Avec l’évolution des processus technologiques, l’intérêt pour la robotique mobile n’a de cesse d’augmenter depuis quelques années, notamment pour remplacer l’homme dans des environnements à risque (zones radioactives, robots militaires) ou des zones qui lui sont inaccessibles (exploration planétaire ou sous-marine), ou à des échelles différentes (robot à l’intérieur d’une canalisation, voire robot chirurgical à l’intérieur du corps humain). Dans ce même contexte, les systèmes de navigation destinés plus particulièrement à l’exploration sous-marine suscitent de plus en plus l’intérêt de plusieurs géologues, roboticiens et scientifiques en vue de mieux connaître et caractériser les réseaux sous-marins. Pour des raisons de sécurité optimale, de nouvelles technologies (Radar, Sonar, système de caméras,..) ont été développées pour remplacer les plongeurs humains.C’est dans ce cadre que s’intègre les travaux de cette thèse ayant comme objectif la mise en œuvre d’un système de vision stéréoscopique permettant l’acquisition d’informations utiles et le développement d’un algorithme pour la restitution de la structure 3D d’un environnement confiné aquatique. Notre système est composé d’une paire de capteurs catadioptriques et d’une ceinture de pointeurs lasers permettant d’identifier des amers visuels de la scène et d’une plateforme pour l’exécution du processus de traitement des images acquises. La chaîne de traitement est précédée par une phase d’étalonnage effectuée hors-ligne pour la modélisation géométrique du système complet. L’algorithme de traitement consiste à une analyse pixellique des images stéréoscopiques pour l’extraction des projections lasers 2D et reconstruire leurs correspondants 3D en se basant sur les paramètres d’étalonnage.La mise en œuvre du système complet sur une plateforme logicielle demande un temps d’exécution supérieur à celui exigé par l’application. Les travaux clôturant ce mémoire s’adressent à cette problématique, et proposent une solution permettant de simplifier le développement et l’implémentation d’applications temps-réel sur des plateformes basées sur un dispositif FPGA. La mise en œuvre de notre application a été effectuée et une étude des performances est présentée tout en considérant les besoins de l’application et ses exigences de point de vue précision, rapidité et taux d’efficacité. / With the development of technological processes, interest in mobile robotics is constantly increasing in recent years, particularly to replace human in environments of risk (radioactive areas, military robots) or areas that are inaccessible (planetary or underwater exploration), or at different scales (robot within a pipeline or surgical robot inside the human body). In the same context, navigation systems are designed specifically for underwater exploration which is attracting more and more interest of several geologists, robotics and scientists in order to better understand and characterize submarine environment. For optimal security, new technologies (radar, sonar, camera system, ..) have been developed to replace human.In this context, the work of this thesis is focusing with the aim of implementing a stereoscopic vision system to acquire useful information and the development of an algorithm for the restoration of the 3D structure of a confined aquatic environment. Our system consists of a pair of catadioptric sensors and a laser pointer belt permitting to identify visual landmarks of the scene and a platform for the implementation of the acquired image processing. The processing chain is preceded by an offline calibration phase to generate the geometric modeling of the complete system. The processing algorithm consists of pixel-wise analysis of the stereoscopic images for the extraction of 2D laser projections and rebuilds their 3D corresponding based on the calibration parameters.The implementation of the complete system on a software platform requests an execution time higher than that required by the application. The work closing the memory is addressed to this problem and proposes a solution to simplify the development and implementation of real-time applications on platforms based on a FPGA device. The implementation of our application was performed and a study of performance is presented, considering the requirements of the application in terms of precision, speed and efficiency rate.

This thesis investigates the problem of estimating the three-dimensional structure of a scene from a sequence of images. Structure information is recovered from images continuously using shading, motion or other visual mechanisms. A Kalman filter represents structure in a dense depth map. With each new image, the filter first updates the current depth map by a minimum variance estimate that best fits the new image data and the previous estimate. Then the structure estimate is predicted for the next time step by a transformation that accounts for relative camera motion. Experimental evaluation shows the significant improvement in quality and computation time that can be achieved using this technique.

Dissertation--Geschichte--Technische Universität, Dresden. / Bibliogr. p. 433-464.

Zugl.: Freie Universität Berlin, Diss., 2004. / Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Royal Institute of Technology, 2004. / Errata sheet inserted. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (p. 162-168).

Thesis (M.S. in Defense Analysis and M.A. in Security Studies (Security Stabilization and Reconstruction))--Naval Postgraduate School, September 2007. / Title from title screen (viewed Feb. 5, 2008). Thesis Advisor(s): Guttieri, Karen ; Simons, Anna. "September 2007." Includes bibliographical references (p. 115-122). Also available in print.

