l’imageur. Ces facteurs cumulés font qu’un changement d’attitude de quelques microradians peut provoquer des déformations géométriques notables dans les images. Les solutions actuelles utilisent les capteurs de positionnement du satellite pour asservir son attitude et rectifier les images, mais elles sont coûteuses et limitées en précision. Les images contiennent pourtant une information cohérente sur les mouvements du satellite de par leurs éventuelles déformations. Nous proposons dans cette étude de retrouver les variations d’attitude par recalage des images enregistrées par le satellite. Nous exploitons la disposition des caméras pushbroom dans le plan focal ainsi que la nature stationnaire des oscillations pour conduire l’estimation. Le tout est présenté dans un cadre bayesien, où les données images peuvent se mêler avec une information a priori sur le mouvement ainsi que des mesures exogènes fournies par un capteur stellaire couramment appelé star tracker. Différentes solutions sont décrites et comparées sur des jeux de données satellitaires fournis par le constructeur de satellite EADS Astrium. / Linear pushbroom cameras are widely used for earth observation applications. This sensor acquires 1-D images over time and uses the straight motion of the satellite to sweep out a region of space and build 2-D image ; it operates in the same way as a usual flatbed scanner. Main advantages of such technology are : robustness in the space context, higher resolution than classical 2-D CCD sensors and low production cost. To build color images, several pushbroom cameras of different modalities are set in parallel onto the satellite’s focal plane. This acquisition process is dependent of the time and assumes that the satellite’s attitude remains constant during the image recording. However, the recent manufacture of smal- ler satellites with higher sampling resolution has weakened this assumption. The satellite may oscillates around its rotations axis, and an angular variation of a few microradians can result in noticeable warps in images. Current solutions use inertial sensors on board the satellite to control the attitude and correct the images, but they are costly and of limited precision. As warped images do contain the information of attitude variations, we suggest to use image registration to es- timate them. We exploit the geometry of the focal plane and the stationary nature of the disturbances to recover undistorted images. To do so, we embed the estimation process in a Bayesian framework where image registration, prior on attitude variations and mea- surements of a star tracker are fused to retrieve the motion of the satellite. We illustrate the performance of our algorithm on four satellite datasets provided by EADS Astrium.

Cette thèse aborde le démélange en-ligne d’images hyperspectrales acquises par un imageur pushbroom, pour la caractérisation en temps réel du matériau bois. La première partie de cette thèse propose un modèle de mélange en-ligne fondé sur la factorisation en matrices non-négatives. À partir de ce modèle, trois algorithmes pour le démélange séquentiel en-ligne, fondés respectivement sur les règles de mise à jour multiplicatives, le gradient optimal de Nesterov et l’optimisation ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers) sont développés. Ces algorithmes sont spécialement conçus pour réaliser le démélange en temps réel, au rythme d'acquisition de l'imageur pushbroom. Afin de régulariser le problème d’estimation (généralement mal posé), deux sortes de contraintes sur les endmembers sont utilisées : une contrainte de dispersion minimale ainsi qu’une contrainte de volume minimal. Une méthode pour l’estimation automatique du paramètre de régularisation est également proposée, en reformulant le problème de démélange hyperspectral en-ligne comme un problème d’optimisation bi-objectif. Dans la seconde partie de cette thèse, nous proposons une approche permettant de gérer la variation du nombre de sources, i.e. le rang de la décomposition, au cours du traitement. Les algorithmes en-ligne préalablement développés sont ainsi modifiés, en introduisant une étape d’apprentissage d’une bibliothèque hyperspectrale, ainsi que des pénalités de parcimonie permettant de sélectionner uniquement les sources actives. Enfin, la troisième partie de ces travaux consiste en l’application de nos approches à la détection et à la classification des singularités du matériau bois. / This PhD dissertation addresses the problem of on-line unmixing of hyperspectral images acquired by a pushbroom imaging system, for real-time characterization of wood. The first part of this work proposes an on-line mixing model based on non-negative matrix factorization. Based on this model, three algorithms for on-line sequential unmixing, using multiplicative update rules, the Nesterov optimal gradient and the ADMM optimization (Alternating Direction Method of Multipliers), respectively, are developed. These algorithms are specially designed to perform the unmixing in real time, at the pushbroom imager acquisition rate. In order to regularize the estimation problem (generally ill-posed), two types of constraints on the endmembers are used: a minimum dispersion constraint and a minimum volume constraint. A method for the unsupervised estimation of the regularization parameter is also proposed, by reformulating the on-line hyperspectral unmixing problem as a bi-objective optimization. In the second part of this manuscript, we propose an approach for handling the variation in the number of sources, i.e. the rank of the decomposition, during the processing. Thus, the previously developed on-line algorithms are modified, by introducing a hyperspectral library learning stage as well as sparse constraints allowing to select only the active sources. Finally, the third part of this work consists in the application of these approaches to the detection and the classification of the singularities of wood.

