Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Polymere Nanostrukturen aus funktionalen synthetischen und biologischen Makromolekülen wurden an Grenzflächen und in dünnen Filmen selbstorganisiert, und dann mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie (SFM) - Techniken erforscht, um ein Verständnis auf molekularer Ebene zu entwickeln, das es erlaubt, ihre Eigenschaften kontrolliert einzustellen. Eine weit verbreitetes Polymer für die organische Elektronik, Poly(3-hexylthiophen), wurde in dünnen Filmen untersucht, um den Einfluß des Molekulargewichts auf die Ausbildung molekularer Nanostrukturen und die Korrelation mit den entsprechenden Transistor Eigenschaften und Ladungsträger-Beweglichkeiten zu bestimmen. Auf der Ebene einzelner Makromolekülen wurden dendronisierte Polymere untersucht. Zum ersten Mal wurde über die spontane Faltung einzelner synthetischer Polymerketten berichtet. Darüber hinaus ist es gelungen, seltene einzelne Polymertopologien wie z.B. Kettenverzweigung nachzuweisen, die nicht durch andere Methode nachweisbar sind. Die Komplexierung von doppelsträngiger-DNA (ds-DNA) mit amphiphilen kleinen Molekülen erlaubt es, makromolekulare Konformationen durch eine Molekulare Werkbank zu kontrollieren, die wesentlich in der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde. Damit wurde es möglich, ds-DNA auf molekular modifizierten Graphit-Oberflächen zu spalten, auszustrecken, zu überdehnen, und schließlich zu brechen. Mit einer neu entwickelten "SFM Blowing"-Technik wurden überdrillte ds-DNA und synthetische Block-Copolymere aus DNA und Poly(ethylenglycol) vollständig auf einem atomar flachen Substrat ausgestreckt. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in hoch interessante funktionale polymere Nanostrukturen sowie neue Methoden für deren Untersuchung. Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von biologisch inspirierten, funktionalen molekularen Systemen, die letztlich nahe an physikalischen Grenzen operieren, etwa was die effiziente Nutzung von Materie und Energie angeht. / Polymeric nanostructures from highly attractive, functional synthetic and biological macromolecules were self-assembled at interfaces and in thin films, and then explored with Scanning Force Microscopy (SFM) techniques, in order to develop a molecular level understanding, which allows to control their properties. A widely used polymer for organic electronics, poly(3-hexylthiophene), was investigated in thin films in order to determine the role of molecular weight for the formation of molecular nanostructures, and the correlation with the corresponding transistor properties and charge carrier mobilities. On the level of single macromolecules, dendronized polymers, were investigated. For the first time, self-folding of single synthetic polymer chains into polymeric duplexes was reported. Moreover, it became possible to detect rare single polymer topologies, such as chain branching, which could not be detected by any other means so far. The complexation of plasmid double-stranded DNA (ds-DNA) with amphiphilic small molecules allowed to control the macromolecular conformation with a “Molecular Workbench”, developed largely within this thesis. It became possible to split, stretch, overstretch, and finally break ds-DNA on molecularly modified graphite surfaces. With a newly developed “SFM blowing” technique, supercoiled ds-DNA and also synthetic block copolymers from DNA and poly(ethyleneglycol) were fully stretched on an atomically flat substrate. Quantitative experiments allowed to estimate rupture forces of ds-DNA on a time scale on the order of as much as half an hour. In summary, this work presents new insight into highly interesting functional polymeric nanostructures as well as new methods for their investigation. The results are highly relevant for a rational development of biologically inspired functional molecular systems, which may ultimately operate close to physical limits as far as the efficient use of matter and energy is concerned.