Récemment, de nombreuses techniques de microscopie de fluorescence de super-résolution ont été développées pour permettre d'observer de nombreuses structures biologiques au-delà de la limite de diffraction. La microscopie d'illumination structurée (SIM) est l'une de ces technologies. Le principe de la SIM est basé sur l'utilisation d'une grille de lumière harmonique qui permet de translater les hautes fréquences spatiales de l'échantillon vers la région d’observation du microscope. Les méthodes classiques de reconstruction SIM nécessitent une connaissance parfaite de l'illumination de l’échantillon. Cependant, l’implémentation d’un contrôle parfait de l’illumination harmonique sur le plan de l'échantillon n'est pas facile expérimentalement et il présente un grand défi. L’hypothèse de la connaissance parfaite de l’intensité de la lumière illuminant l’échantillon en SIM peut donc introduire des artefacts sur l’image reconstruite de l'échantillon, à cause des erreurs d’alignement de la grille qui peuvent se présenter lors de l’acquisition expérimentale. Afin de surmonter ce défi, nous avons développé dans cette thèse des stratégies de reconstruction «aveugle» qui sont indépendantes de d'illumination. À l'aide de ces stratégies de reconstruction dites «blind-SIM», nous avons étendu la SIM harmonique pour l’appliquer aux cas de «SIM-speckle» qui utilisent des illuminations aléatoires et inconnues qui contrairement à l’illumination harmonique, ne nécessitent pas de contrôle. / Recently, many superresolution fluorescence microscopy techniques have been developed which allow the observation of many biological structures beyond the diffraction limit. Structured illumination microscopy (SIM) is one of them. The principle of SIM is based on using a harmonic light grid which downmodulates the high spatial frequencies of the sample into the observable region of the microscope. The resolution enhancement is highly dependent on the reconstruction technique, which restores the high spatial frequencies of the sample to their original position. Common SIM reconstructions require the perfect knowledge of the illumination pattern. However, to perfectly control the harmonic illumination patterns on the sample plane is not easy in experimental implementations and this makes the experimental setup very technical. Reconstructing SIM images assuming the perfect knowledge of the illumination intensity patterns may, therefore, introduce artifacts on the estimated sample due to the misalignment of the grid that can occur during experimental acquisitions. To tackle this drawback of SIM, in this thesis, we have developed blind-SIM reconstruction strategies which are independent of the illumination patterns. Using the 3D blind-SIM reconstruction strategies we extended the harmonic SIM to speckle illumination microscopy which uses random unknown speckle patterns that need no control, unlike the harmonic grid patterns.

Au cours des vingt dernières années, de nombreux algorithmes de reconstruction de surface ont été développés. Néanmoins, des données additionnelles telles que les normales orientées sont souvent requises et la robustesse aux données imparfaites est encore un vrai défi. Dans cette thèse, nous traitons de nuages de points non-orientés et imparfaits, et proposons deux nouvelles méthodes gérant deux différents types de surfaces. La première méthode, adaptée au bruit, s'applique aux surfaces lisses et fermées. Elle prend en entrée un nuage de points avec du bruit variable et des données aberrantes, et comporte trois grandes étapes. Premièrement, en supposant que la surface est lisse et de dimension connue, nous calculons une fonction distance adaptée au bruit. Puis nous estimons le signe et l'incertitude de la fonction sur un ensemble de points-sources, en minimisant une énergie quadratique exprimée sur les arêtes d'un graphe uniforme aléatoire. Enfin, nous calculons une fonction implicite signée par une approche dite « random walker » avec des contraintes molles choisies aux points-sources de faible incertitude. La seconde méthode génère des surfaces planaires par morceaux, potentiellement non-variétés, représentées par des maillages triangulaires simples. En faisant croitre des primitives planaires convexes sous une erreur de Hausdorff bornée, nous déduisons à la fois la surface et sa connectivité et générons un complexe simplicial qui représente efficacement les grandes régions planaires, les petits éléments et les bords. La convexité des primitives est essentielle pour la robustesse et l'efficacité de notre approche. / Over the last two decades, a high number of reliable algorithms for surface reconstruction from point clouds has been developed. However, they often require additional attributes such as normals or visibility, and robustness to defect-laden data is often achieved through strong assumptions and remains a scientific challenge. In this thesis we focus on defect-laden, unoriented point clouds and contribute two new reconstruction methods designed for two specific classes of output surfaces. The first method is noise-adaptive and specialized to smooth, closed shapes. It takes as input a point cloud with variable noise and outliers, and comprises three main steps. First, we compute a novel noise-adaptive distance function to the inferred shape, which relies on the assumption that this shape is a smooth submanifold of known dimension. Second, we estimate the sign and confidence of the function at a set of seed points, through minimizing a quadratic energy expressed on the edges of a uniform random graph. Third, we compute a signed implicit function through a random walker approach with soft constraints chosen as the most confident seed points. The second method generates piecewise-planar surfaces, possibly non-manifold, represented by low complexity triangle surface meshes. Through multiscale region growing of Hausdorff-error-bounded convex planar primitives, we infer both shape and connectivity of the input and generate a simplicial complex that efficiently captures large flat regions as well as small features and boundaries. Imposing convexity of primitives is shown to be crucial to both the robustness and efficacy of our approach.

Two studies of reconstruction processes in the Northern Great Plains (NGP) are presented. The first study is a retrospective study on United States Fish and Wildlife Service (USFWS) managed lands seeded with a high diversity (>15 species) seed mix. Sites were grouped by available management history to find management tactics which may trend sites towards a more successful state. A large amount of variation was captured. Results showed uncontrollable factors may be driving the outcomes of these reconstructions. Attention should be paid to uncontrolled and landscape factors to drive management of each site. A second study investigates a possible method to establish specialized seed mixes. Precision Prairie Restoration (PPR) was used to establish five repetitions of six treatments. Early results are optimistic with several target species becoming established. Future sampling will be needed to determine success of this method.