This thesis deals with methods of edema measuring. In my work, I designed hardware and software solutions for a device reconstructing surface of the limb part. Purpose of my work is evaluating discussing possibilities of this device. For making 3D reconstruction of scene from 2D images I made reconstruction program. For acquisition of images a device controlled by Arduino platform was constructed, the whole device is realized in program language Matlab. In the end of the thesis is described, how to improve the device for using in real conditions.

This thesis deals with methods of edema measuring. In my work, I designed hardware and software solutions for a device reconstructing surface of the limb part. Purpose of my work is evaluating a discussing possibilities of this device. For making 3D reconstruction of scene from 2D images I chose reconstruction method Structure from motion. For acquisition of 2D images a device controlled by Arduino platform was constructed, the whole device is realized in program language Matlab. In the end of the thesis is described, how to improve the device for using in real conditions.

La reconstruction 3D multi-vue atteint désormais un niveau de maturité industrielle : des utilisateurs non-experts peuvent produire des modèles 3D large-échelle de qualité à l'aide de logiciels commerciaux. Ces reconstructions utilisent des capteurs haut de gamme comme des LIDAR ou des appareils photos de type DSLR, montés sur un trépied et déplacés autour de la scène. Ces protocoles d'acquisition sont mal adaptés à l’inspection d’infrastructures de grande taille, à géométrie complexe. Avec l'évolution rapide des capacités des micro-drones, il devient envisageable de leur confier ce type de tâche. Un tel choix modifie les données d’acquisition : on passe d’un ensemble restreint de photos de qualité, soigneusement acquises par l’opérateur, à une séquence d'images à cadence vidéo, sujette à des variations de qualité image dues, par exemple, au bougé et au défocus.Les données vidéo posent problème aux logiciels de photogrammétrie du fait de la combinatoire élevée engendrée par le grand nombre d’images. Nous proposons d’exploiter l’intégralité des images en deux étapes. Au cours de la première, la reconstruction 3D est obtenue en sous-échantillonnant temporellement la séquence, lors de la seconde, la restitution haute résolution de texture est obtenue en exploitant l'ensemble des images. L'intérêt de la texture est de permettre de visualiser des détails fins du modèle numérisé qui ont été perdus dans le bruit géométrique de la reconstruction. Cette augmentation de qualité se fait via des techniques de Super Résolution (SR).Pour atteindre cet objectif nous avons conçu et réalisé une chaîne algorithmique prenant, en entrée, la séquence vidéo acquise et fournissant, en sortie, un modèle 3D de la scène avec une texture sur-résolue. Cette chaîne est construite autour d’un algorithme de reconstruction 3D multi-vues de l’état de l’art pour la partie géométrique.Une contribution centrale de notre chaîne est la méthode de recalage employée afin d’atteindre la précision sub-pixellique requise pour la SR. Contrairement aux données classiquement utilisées en SR, nos prises de vues sont affectées par un mouvement 3D, face à une scène à géométrie 3D, ce qui entraîne des mouvements image complexes. La précision intrinsèque des méthodes de reconstruction 3D est insuffisante pour effectuer un recalage purement géométrique, ainsi nous appliquons un raffinement supplémentaire par flot optique. Le résultat de cette méthode de restitution de texture SR est d'abord comparée qualitativement à une approche concurrente de l’état de l’art.Ces appréciations qualitatives sont renforcées par une évaluation quantitative de qualité image. Nous avons à cet effet élaboré un protocole d’évaluation quantitatif de techniques de SR appliquées sur des surfaces 3D. Il est fondé sur l'utilisation de mires fractales binaires, initialement proposées par S. Landeau. Nous avons étendu ces idées au contexte de SR sur des surfaces courbes. Cette méthode est employée ici pour valider les choix de notre méthode de SR, mais elle s'applique à l'évaluation de toute texturation de modèle 3D.Enfin, les surfaces spéculaires présentes dans les scènes induisent des artefacts au niveau des résultats de SR en raison de la perte de photoconsistence des pixels au travers des images à fusionner. Pour traiter ce problème nous avons proposé deux méthodes correctives permettant de recaler photométriquement nos images et restaurer la photoconsistence. La première méthode est basée sur une modélisation des phénomènes d’illumination dans un cas d'usage particulier, la seconde repose sur une égalisation photométrique locale. Les deux méthodes testées sur des données polluées par une illumination variable s'avèrent effectivement capables d'éliminer les artefacts. / Multi-view 3D reconstruction techniques have reached industrial level maturity : non-expert users are now able to use commercial software to produce quality, large scale, 3D models. These reconstructions use top of the line sensors such as LIDAR or DSLR cameras, mounted on tripods and moved around the scene. Such protocols are not designed to efficiently inspect large infrastructures with complex geometry. As the capabilities of micro-drones progress at a fast rate, it is