Cette recherche vise à la modélisation 3D depuis un système de vision fisheye embarqué, utilisée pour une application GNSS dans le cadre du projet Predit CAPLOC. La propagation des signaux satellitaires en milieu urbain est soumise à des réflexions sur les structures, altérant la précision et la disponibilité de la localisation. L’ambition du projet est (1) de définir un système de vision omnidirectionnelle capable de fournir des informations sur la structure 3D urbaine et (2) de montrer qu’elles permettent d’améliorer la localisation.Le mémoire expose les choix en (1) calibrage automatique, (2) mise en correspondance entre images, (3) reconstruction 3D ; chaque algorithme est évalué sur images de synthèse et réelles. De plus, il décrit une manière de corriger les réflexions des signaux GNSS depuis un nuage de points 3D pour améliorer le positionnement. En adaptant le meilleur de l’état de l’art du domaine, deux systèmes sont proposés et expérimentés. Le premier est un système stéréoscopique à deux caméras fisheye orientées vers le ciel. Le second en est l’adaptation à une unique caméra.Le calibrage est assuré à travers deux étapes : l’algorithme des 9 points adapté au modèle « équisolide » couplé à un RANSAC, suivi d’un affinement par optimisation Levenberg-Marquardt. L’effort a été porté sur la manière d’appliquer la méthode pour des performances optimales et reproductibles. C’est un point crucial pour un système à une seule caméra car la pose doit être estimée à chaque nouvelle image.Les correspondances stéréo sont obtenues pour tout pixel par programmation dynamique utilisant un graphe 3D. Elles sont assurées le long des courbes épipolaires conjuguées projetées de manière adaptée sur chaque image. Une particularité est que les distorsions ne sont pas rectifiées afin de ne pas altérer le contenu visuel ni diminuer la précision. Dans le cas binoculaire il est possible d’estimer les coordonnées à l’échelle. En monoculaire, l’ajout d’un odomètre permet d’y arriver. Les nuages successifs peuvent être calés pour former un nuage global en SfM.L’application finale consiste dans l’utilisation du nuage 3D pour améliorer la localisation GNSS. Il est possible d’estimer l’erreur de pseudodistance d’un signal après multiples réflexions et d’en tenir compte pour une position plus précise. Les surfaces réfléchissantes sont modélisées grâce à une extraction de plans et de l’empreinte des bâtiments. La méthode est évaluée sur des paires d’images fixes géo-référencées par un récepteur bas-coût et un récepteur GPS RTK (vérité terrain). Les résultats montrent une amélioration de la localisation en milieu urbain. / This research deals with 3D modelling from an embedded fisheye vision system, used for a GNSS application as part of CAPLOC project. Satellite signal propagation in urban area implies reflections on structures, impairing localisation’s accuracy and availability. The project purpose is (1) to define an omnidirectional vision system able to provide information on urban 3D structure and (2) to demonstrate that it allows to improve localisation.This thesis addresses problems of (1) self-calibration, (2) matching between images, (3) 3D reconstruction ; each algorithm is assessed on computer-generated and real images. Moreover, it describes a way to correct GNSS signals reflections from a 3D point cloud to improve positioning. We propose and evaluate two systems based on state-of-the-art methods. First one is a stereoscopic system made of two sky facing fisheye cameras. Second one is the adaptation of the former to a single camera.Calibration is handled by a two-steps process: the 9-point algorithm fitted to “equisolid” model coupled with a RANSAC, followed by a Levenberg-Marquardt optimisation refinement. We focused on the way to apply the method for optimal and repeatable performances. It is a crucial point for a system composed of only one camera because the pose must be estimated for every new image.Stereo matches are obtained for every pixel by dynamic programming using a 3D graph. Matching is done along conjugated epipolar curves projected in a suitable manner on each image. A distinctive feature is that distortions are not rectified in order to neither degrade visual content nor to decrease accuracy. In the binocular case it is possible to estimate full-scale coordinates.In the monocular case, we do it by adding odometer information. Local clouds can be wedged in SfM to form a global cloud.The end application is the usage of the 3D cloud to improve GNSS localisation. It is possible to estimate and consider a signal pseudodistance error after multiple reflections in order to increase positioning accuracy. Reflecting surfaces are modelled thanks to plane and buildings trace fitting. The method is evaluated on fixed image pairs, georeferenced by a low-cost receiver and a GPS RTK receiver (ground truth). Study results show the localisation improvement ability in urban environment.

Image-based 3D reconstruction refers to the capture and virtual reconstruction of real scenes, through the use of ordinary camera sensors. A common approach is the use of the algorithms Structure from Motion, Multi-view Stereo and Poisson Surface Reconstruction, that fares well for many types of scenes. However, a problem that this pipeline suffers from is that it often falters when it comes to texture-less surfaces and areas, such as those found in man-made environments. Building facades, roads and walls often lack detail and easily trackable feature points, making this approach less than ideal for such scenes. To remedy this weakness, this thesis investigates an expanded approach, incorporating line segment detection and line cloud generation into the already existing point cloud-based pipeline. Texture-less objects such as building facades, windows and roofs are well-suited for line segment detection, and line clouds are fitting for encoding 3D positional data in scenes consisting mostly of objects featuring many straight lines. A number of approaches have been explored in order to determine the usefulness of line clouds in this context, each of them addressing different aspects of the reconstruction procedure.