Les caméras pushbroom sont omniprésentes en imagerie satellitaire. Ce capteur linéaire enregistre des images 1-D et utilise le défilement du satellite autour de la terre pour construire des bandeaux d'image ; son principe de fonctionnement est identique aux scanners et photocopieurs que l'on peut utiliser tous les jours. Les avantages liés à cette technologie sont principalement une résolution d'image étendue qui va bien au delà des caméras perspectives, un coût d'exploitation faible et une robustesse au contexte spatial. Pour reconstruire des images couleur, le plan focal d'un satellite embarque plusieurs caméras pushbroom sensibles à différentes bandes spectrales de la lumière. Ce mode d'acquisition dépendant du temps suppose que l'orientation du satellite, également appelée attitude dans cette étude, ne varie pas au cours du survol d'une scène. Les satellites ont jusqu'à maintenant été considérés comme stables du fait de leur inertie. Cependant les technologies récentes développées dans la recherche spatiale tendent à réduire leur taille et alléger leur poids pour les rendre plus agiles et moins coûteux en énergie lors de leur mise en orbite. La résolution des capteurs a également été améliorée, ce qui rend nettement plus critique la moindre oscillation de l'imageur. Ces facteurs cumulés font qu'un changement d'attitude de quelques microradians peut provoquer des déformations géométriques notables dans les images. Les solutions actuelles utilisent les capteurs de positionnement du satellite pour asservir son attitude et rectifier les images, mais elles sont coûteuses et limitées en précision. Les images contiennent pourtant une information cohérente sur les mouvements du satellite de par leurs éventuelles déformations. Nous proposons dans cette étude de retrouver les variations d'attitude par recalage des images enregistrées par le satellite. Nous exploitons la disposition des caméras pushbroom dans le plan focal ainsi que la nature stationnaire des oscillations pour conduire l'estimation. Le tout est présenté dans un cadre bayesien, où les données images peuvent se mêler avec une information a priori sur le mouvement ainsi que des mesures exogènes fournies par un capteur stellaire couramment appelé star tracker. Différentes solutions sont décrites et comparées sur des jeux de données satellitaires fournis par le constructeur de satellite EADS Astrium.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-01-18Bitstream added on 2014-06-13T18:08:13Z : No. of bitstreams: 1 galindo_jrf_me_prud.pdf: 1101121 bytes, checksum: fe484a202d77b0a31f93d9a5e1d4b42a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Desde o advento dos primeiros satélites de Sensoriamento Remoto, vários são os estudos desenvolvidos com o intuito de utilizar as imagens produzidas por estes sensores para fins cartográficos. Apesar das imagens de baixa e média resolução não possuírem a precisão requerida para aplicações cartográficas em escalas grandes, existem vantagens como: serem imagens multiespectrais, possuírem periodicidade e menores custos para a sua aquisição, quando comparadas com as obtidas através dos tradicionais levantamentos aerofotogramétricos. Uma melhoria presente nos satélites de alta e média resolução é a capacidade de visada off nadir, o que permite à formação de pares estereoscópicos e a reconstrução 3D da cena imageada, a geração de modelos digitais de elevação (MDE) e a produção de imagens ortorretificadas, dentre outros produtos. Com os primeiros pares estereoscópicos adquiridos pelo sensor HR-CCD (High Resolution Charge-Coupled Devices) do CBERS-2 (2004), surgiu a possibilidade de realizar estudos objetivando a geração de produtos cartográficos a partir desses estereopares... / Since the advent of the first Remote Sensing satellites, many studies have been developed with the intention of using the images produced by these sensors for cartographic purpose. Although these images of the average resolution do not possess the accuracy required for cartographic applications in big scales, their advantages include being multispectral, periodic repetition of acquisition, and lower cost when compared to images obtained through traditional aerial photogrammetric surveys. An improvement present in medium and high resolution satellites is their off nadir capacity, which allows 3D reconstruction based on stereoscopy, the generation of digital elevation models (DEM) and the production of orthorectified images, among others products. With the first stereoscopic pairs acquired by the CBERS-2 (2004) HR-CCD (High Resolution Charge-Coupled Device) sensor, the possibility now exists of realizing studies whose goal is generating cartographic products from these stereo pairs. Within this context, this work evaluated the geometric quality of a CBERS-2 HR-CCD stereo pair making use of the DLT (Direct Linear Transformation) mathematical model and Polynomial-Based Pushbroom model, available from the Leica Photogrammetry Suite (LPS) digital photogrammetry system by Leica Geosystems, classifying them in accordance with the Cartographic Accuracy Standards... (Complete abstract click electronic access below)