becoming possible to delegate such tasks to them. This choice induces changes in the acquired data : rather than a set of carefully acquired images, micro-drones will produce a video sequence with varying image quality, due to such flaws as motion blur and defocus. Processing video data is challenging for photogrammetry software, due to the high combinatorial cost induced by the large number of images. We use the full image sequence in two steps. Firstly, a 3D reconstruction is obtained using a temporal sub-sampling of the data, then a high resolution texture is built from the full sequence. Texture allows the inspector to visualize small details that may be lost in the noise of the geometric reconstruction. We apply Super Resolution techniques to achieve texture quality augmentation. To reach this goal we developed an algorithmic pipeline that processes the video input and outputs a 3D model of the scene with super resolved texture. This pipeline uses a state of the art 3D reconstruction software for the geometric reconstruction step. The main contribution of this pipeline is the image registration method used to achieve the sub-pixel accuracy required for Super Resolution. Unlike the data on which Super Resolution is generally applied, our viewpoints are subject to relative 3D motion and are facing a scene with 3D geometry, which makes the motion field all the more complex. The intrinsic precision of current 3D reconstruction algorithms is insufficient to perform a purely geometric registration. Instead we refine the geometric registration with an optical flow algorithm. This approach is qualitatively to a competing state of the art method. qualitative comparisons are reinforced by a quantitative evaluation of the resulting image quality. For this we developed a quantitative evaluation protocol of Super Resolution techniques applied to 3D surfaces. This method is based on the Binary Fractal Targets proposed by S. Landeau. We extended these ideas to the context of curved surfaces. This method has been used to validate our choice of Super Resolution algorithm. Finally, specularities present on the scene surfaces induce artefacts in our Super Resolution results, due to the loss of photoconsistency among the set of images to be fused. To address this problem we propose two corrective methods designed to achieve photometric registration of our images and restore photoconsistency. The first method is based on a model of the illumination phenomena, valid in a specific setting, the second relies on local photometric equalization among the images. When tested on data polluted by varying illumination, both methods were able to eliminate these artefacts.

L'objectif de ces travaux de thèse consiste à mettre en place des solutions algorithmiques permettant de reconstruire un modèle 3D éditable d'un environnement intérieur à l'aide d'une tablette équipée d'un capteur de profondeur.Ces travaux s'inscrivent dans le contexte de la rénovation d'intérieur. Les normes Européennes poussent à la rénovation énergétique et à la modélisation 3D des bâtiments existants. Des outils professionnels utilisant des capteurs de type LIDAR permettent de reconstruire des nuages de points de très grande qualité, mais sont coûteux et longs à mettre en œuvre. De plus, il est très difficile d'identifier automatiquement les constituants d'un bâtiment pour en exporter un modèle 3D éditable complet.Dans le cadre de la rénovation d’intérieur, il n'est pas nécessaire de disposer des informations sur l'ensemble du bâtiment, seules les principales dimensions et surfaces sont nécessaires. Nous pouvons alors envisager d'automatiser complètement le processus de modélisation 3D.La mise sur le marché de capteurs de profondeur intégrables sur tablettes, et l'augmentation des capacités de calcul de ces dernières nous permet d'envisager l'adaptation d'algorithmes de reconstruction 3D classiques à ces supports.Au cours de ces travaux, nous avons envisagé deux approches de reconstruction 3D différentes. La première approche s'appuie sur des méthodes de l'état de l'art. Elle consiste à générer un maillage 3D d'un environnement intérieur en temps réel sur tablette, puis d'utiliser ce maillage 3D pour identifier la structure globale du bâtiment (murs, portes et fenêtres). La deuxième approche envisagée consiste à générer un modèle 3D éditable en temps réel, sans passer par un maillage intermédiaire. De cette manière beaucoup plus d'informations sont disponibles pour pouvoir détecter les éléments structuraux. Nous avons en effet à chaque instant donné un nuage de points complet ainsi que l'image couleur correspondante. Nous avons dans un premier temps mis en place deux algorithmes de segmentation planaire en temps réel. Puis, nous avons mis en place un algorithme d'analyse de ces plans permettant d'identifier deux plans identiques sur plusieurs prises de vue différentes. Nous sommes alors capables d'identifier les différents murs contenus dans l'environnement capturé, et nous pouvons mettre à jour leurs informations géométriques en temps réel. / This thesis works consisted to implement algorithmic solutions to reconstruct an editable 3D model of an indoor environment using a tablet equipped with a depth sensor.These works are part of the context of interior renovation. European standards push for energy renovation and 3D modeling of