Este trabalho tem por objetivo atualizar um Sistema Flexível de Manufatura, (SFM) didático, que devido às suas características construtivas apresentava inúmeras dificuldades de operação e manutenção, necessitando sempre de mão de obra altamente especializada. As dificuldades com a manutenção tornavam o SFM totalmente inoperante para a utilização nas aulas de uma das unidades da escola SENAI, o que prejudicava as atividades práticas, em laboratório, das disciplinas do curso técnico da área de produção. O projeto deste trabalho consistiu em uma reengenharia completa da parte elétrica de um Veículo Guiado Automaticamente (AGV) como também no desenvolvimento de um sistema supervisório, que comanda a comunicação entre os CNCs, AGV e computadores. Após as modificações efetuadas, os alunos das disciplinas da área de produção poderão interagir com o sistema, modificando a logística de produção conforme as necessidades didáticas a serem estudadas. Por outro lado os alunos de automação, por meio do acesso à documentação e à estrutura do sistema de manufatura, poderão desenvolver estudos e possíveis modificações, uma vez que o sistema se tornou mais didático e amigável. / This paper aims to update a didactic Flexible Manufacturing System (FMS) that due to their construction had numerous difficulties in operation and maintenance, and so constantly require manpower to operate and maintain highly specialized. The difficulties with maintaining the SFM became totally irrelevant, for use in the classroom of an unit school SENAI, would hinder the practical activities in the disciplines of laboratory technician course from the production area. The design of this work consisted in re-engineering of the complete electrical part of an Automatically Guided Vehicle (AGV) and development of a supervisory system and communication between the CNCs, AGV and computers. After the modifications to the students of the disciplines of production may interact with the system by modifying the production logistics as required didactic to be studied. Furthermore students automation through access to documentation and structure of the manufacturing system can develop studies and possible changes, since the system became more didactic and friendly.

Ette thèse s’inscrit dans le contexte de la réalité augmentée (RA). La problématique majeure consiste à calculer la pose d’une caméra en temps réel. Ce calcul doit être effectué en respectant trois critères principaux : précision, robustesse et rapidité. Dans le cadre de cette thèse, nous introduisons certaines méthodes permettant d’exploiter au mieux les primitives des images. Dans notre cas, les primitives sont des points que nous allons détecter puis décrire dans une image. Pour ce faire, nous nous basons sur la texture de cette image. Nous avons dans un premier temps mis en place une architecture favorisant le calcul rapide de la pose, sans perdre en précision ni en robustesse. Nous avons pour cela exploité une phase hors ligne, où nous reconstruisons la scène en 3D. Nous exploitons les informations que nous obtenons lors de cette phase hors ligne afin de construire un arbre de voisinage. Cet arbre lie les images de la base de données entre elles. Disposer de cet arbre nous permet de calculer la pose de la caméra plus efficacement en choisissant les images de la base de données jugées les plus pertinentes. Nous rendant compte que la phase de description et de comparaison des primitives n’est pas suffisamment rapide, nous en avons optimisé les calculs. Cela nous a mené jusqu’à proposer notre propre descripteur. Pour cela, nous avons dressé un schéma générique basé sur la théorie de l’information qui englobe une bonne part des descripteurs binaires, y compris un descripteur récent nommé BOLD [BTM15]. Notre objectif a été, comme pour BOLD, d’augmenter la stabilité aux changements d’orientation du descripteur produit. Afin de réaliser cela, nous avons construit un nouveau schéma de sélection hors ligne plus adapté à la procédure de mise en correspondance en ligne. Cela permet d’intégrer ces améliorations dans le descripteur que nous construisons. Procéder ainsi permet d’améliorer les performances du descripteur notamment en terme de rapidité en comparaison avec les descripteurs de l’état de l’art. Nous détaillons dans cette thèse les différentes méthodes que nous avons mises en place afin d’optimiser l’estimation de la pose d’une caméra. Nos travaux ont fait l’objet de 2 publications (1 nationale et 1 internationale) et d’un dépôt de brevet. / This thesis belongs within the context of augmented reality. The main issue resides in estimating a camera pose in real-time. This estimation should be done following three main criteria: precision, robustness and computation efficiency.In the frame of this thesis we established methods enabling better use of image primitives. As far as we are concerned, we limit ourselves to keypoint primitives. We first set an architecture enabling faster pose estimation without loss of precision or robustness. This architecture is based on using data collected during an offline phase. This offline phase is used to construct a 3D point cloud of the scene. We use those data in order to build a neighbourhood graph within the images in the database. This neighbourhood graph enables us to select the most relevant images in order to compute the camera pose more efficiently. Since the description and matching processes are not fast enough with SIFT descriptor, we decided to optimise the bottleneck parts of the whole pipeline. It led us to propose our own descriptor. Towards this aim, we built a framework encompassing most recent binary descriptors including a recent state-of-the-art one named BOLD. We pursue a similar goal to BOLD, namely to increase the stability of the produced descriptors with respect to rotations. To achieve this goal, we have designed a novel offline selection criterion which is better adapted to the online matching procedure introduced in BOLD.In this thesis we introduce several methods used to estimate camera poses more efficiently. Our work has been distinguished by two publications (a national and an international one) as well as with a patent application.