Resumo: Desde o advento dos primeiros satélites de Sensoriamento Remoto, vários são os estudos desenvolvidos com o intuito de utilizar as imagens produzidas por estes sensores para fins cartográficos. Apesar das imagens de baixa e média resolução não possuírem a precisão requerida para aplicações cartográficas em escalas grandes, existem vantagens como: serem imagens multiespectrais, possuírem periodicidade e menores custos para a sua aquisição, quando comparadas com as obtidas através dos tradicionais levantamentos aerofotogramétricos. Uma melhoria presente nos satélites de alta e média resolução é a capacidade de visada off nadir, o que permite à formação de pares estereoscópicos e a reconstrução 3D da cena imageada, a geração de modelos digitais de elevação (MDE) e a produção de imagens ortorretificadas, dentre outros produtos. Com os primeiros pares estereoscópicos adquiridos pelo sensor HR-CCD (High Resolution Charge-Coupled Devices) do CBERS-2 (2004), surgiu a possibilidade de realizar estudos objetivando a geração de produtos cartográficos a partir desses estereopares... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Since the advent of the first Remote Sensing satellites, many studies have been developed with the intention of using the images produced by these sensors for cartographic purpose. Although these images of the average resolution do not possess the accuracy required for cartographic applications in big scales, their advantages include being multispectral, periodic repetition of acquisition, and lower cost when compared to images obtained through traditional aerial photogrammetric surveys. An improvement present in medium and high resolution satellites is their off nadir capacity, which allows 3D reconstruction based on stereoscopy, the generation of digital elevation models (DEM) and the production of orthorectified images, among others products. With the first stereoscopic pairs acquired by the CBERS-2 (2004) HR-CCD (High Resolution Charge-Coupled Device) sensor, the possibility now exists of realizing studies whose goal is generating cartographic products from these stereo pairs. Within this context, this work evaluated the geometric quality of a CBERS-2 HR-CCD stereo pair making use of the DLT (Direct Linear Transformation) mathematical model and Polynomial-Based Pushbroom model, available from the Leica Photogrammetry Suite (LPS) digital photogrammetry system by Leica Geosystems, classifying them in accordance with the Cartographic Accuracy Standards... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Júlio Kiyoshi Hasegawa / Coorientador: Maurício Galo / Banca: João Fernando Custódio da Silva / Banca: Hideo Araki / Mestre

Cette thése a été réalisée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Institut National Polytechnique de Grenoble (France). La recherche a été effectuée au sein des laboratoires de vision 3D (DIRO, UdM) et PERCEPTION-INRIA (Grenoble). / Cette thèse s’intéresse à trois problèmes fondamentaux de la vision par ordinateur qui sont le suivi vidéo, le calibrage et la reconstruction 3D. Les approches proposées sont strictement basées sur des contraintes photométriques et géométriques présentent dans des images 2D. Le suivi de mouvement se fait généralement dans un flux vidéo et consiste à suivre un objet d’intérêt identifié par l’usager. Nous reprenons une des méthodes les plus robustes à cet effet et l’améliorons de sorte à prendre en charge, en plus de ses translations, les rotations qu’effectue l’objet d’intérêt. Par la suite nous nous attelons au calibrage de caméras; un autre problème fondamental en vision. Il s’agit là, d’estimer des paramètres intrinsèques qui décrivent la projection d’entités 3D dans une image plane. Plus précisément, nous proposons des algorithmes de calibrage plan pour les cam ́eras linéaires (pushbroom) et les vidéo projecteurs lesquels ́etaient, jusque là, calibrés de façon laborieuse. Le troisième volet de cette thèse sera consacré à la reconstruction 3D par ombres projetée. À moins de connaissance à-priori sur le contenu de la scène, cette technique est intrinsèquement ambigüe. Nous proposons une méthode pour réduire cette ambiguïté en exploitant le fait que les spots de lumières sont souvent visibles dans la caméra. / The topic of this thesis revolves around three fundamental problems in computer vision; namely, video tracking, camera calibration and shape recovery. The proposed methods are solely based on photometric and geometric constraints found in the images. Video tracking, usually performed on a video sequence, consists in tracking a region of interest, selected manually by an operator. We extend a successful tracking method by adding the ability to estimate the orientation of the tracked object. Furthermore, we consider another fundamental problem in computer vision: cali- bration. Here we tackle the problem of calibrating linear cameras (a.k.a: pushbroom) and video projectors. For the former one we propose a convenient plane-based cali- bration algorithm and for the latter, a calibration algorithm that does not require a physical grid and a planar auto-calibration algorithm. Finally, we pointed our third research direction toward shape reconstruction using coplanar shadows. This technique is known to suffer from a bas-relief ambiguity if no extra information on the scene or light source is provided. We propose a simple method to reduce this ambiguity from four to a single parameter. We achieve this by taking into account the visibility of the light spots in the camera.

Cette thèse s’intéresse à trois problèmes fondamentaux de la vision par ordinateur qui sont le suivi vidéo, le calibrage et la reconstruction 3D. Les approches proposées sont strictement basées sur des contraintes photométriques et géométriques présentent dans des images 2D. Le suivi de mouvement se fait généralement dans un flux vidéo et consiste à suivre un objet d’intérêt identifié par l’usager. Nous reprenons une des méthodes les plus robustes à cet effet et l’améliorons de sorte à prendre en charge, en plus de ses translations, les rotations qu’effectue l’objet d’intérêt. Par la suite nous nous attelons au calibrage de caméras; un autre problème fondamental en vision. Il s’agit là, d’estimer des paramètres intrinsèques qui décrivent la projection d’entités 3D dans une image plane. Plus précisément, nous proposons des algorithmes de calibrage plan pour les cam ́eras linéaires (pushbroom) et les vidéo projecteurs lesquels ́etaient, jusque là, calibrés de façon laborieuse. Le troisième volet de cette thèse sera consacré à la reconstruction 3D par ombres projetée. À moins de connaissance à-priori sur le contenu de la scène, cette technique est intrinsèquement ambigüe. Nous proposons une méthode pour réduire cette ambiguïté en exploitant le fait que les spots de lumières sont souvent visibles dans la caméra. / The topic of this thesis revolves around three fundamental problems in computer vision; namely, video tracking, camera calibration and shape recovery. The proposed methods are solely based on photometric and geometric constraints found in the images. Video tracking, usually performed on a video sequence, consists in tracking a region of interest, selected manually by an operator. We extend a successful tracking method by adding the ability to estimate the orientation of the tracked object. Furthermore, we consider another fundamental problem in computer vision: cali- bration. Here we tackle the problem of calibrating linear cameras (a.k.a: pushbroom) and video projectors. For the former one we propose a convenient plane-based cali- bration algorithm and for the latter, a calibration algorithm that does not require a physical grid and a planar auto-calibration algorithm. Finally, we pointed our third research direction toward shape reconstruction using coplanar shadows. This technique is known to suffer from a bas-relief ambiguity if no extra information on the scene or light source is provided. We propose a simple method to reduce this ambiguity from four to a single parameter. We achieve this by taking into account the visibility of the light spots in the camera. / Cette thése a été réalisée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Institut National Polytechnique de Grenoble (France). La recherche a été effectuée au sein des laboratoires de vision 3D (DIRO, UdM) et PERCEPTION-INRIA (Grenoble).