existing buildings. Professional tools using LIDAR-type sensors make it possible to reconstruct high-quality point clouds, but are costly and time-consuming to implement. In addition, it is very difficult to automatically identify the constituents of a building to export a complete editable 3D model.As part of the interior renovation, it is not necessary to have information on the whole building, only the main dimensions and surfaces are necessary. We can then consider completely automating the 3D modeling process.The recent development of depth sensors that can be integrated on tablets, and the improvement of the tablets computation capabilities allows us to consider the adaptation of classical 3D reconstruction algorithms to these supports.During this work, we considered two different 3D reconstruction approaches. The first approach is based on state-of-the-art methods. It consists of generating a 3D mesh of an interior environment in real time on a tablet, then using this 3D mesh to identify the overall structure of the building (walls, doors and windows). The second approach envisaged is to generate a 3D editable model in real time, without passing through an intermediate mesh. In this way much more information is available to be able to detect the structural elements. We have in fact at each given time a complete point cloud as well as the corresponding color image. In a first time we have set up two planar segmentation algorithms in real time. Then, we set up an analysis algorithm of these plans to identify two identical planes on different captures. We are then able to identify the different walls contained in the captured environment, and we can update their geometric information in real-time.

Ces travaux de thèse ont été menés dans le contexte du projet ANR blanc "Real Time and True Temperature measurement" (R3T), dédié à la métrologie thermique à partir de mesures dans l'infrarouge. L'estimation d'une température vraie à partir d'une mesure de température apparente par une caméra infrarouge, exploite un modèle radiométrique dans lequel apparaît des facteurs qui dépendent de la nature et de la forme de l'objet considéré. Ces travaux portent sur la construction d'un modèle géométrique de l'objet à partir de caméras infrarouges déplacées par un robot autour d'un objet.Ces caméras, par rapport à des caméras standards, ont des caractéristiques spécifiques : faible résolution, peu de texture. Afin de faciliter la mise en œuvre et de minimiser la complexité du système final, nous avons choisi une approche de stéréovision non calibrée. Nous avons donc un banc de stéréovision infrarouge embarqué sur un robot cartésien, pour acquérir plusieurs vues de l'objet d'intérêt ; les principales étapes concernent la rectification non calibrée des images acquises par le banc stéréo, puis le calibrage des caméras rectifiées et de la relation main-œil sans utilisation de mire, puis la construction de modèles 3D locaux denses et le recalage de ces modèles partiels pour construire un modèle global de l'objet. Les contributions portent sur les deux premières étapes, rectification et calibrage pour la stéréovision. Pour la rectification non calibrée, il est proposé une approche d'optimisation sous contraintes qui estime les homographies, à appliquer sur ces images pour les rectifier, sans calcul préalable de la matrice Fondamentale, tout en minimisant les déformations projectives entre images d'origine et images rectifiées. La fonction coût est calculée à partir de la distance de Sampson avec une décomposition de la matrice fondamentale. Deux types de contraintes, géométriques et algébriques, sont comparés pour minimiser les déformations projectives. L'approche proposée est comparée aux méthodes proposées par Loop et Zhang, Hartley, Mallon et al... sur des jeux de données classiques de la littérature. Il est montré que les résultats sont au moins équivalents sur des images classiques et meilleurs sur des images de faible qualité comme des images infrarouges.Pour le calibrage sans mire, l'auteur propose de calibrer les caméras ainsi que la transformation main-œil, indispensable dès lors que le banc stéréo est porté par un robot, en une seule étape ; l'une des originalités est que cette méthode permet de calibrer les caméras préalablement rectifiées et ainsi de minimiser le nombre de paramètres à estimer. De même plusieurs critères sont proposés et évalués par de nombreux résultats sur des données de synthèse et sur des données réelles. Finalement, les méthodes de stéréovision testées pour ce contexte applicatif sont rapidement décrites ; des résultats expérimentaux acquis sur des objets sont présentés ainsi que des comparaisons vis-à-vis d'une vérité terrain connue / This dissertation was lead in the context of the R3T project (Real Time and True Temperature measurement), dedicated to metrology from thermal infrared measurements. The estimation of true temperature from apparent temperature measurement by an infrared camera uses a radiometric model which depends on nature and shape of the considered object. This work focuses on the construction of a geometric model from infrared cameras moved by a robot around an object.Those cameras, in comparison with standard ones, have specific characteristics : low resolution, low texture. To minimize the complexity and easily implement the final system, we