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Simultaneous localization and mapping (SLAM) is a general device localization technique that uses realtime sensor measurements to develop a virtualization of the sensor's environment while also using this growing virtualization to determine the position and orientation of the sensor. This is useful for augmented reality (AR), in which a user looks through a head-mounted display (HMD) or viewfinder to see virtual components integrated into the real world. Visual SLAM (i.e., SLAM in which the sensor is an optical camera) is used in AR to determine the exact device/headset movement so that the virtual components can be accurately redrawn to the screen, matching the perceived motion of the world around the user as the user moves the device/headset. However, many potential AR applications may need access to more than device localization data in order to be useful; they may need to leverage environment data as well. Additionally, most SLAM solutions make the naive assumption that the environment surrounding the system is completely static (non-moving). Given these circumstances, it is clear that AR may benefit substantially from utilizing a SLAM solution that detects objects that move in the scene and ultimately provides localization data for each of these objects. This problem is known as the dynamic SLAM problem. Current attempts to address the dynamic SLAM problem often use machine learning to develop models that identify the parts of the camera image that belong to one of many classes of potentially-moving objects. The limitation with these approaches is that it is impractical to train models to identify every possible object that moves; additionally, some potentially-moving objects may be static in the scene, which these approaches often do not account for. Some other attempts to address the dynamic SLAM problem also localize the moving objects they detect, but these systems almost always rely on depth sensors or stereo camera configurations, which have significant limitations in real-world use cases. This dissertation presents a novel approach for registering and localizing unknown moving objects in the context of markerless, monocular, keyframe-based SLAM with no required prior information about object structure, appearance, or existence. This work also details a novel deep learning solution for determining SLAM map initialization suitability in structure-from-motion-based initialization approaches. This dissertation goes on to validate these approaches by implementing them in a markerless, monocular SLAM system called LUMO-SLAM, which is built from the ground up to demonstrate this approach to unknown moving object registration and localization. Results are collected for the LUMO-SLAM system, which address the accuracy of its camera localization estimates, the accuracy of its moving object localization estimates, and the consistency with which it registers moving objects in the scene. These results show that this solution to the dynamic SLAM problem, though it does not act as a practical solution for all use cases, has an ability to accurately register and localize unknown moving objects in such a way that makes it useful for some applications of AR without thwarting the system's ability to also perform accurate camera localization.

This thesis covers the topic of image matching in a visual SLAM or SfM context. These problems are generally based on a vector representation of the keypoints of one image, called a descriptor, which we seek to map to the keypoints of another, using a similarity measure to compare the descriptors. However, it remains difficult to perform this matching successfully, especially for challenging scenes where illumination changes, occlusions, motion, textureless and similar features are present, leading to mis-matched points. In this thesis, we develop a self-supervised contrastive deep learning framework for computing robust descriptors, particularly for these challenging situations.We use the TartanAir dataset built explicitly for this task, and in which these difficult scene cases are present. Our results show that descriptor learning works, improves scores, and that our method is competitive with traditional methods such as ORB. In particular, the invariance built implicitly by training pairs of positive examples through the construction of a trajectory from a sequence of images, as well as the controlled introduction of ambiguous negative examples during training, have a real observable effect on the scores obtained. / Le présent mémoire traite du sujet de mise en correspondance entre deux images dans un contexte de SLAM visuel ou de SfM. Ces problèmes reposent généralement sur une représentation vectorielle de points saillants d’une image, appelée descripteur, et qu’on cherche à mettre en correspondance avec les points saillants d’une autre, en utilisant une mesure de similarité pour comparer les descripteurs. Cependant, il reste difficile de réaliser cette mise en correspondance avec succès, en particulier pour les scènes difficiles où des changements d’illumination, des occultations, des mouvements, des éléments sans texture, et des éléments similaires sont présents, conduisant à des mises en correspondance incorrectes. Nous développons dans ce mémoire une méthode d’apprentissage profond contrastif auto-supervisé pour calculer des descripteurs robustes, particulièrement à ces situations difficiles. Nous utilisons le jeu de données TartanAir construit explicitement pour cette tâche, et dans lequel ces cas de scènes difficiles sont présents. Nos résultats montrent que l’apprentissage de descripteurs fonctionne, améliore les scores, et que notre méthode est compétitive avec les méthodes traditionnelles telles que ORB. En particulier, l’invariance bâtie implicitement en formant des paires d’exemples positifs grâce à la construction d’une trajectoire depuis une séquence d’images, ainsi que l’introduction contrôlée d’exemples négatifs ambigus pendant l’entraînement a un réel effet observable sur les scores obtenus.

[EN] Hydric soil erosion is an economic and ecological problem throughout the world. Current investigation of the processes intervening in the erosion needs detailed information about the soil's surface topography appropriate in resolution and precision for the work's scale. Part of the studies trying to model and quantify the erosive processes are carried out in laboratories, in detailed scales (millimetric), and need methods capable of giving accurate measurements of the surface, in an efficient way. Experiments carried out in a laboratory to measure hydric erosion are based on the use of rain simulators on small soil plots. Soil's rugosity or micro relief influences considerably the distribution of rain water among infiltration and run-off, and is a key factor when modelling erosive processes. Accurate measurement of the plot's relief before and after the rain simulation allows estimation based on the volume differences. In recent years there is an increasing demand for accurate topographical data in the area of geomorphological science. Reproduction of the soil's surface is done by means of Digital Elevation Models (DEM), generated from massive altimetric data acquired by means of laser scanners or image-based photogrammetric techniques. These data have been collected by means of classical photogrammetric techniques (among others) up until recently; it is not, however, an easy task, and furthermore, to achieve the necessary accuracy, a strict methodology is needed, taking into account all the error sources in the process. Advances in digital photogrammetry and related fields, such as image processing and computer vision, have brought new software tools with potential application in various fields, such as geomorphology and erosion study. Structure from Motion (SfM) method produces automatically a 3D model of an object from multiple converging images, using automatic image to image registry methods and image correspondence algorithms, which allow a great degree of automatization and a greater ease of use, with a very low cost. This thesis tries to establish a DEM collection methodology of an experimental zone in a laboratory after repeated episodes of simulated rain by means of photogrammetric techniques based on SfM. Based on the obtained DEM, an estimation of the erosion using DEM of Difference (DoD) techniques will be carried out, comparing these estimations with the results of the obtained run-off and infiltration to validate the method. The results show the suitability of this technique for laboratory erosion studies. / [ES] La erosión hídrica del suelo es hoy un problema económico y ecológico en todo el mundo. La investigación actual de los procesos que intervienen en la erosión requiere información detallada sobre la topografía de la superficie del suelo con resolución y precisión adecuadas a la escala de trabajo. Una parte de los estudios que se realizan para la modelización y cuantificación de los procesos erosivos se llevan a cabo en laboratorio, a escalas de detalle (milimétricas), y necesitan métodos capaces de proporcionar mediciones precisas de la superficie, de una manera eficiente. Los experimentos realizados en laboratorio para la medición de la erosión hídrica se basan en el uso de simuladores de lluvia sobre parcelas de suelo de reducidas dimensiones. La rugosidad o microrrelieve del suelo influye considerablemente en el reparto de agua de lluvia entre infiltración y escorrentía, y es un parámetro importante para la modelización de procesos erosivos. La medición precisa del relieve de la parcela antes y después de la simulación de la lluvia permite estimar la erosión a partir de las diferencias de volumen. Así, en los últimos años se ha producido una creciente demanda de datos topográficos de precisión en el ámbito de las ciencias geomorfológicas. La representación de la superficie del suelo se realiza a través de Modelos Digitales de Elevaciones (MDE), generados a partir de datos altimétricos masivos, adquiridos mediante escáneres láser o por técnicas fotogramétricas basadas en imágenes. La obtención de estos datos se ha realizado mediante técnicas fotogramétricas clásicas (entre otras) hasta hace poco; sin embargo, no es una tarea trivial, y además para conseguir las precisiones necesarias se ha de trabajar con una metodología rigurosa que tenga en cuenta todas las fuentes de error en el proceso. Los avances experimentados en fotogrametría digital y otros ámbitos relacionados, como el procesamiento de imágenes y la visión por computador, han proporcionado nuevas herramientas software disponibles con gran potencial de aplicación en muchas y variadas disciplinas, entre ellas la geomorfología y el estudio de la erosión. El método Structure from Motion (SfM) obtiene de forma automática un modelo 3D de un objeto a partir de múltiples imágenes convergentes empleando