chose a stereo approach using uncalibrated cameras. So we have an infrared stereoring embeded on a Cartesian robot, to acquire multiple views of the object of interest. First, the main steps implemented concern uncalibrated images rectification and autocalibration of infrared stereoring and hand-eye transformation without use of a calibration pattern. Then, the reconstruction of locals 3D models and the merge of these models was done to reach a global model of the object. The contributions cover the first two stages, rectification and autocalibration, for the other stereo reconstruction steps, different algorithms were tested and the best was chosen for our application.For the uncalibrated images rectification, an optimization approach under constraints is proposed. The estimation of rectification homographies is done, without the Fundamental matrix determination, while minimizing the distortion between original and corrected images. The cost function is based on the Sampson's distance with breakdown of the Fundamental matrix. Two constraints, geometrical and analytical, are compared to minimize distortion. The proposed approach is compared to methods proposed by Loop and Zhang, Hartley, Mallon et al ... on data sets from state of art. It is shown that the results are at least equivalent on conventional images and better on low quality images such as infrared images.For the autocalibration, the author proposes to calibrate cameras and hand-eye transformation, essential whenever the stereoring is embedded on a robot, in one step. One of the originality is that this method allows to calibrate rectified cameras and so minimize the number of parameters to estimate. Similarly, several criteria are proposed and evaluated by numerous results on synthetic and real data.Finally, all methods of stereovision tested for this application context are briefly described, the experimental results obtained on objects are presented and compared to ground truth

Image-based 3D reconstruction has been employed in industrial metrology for micro measurements and quality control purposes. However, generating a highly-detailed and reliable 3D reconstruction of non-collaborative surfaces (textureless, shiny, and transparent) is still an open issue. This thesis presents various methodologies to successfully generate a highly-detailed and reliable 3D reconstruction of non-collaborative objects using the proposed photometric stereo image acquisition system. The first proposed method employs geometric construction to integrate photogrammetry and photometric stereo in order to overcome each technique's limitations and to leverage each technique's strengths in order to reconstruct an accurate and high-resolution topography of non-collaborative surfaces. This method uses accurate photogrammetric 3D measurements to rectify the global shape deviation of photometric stereo meanwhile uses photometric stereo to recover the high detailed topography of the object. The second method combines the high spatial frequencies of photometric stereo depth map with the low frequencies of photogrammetric depth map in frequency domain to produce accurate low frequencies while retaining high frequencies. For the third approach, we utilize light directionality to improve texture quality by leveraging shade and shadow phenomena using the proposed image-capturing system that employs several light sources for highlighting roughness and microstructures on the surface. And finally, we present two methods that effectively orient images by leveraging the low-contrast textures highlighted on object surfaces (roughness and 3D microstructures) using proper lighting system. Various objects with different surface characteristics including textureless, reflective, and transparent are used to evaluate different proposed approaches. To assess the accuracy of each approach, a comprehensive comparison between reference data and generated 3D points is provided.

De par les récents progrès de l'informatique dans le domaine de l'imagerie, il est dorénavant possible de manipuler des surfaces d'objets réels à partir des ordinateurs. Un des besoins qui en découle concerne l'acquisition de ces surfaces. Dans ce document, nous nous penchons sur le problème de la reconstruction de surfaces d'objets courbes à partir de séquences d'images. Les contours images de ce type d'objets, les contours occultants, constituent une riche source d'informations sur la géométrie de la surface de l'objet. Il est en particulier possible d'estimer les propriétés locales de la surface lorsqu'une séquence d'au moins trois contours est disponible. Nous présentons dans ce cadre une méthodologie de reconstruction de surfaces. Celle-ci permet de passer d'une séquence de contours occultants à une description de la partie de la surface observée correspondante, sous la forme de facettes triangulaires. Plusieurs aspects de la reconstruction liés aux contours occultants sont par ailleurs pris en compte pour améliorer les résultats: la correction des effets dûs au bruit présent dans l'ensemble du processus d'acquisition ainsi que la détection des parties non-visibles de la surface par les contours, les concavités par exemple. Les différentes étapes de la méthodologie sont illustrées tout au long du document par de nombreuses expérimentations sur des données réelles et synthétiques.