métodos automáticos de registro imagen a imagen y algoritmos de correspondencia de imágenes, lo que permite un alto nivel de automatización y una mayor facilidad de uso, con un coste muy bajo. En esta tesis se pretende establecer una metodología para la obtención de MDE de una zona experimental en laboratorio tras sucesivos episodios de simulación de lluvia mediante técnicas fotogramétricas basadas en SfM. A partir de los MDE obtenidos se realizará una estimación de la erosión aplicando técnicas de diferencias de MDE (DoD), contrastando estas estimaciones con los resultados de los sedimentos arrastrados por la escorrentía y la infiltración para validar el método. Los resultados han demostrado la idoneidad de esta técnica en los estudios de erosión en laboratorio. / [CA] L'erosió hídrica del sòl és actualment un problema econòmic i ecològic en tot el món. La investigació actual dels processos que intervenen en l'erosió requereix informació detallada sobre la topografia de la superfície del sòl amb resolució i precisió adequades a l'escala de treball. Una part dels estudis que es realitzen per a la modelització i quantificació dels processos erosius es duen a terme en laboratori, a escales de detall (mil·limètriques) , i necessiten mètodes capaços de proporcionar mesuraments precisos de la superfície, d'una manera eficient. Els experiments realitzats en laboratori per al mesurament de l'erosió hídrica es basen en l'ús de simuladors de pluja sobre parcel·les de sòl de reduïdes dimensions. La rugositat o microrrelleu del sòl influeix considerablement en el repartiment d'aigua de pluja entre infiltració i escolament, i és un paràmetre important per a la modelització de processos erosius. La medició precisa del relleu de la parcel·la abans i després de la simulació de la pluja permet estimar l'erosió a partir de les diferències de volum. Així, en els últims anys s'ha produït una creixent demanda de dades topogràfiques de precisió en l'àmbit de les ciències geomorfològiques. La representació de la superfície del sòl es realitza a través de Models Digitals d'Elevacions (MDE) , generats a partir de dades altimètriques massives, adquirides per mitjà d'escàners làser o per tècniques fotogramètriques basades en imatges. La obtenció d'estes dades s'ha realitzat amb tècniques fotogramètriques clàssiques (entre altres) fins fa poc; no obstant això, no és una tasca trivial, i a més per a aconseguir les precisions necessàries s'ha de treballar amb una metodologia rigorosa que tinga en compte totes les fonts d'error en el procés. Els avanços experimentats en fotogrametria digital i altres àmbits relacionats, com el processament d'imatges i la visió per computador, han proporcionat noves ferramentes disponibles amb gran potencial d'aplicació en moltes i variades disciplines, entre elles la geomorfologia i l'estudi de l'erosió. El mètode Structure from Motion (SfM) obté de forma automàtica un model 3D d'un objecte a partir de múltiples imatges convergents emprant mètodes automàtics de registre imatge a imatge i algoritmes de correspondència d'imatges, la qual cosa permet un alt nivell d'automatització i una major facilitat d'ús, amb un cost molt baix. En esta tesi es pretén establir una metodologia per a l'obtenció de MDE d'una zona experimental en laboratori després de successius episodis de simulació de pluja per mitjà de tècniques fotogramètriques basades en SfM. A partir dels MDE obtinguts es realitzarà una estimació de l'erosió aplicant tècniques de diferències de MDE (DoD) , contrastant estes estimacions amb els resultats dels sediments arrossegats per l'escolament i la infiltració per a validar el mètode. Els resultats han demostrat la idoneïtat d'esta tècnica en els estudis d'erosió en laboratori. / Balaguer Puig, M. (2015). Análisis empírico de soluciones fotogramétricas en estudios de erosión hídrica en laboratorio [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58989

Synthetic biomaterials are constantly being developed and play central roles in contemporary strategies in regenerative medicine and tissue engineering as artificial extracellular microenvironments. Such scaffolds provide 2D- and 3D-support for interaction with cells and thus convey spatial and temporal control over their function and multicellular processes, such as differentiation and morphogenesis. A model fibrillar system with tunable viscoelastic properties, comprised of 2 native ECM components like collagen type I and the GAG heparin, is presented here. Although the individual components comply with the adhesive, mechanical and bioinductive requirements for artificial reconstituted ECMs, their interaction and structural characterization remains an intriguing conundrum. The aim of the work was to analyze and structurally characterize a xenogeneic in vitro cell culture scaffold reconstituted from two native ECM components, collagen type I and the highly negatively charged glycosaminoglycan heparin. Utilizing a broad spectrum of structural analysis it could be shown that pepsin-solubilized collagen type I fibrils, reconstituted in vitro in the presence of heparin, exhibit an unusually thick and straight shape, with a non-linear dependence in size distribution, width-to-length ratio, and morphology over a wide range of GAG concentrations. The experiments imply a pronounced impact of the nucleation phase on the cofibril morphology as a result of the strong electrostatic interaction of heparin with atelocollagen. Heparin is assumed to stabilize the collagen-GAG complexes and to enhance their parallel accretion during cofibrillogenesis, furthermore corroborated by the heparin quantitation data showing the GAG to be intercalated as a linker molecule with a specific binding site inside the cofibrils. In addition, the exerted morphogenic effect of the GAG, appears to be influenced by factors as degree of sulfation, charge, and concentration. Further detailed structural analysis of the PSC-heparin gels using TEM and SFM showed a hierarchy involving 3 different structural levels and banding patterns in the system: asymmetric segment longspacing (SLS) fibrils and symmetric segments with an average periodicity (AP) of 250 - 260 nm, symmetric fibrous longspacing (FLS IV) nanofibrils with AP of 165 nm, and cofibrils exhibiting an asymmetric D-periodicity of 67 nm with a striking resemblance to the native collagen type I banding pattern. The intercalation of the high negatively charged heparin in the cofibrils was suggested as the main trigger for the hierarchical formation of the polymorphic structures. We also proposed a model explaining the unexpected presence of a symmetric and asymmetric form in the system and the principles governing the symmetric or asymmetric fate of the molecules. The last section of the experiments showed that the presence of telopeptides and heparin both had significant effects on the structural and mechanical characteristics of in vitro reconstituted fibrillar collagen type I. The implemented structural analysis showed that the presence of telopeptides in acid soluble collagen (ASC) impeded the reconstitution of D-periodic collagen fibrils in the presence of heparin, leaving behind only a symmetric polymorphic form with a repeating unit of 165 nm (FLS IV). Further x-ray diffraction analysis of both telopeptide-free and telopeptide-intact collagen fibrils showed that the absence of the flanking non-helical termini in pepsin-solubilized collagen (PSC) resulted in a less compact packing of triple helices of atelocollagen with an increase of interhelical distance from 1.0 to 1.2 nm in dried samples. The looser packing of the triple helices was accompanied by a decrease in bending stiffness of the collagen fibrils, which demonstrated that the intercalated heparin cannot compensate for the depletion of telopeptides. Based on morphological, structural and mechanical differences between ASC and PSC-heparin fibrils reported here, we endorsed the idea that heparin acts as an intrafibrillar cross-linker which competed for binding sites at places along the atelocollagen helix that are occupied in vivo by telopeptides in the fibrillar collagen type I. The performed studies are of particular interest for understanding and gaining control over a rather versatile and already exploited xenogeneic cell culture system. The reconstituted cofibrils with their unusual morphology and GAG intercalation – a phenomenon not reported in vivo – are expected to exhibit interesting biochemical behavior as a biomaterial for ECM scaffolds. Varying the experimental conditions, extent of telopeptide removal, and heparin concentration provides powerful means to control the kinetics, structure, dimensions, as well as mechanical properties of the system which is particularly important for predicting a certain cell behavior towards the newly developed matrix. The GAG intercalation could be interesting for studies with required long-term 'release upon demand' of the GAG, as well as native binding and stabilization of growth factors, cytokines, chemokines, thus providing a secondary tool to control cell signaling and fate, and later on tissue morphogenesis. / Synthetische Biomaterialien werden stetig weiterentwickelt und spielen als künstliche Mikroumgebungen eine zentrale Rolle in den modernen Strategien der regenerativen Medizin und des Tissue Engineerings. Solche sogenannten Scaffolds liefern eine 2D- und 3D-Struktur zur Interaktion mit Zellen und üben somit eine räumliche und zeitliche Kontrolle auf ihre Funktion und multizelluläre Prozesse aus, wie die Differenzierung und Morphogenese. Obwohl häufig die adhäsiven, mechanischen und bioinduzierenden Eigenschaften von Einzelkomponenten aus natürlichen Bestandteilen der extrazellulären