Les modèles virtuels de plantes sont visuellement de plus en plus réalistes dans les applications infographiques. Cependant, dans le contexte de la biologie et l'agronomie, l'acquisition de modèles précis de plantes réelles reste un problème majeur pour la construction de modèles quantitatifs du développement des plantes.Récemment, des scanners laser 3D permettent d'acquérir des images 3D avec pour chaque pixel une profondeur correspondant à la distance entre le scanner et la surface de l'objet visé. Cependant, une plante est généralement un ensemble important de petites surfaces sur lesquelles les méthodes classiques de reconstruction échouent. Dans cette thèse, nous présentons une méthode pour reconstruire des modèles virtuels de plantes à partir de scans laser. Mesurer des plantes avec un scanner laser produit des données avec différents niveaux de précision. Les scans sont généralement denses sur la surface des branches principales mais recouvrent avec peu de points les branches fines. Le cœur de notre méthode est de créer itérativement un squelette de la structure de la plante en fonction de la densité locale de points. Pour cela, une méthode localement adaptative a été développée qui combine une phase de contraction et un algorithme de suivi de points.Nous présentons également une procédure d'évaluation quantitative pour comparer nos reconstructions avec des structures reconstruites par des experts de plantes réelles. Pour cela, nous explorons d'abord l'utilisation d'une distance d'édition entre arborescence. Finalement, nous formalisons la comparaison sous forme d'un problème d'assignation pour trouver le meilleur appariement entre deux structures et quantifier leurs différences.

L'objectif principal de cette thèse est de développer des outils pour la reconstruction de l'environnement urbain à partir d'images. Les entrées typiques de notre travail est un ensemble d'images de façades, des empreintes au sol de bâtiments, et des modèles 3D reconstruits à partir d'images aériennes. Les principales étapes comprennent le calibrage des images,le recalage avec le modèle 3D, la récupération des informations de profondeur ainsi que la sémantique des façades.Pour atteindre cet objectif, nous utilisons des techniques du domaine de vision par ordinateur, reconnaissance de formes et de l'informatique graphique. Les contributions de notre approche sont présentés en deux parties.Dans la première partie, nous nous sommes concentrés sur des techniques de reconstruction multi-vues dans le but de récupérer automatiquement les informations de profondeur de façades à partir un ensemble des photographies non calibrées. Tout d'abord, nous utilisons la technique structure et mouvement pour calibrer automatiquement l'ensemble des photographies. Ensuite, nous proposons des techniques pour le recalage de la reconstruction avec un modèle 3D. Enfin, nous proposons des techniques de reconstruction 3d dense (stéréo multi-vues et voxel coloring) pour produire un maillage 3D texturé d'une scène d'un ensemble d'images calibrées.La deuxième partie est consacrée à la reconstruction à partir d'une seule vue et son objectif est de récupérer la structure sémantique d'une façade d'une image ortho-rectifiée. La nouveauté de cette approche est l'utilisation d'une grammaire stochastique décrivant un style architectural comme modèle pour la reconstruction de façades. nous combinons un ensemble de détecteurs image avec une méthode d'optimisation globale stochastique en utilisant l'algorithme Metropolis-Hastings. / The main goal of this thesis is to develop innovative and practicaltools for the reconstruction of buildings from images. The typical input to our workis a set of facade images, building footprints, and coarse 3d models reconstructedfrom aerial images. The main steps include the calibration of the photographs,the registration with the coarse 3d model, the recovery of depth and sematicinformation, and the refinement of the coarse 3d model.To achieve this goal, we use computer vision, pattern recognition and computergraphics techniques. Contributions in this approach are presented on two parts.In the first part, we focused on multiple view reconstruction techniques withthe aim to automatically recover the depth information of facades from a setof uncalibrated photographs. First, we use structure from motion techniques toautomatically calibrate the set of photographs. Then, we propose techniques for theregistration of the sparse reconstruction to a coarse 3d model. Finally, we proposean accelerated multi-view stereo and voxel coloring framework using graphicshardware to produce a textured 3d mesh of a scene from a set of calibrated images.The second part is dedicated to single view reconstruction and its aim is to recoverthe semantic structure of a facade from an ortho-rectified image. The novelty ofthis approach is the use of a stochastic grammar describing an architectural style asa model for facade reconstruction. we combine bottom-up detection with top-downproposals to optimize the facade structure using the Metropolis-Hastings algorithm.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.