Matrix (ECM) rekonstituierten Trägerstrukturen bekannt sind, bleiben die funktionalen und strukturellen Auswirkungen in Mehrkomponentensystemen eine faszinierende Fragestellung. Das Ziel der Arbeit war die Analyse und die strukturelle Charakterisierung einer xenogenen in vitro Zellkultur-Trägerstruktur, die aus den zwei nativen ECM Komponenten Kollagen Typ I und das stark negativ geladene Glykosaminoglykan (GAG) Heparin rekonstituiert wurde. Unter Nutzung eines breiten Spektrums von Methoden zur strukturellen Analyse konnte gezeigt werden, dass im Beisein von Heparin rekonstituierte Pepsin-gelöste Kollagen Typ I Fibrillen eine ungewöhnlich dicke und gerade Form, mit nichtlinearen Abhängigkeiten der Größenverteilung, des Breite-zu-Länge Verhältnises und der Morphologie für eine Reihe von GAG Konzentrationen, aufweisen. Die Experimente deuten auf eine besondere Wirkung der Nukleierungsphase auf die Kofibrillmorphologie hin, als Folge der starken elektrostatischen Inteaktionen Heparins mit Atelokollagen. Es wird angenommen, dass Heparin die Komplexe aus Kollagen-GAG stabilisiert, die parallele Anlagerung während der Kofibrillogenese verbessert und dass überdies, belegt durch Heparin Quantitätsdaten, als Verbindungsmolekül mit einer spezifischen Anbindungsstelle innerhalb der Kofibrillen eingelagert wird. Darüber hinaus scheint der ausgeübte morphogene Effekt des GAGs Heparins von Faktoren wie Grad der Sulfatierung, Ladung und Konzentration abzuhängen. Weitere detailierte Strukturanalysen der PSC - Heparin Gele mit TEM und SFM zeigten eine Hierarchie mit drei unterschiedlichen strukturellen Ebenen und Bandmustern im System: asymmetrisch segmentierte, weitabständige Fibrillen (SLS) und symmetrische Segmente mit einem AP von 250-260 nm, symmetrische fibrose weitabständige (FLS IV) Nanofibrillen mit einem AP von von 165 nm und Kofibrillen asymmetrischer D-Periodizität von 67 nm, die eine erstaunliche Ähnlichkeit zum natürlichen Kollagen Typ I Bandmuster haben. Die Einlagerung des sehr negativ geladenen Heparins in die Kofibrillen wurde als Hauptauslöser der hierarchischen Formation der polymorphen Strukturen betrachtet. Wir schlugen ebenso ein Model vor, welches sowohl das unerwartete Vorhandensein symmetrischer und asymmetrischer Formen im System als auch die Regeln erklärt, die das symmetrische oder asymmetrische Schicksal der Moleküle steuern. Der letzte Abschnitt der Experimente zeigte, dass die Anwesenheit der Telopeptide und Heparins eine signifikante Wirkung auf die strukturellen und mechanischen Charakteristika der in vitro rekonstituierten Kollagen Typ I Fibrillen hatte. Die durchgeführten Strukturanalysen zeigten außerdem, dass die Anwesenheit der Telopeptide in säurelöslichem Kollagen (ASC) die Rekonstitution D-periodischer Kollagenfibrillen mit Heparin verhinderte, sodass nur symmetrisch polymorphe Formen mit einer Wiederholeinheit von 165 nm möglich waren (FLS IV). Weitere Messungen der Telopeptid-freien und Telopeptid-intakten Kollagenfibrillen mit Röntgendiffraktometrie ergaben, dass die Abwesenheit der nicht-helix-strukturierten Enden in Pepsin-gelöstem Kollagen (PSC) zu einer weniger kompakten Anordnung der Tripelhelices von Atelokollagen führte. Der interhelix Abstand erhöhte sich von 1,0 zu 1,2 nm für getrocknete Proben. Das zeigt, dass die losere Anordnung der Tripelhelices einhergeht mit der Verringerung der Biege-Elastizitäts-module der Kollagenfibrillen,. Basierend auf den hier vorgestellten morphologischen, strukturellen und mechanischen Unterschieden zwischen ASC und PSC-Heparin Fibrillen wird die Idee unterstützt, dass Heparin als intrafibrillärer Vernetzer fungiert und an Bindungsstellen der Helix bindet, welche in vivo bei Kollagen Typ I Fibrillen durch Telopeptide besetzt sind. Die durchgeführten Studien sind von besonderem Interesse für das Verständnis und die Steuerung eines sehr vielseitigen und bereits verwendeten xenogenes Zellkultursystem für das Tissue Engineering. Von den rekonstituierten Kofibrillen mit ihrer ungewöhnlichen Morphologie und GAG Einlagerung - ein in vivo nicht bekanntes Phänomen - erwartet man, dass sie ein intressantes biochemisches Verhalten als Biomaterial für ECM Scaffolds zeigen. Variationen der experimentellen Bedingungen, des Ausmaßes der Telopeptidentfernung und der Heparinkonzentration liefern vielfältige Möglichkeiten um die Kinetik, Struktur, Dimension sowie die mechanischen Eigenschaften des Systems zu kontrollieren. Damit sollte es möglich sein, ein bestimmtes Zellverhalten gegenüber der neu entwickelten Matrix vorherzusagen. Die GAG-Einlagerung bietet interessante Optionen für eine langfristige Freisetzung des GAGs 'on demand', sowie die native Bindung und Stabilisierung von Wachstumsfaktoren, Cytokinen, Chemokinen, womit zusätzlich Zellsignalisierung und -schicksal und später Gewebemorphogenese kontrolliert werden kann.