Over the past decade, research into computer vision has proliferated with the goal to incorporate artificial intelligence into a wide range of applications. These applications can be as sophisticated as intelligent assistants in smartphones and self-driving cars or as mundane as text and face recognition. While most of these applications are software based, they represent unique challenges when it comes to industrial implementation. This thesis concentrates on an optical non-destructive testing (NDT) and automatic classification methodology using customized image processing techniques. In contrast to conventional spatial analyses, which are highly susceptible to noise and human perception, our proposed transform domain approach provides a high degree of robustness and flexibility in feature selection and hence a better classification efficiency. Our presented algorithm classifies the Part-Under-Test (PUT) into two bins of either acceptable or faulty using transform domain techniques in conjunction with a classifier. Because the classification is critically dependent on the features extracted from these images, a sophisticated scalable database was created. This thesis applies transform domain techniques such as Discrete Wavelet Transform (DWT) and Rotated Wavelet Transform (RWT) for feature extraction and then classifies the PUT based on those features. Although, this approach achieves promising classification efficiency, it does not meet industrial standards. It was concluded that in order to achieve those standards, the effect of emissivity fluctuations of the PUT should be negated. The research was then extended to apply an image acquisition algorithm in the form of shape from polarization. The approach exploits the partially linearly polarization of reflected light from the PUT surface. It was observed that this method could not only detect if the PUT is faulty or fault free, but also highlight the locations of the flaws.

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d’un système de reconstruction tridimensionnelle d’objets transparents par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d’abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces transparentes. Après réflexion sur la surface, la lumière incidente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l’angle d’incidence et de l’indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L’ambiguïté concernant l’orientation des normales est ici levée grâce à l’utilisation d’un éclairage multispectral dont la difficulté de calibration est expliquée dans ce manuscrit. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et présentons des résultats de reconstruction 3D sur des objets parfaitement calibrés. / This thesis deals with a new automated tridimensional inspection system for transparent surfaces, based on polarization analysis. We first present an extension of the ‘Shape from Polarization’ method for transparent surfaces. After being reflected, an unpolarized light wave becomes partially linearly polarized, depending on the surface normal and on the refractive index of the media it impinges on. Hence, by measuring the polarization parameters of the reflected light, the surface normals are computed. The ambiguity concerning the normal orientation is solved here with a multispectral lighting system. Finally, the description of the whole acquisition prototype is given as well as some experimental results on calibrated objects are presented.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude, la conception et le développement de deux nouveaux prototypes de reconstruction tridimensionnelle, spécifique aux objets transparents. La numérisation 3D d'objets opaques est abondamment traitée dans la littérature et de nombreux systèmes sont d'ailleurs commercialisés. Cependant, lorsqu'il s'agit de la numérisation 3D d'objets transparents, les publications se font rares et aucun système de scanning n'existe sur le marché. La technique de numérisation de surfaces transparentes demeure compliquée et non maîtrisée à l'heure actuelle. L'opacification de la surface avant le scanning s'avère être la solution retenue dans le domaine du contrôle qualité. Néanmoins, cette alternative n'est pas optimale en raison du coût de traitements et du manque de précision éventuellement engendré. Afin de solutionner les problèmes de la numérisation d'objets transparents, nous avons développé deux approches dites non conventionnelles en étendant les méthodes existantes (dans le visible) aux longueurs d'onde dans lesquelles les sujets apparaissent opaques (IR et UV). Les deux méthodes de mesure sans contact retenues sont : - la reconstruction par polarisation dans l'IR, en vue de s'affranchir des problèmes d'inter-réflexions; - le scanning par laser UV, pour satisfaire les contraintes industrielles (précision, rapidité et coût) tout en résolvant de manière efficace le problème de réfraction. La première approche est fondée sur la réflexion spéculaire de l'objet dans l'IR tandis que la seconde exploite la propriété de l'objet à fluorescer sous l'irradiation UV. L'inexistence des lentilles télécentriques dans l'IR nous a conduits à adapter la reconstruction par polarisation dans l'IR à l'aide d'une lentille non télécentrique. Pour ce faire, une méthode d'approximation du modèle orthographique a été développée et une méthode de validation visant à améliorer la précision des résultats a été en outre intégrée dans le processus de reconstruction après l'étape d'estimation des paramètres de Stokes. Nos résultats sont très satisfaisants et attestent la faisabilité de la reconstruction par polarisation dans l'IR. Quatre configurations de système de scanning par triangulation ont été déployées afin d'exploiter la propriété de fluorescence des objets transparents irradiés sous un rayonnement UV. Des expérimentations visant à caractériser la fluorescence induite à la surface des objets considérés et à vérifier l'éligibilité de notre approche ont été menées. Les mesures spectroscopiques nous ont permis d'élaborer des critères de "tracking" (détection et localisation) des points fluorescents en présence des bruits inhérents à l'acquisition. Nous avons également mis au point des méthodes de validation des paramètres du modèle de reconstruction 3D estimés lors de la calibration, permettant ainsi d'optimiser la configuration du système de scanning. Les méthodes de "tracking" et de validation ont contribué considérablement à l'amélioration de la précision des résultats. Par ailleurs, la précision obtenue n'a jamais été atteinte au regard de ce que l'on trouve dans la littérature. / Two non-conventional methods for the 3D digitization of transparent objects via non-contact measurement are reported in this thesis. 3D digitization is a well acknowledged technique for opaque objects and various commercial solutions based on different measurement approaches are available in the market offering different types of resolution at different prices. Since these techniques require a diffused or lambertian surface, their application to transparent surfaces fails. Indeed, rays reflected by the transparent surface are perturbed by diverse inter-reflections induced by the refractive properties of the object. Therefore, in industrial applications like quality control, the transparent objects are powder coated followed by their digitization. However, this method is expensive and can also produce inaccuracies. Among the rare methods suggested in the literature, shape from polarization provides reliable results even though their accuracy had to be improved by coping with the inter-reflections. The two proposed solutions handle the extension of the existing methods to wavelengths beyond visible ranges: - shape from polarization in Infra Red (IR) range to deal with the above-mentioned inter-reflections; - scanning by Ultra Violet (UV) laser (based on triangulation scheme) to overcome the refraction problem that can be feasibly applied in industrial applications. The characteristic physical properties of transparent objects led us to explore the IR and UV ranges; since, transparent glass has strong absorption bands in the IR and UV ranges and therefore has opaque appearance. The first approach exploits the specular reflection of the considered object surface in IR and the second one exploits the fluorescence property of the object when irradiated with UV rays. Shape from polarization traditionally based on telecentric lenses had to be adapted with non-telecentric lenses to be used in the IR range. Thus, an approximation of the orthographic model is developed in this thesis while a validation method is implemented and integrated in the reconstruction process after Stokes parameters estimation, in order to improve the accuracy of the results. Some results of digitized objects are presented, which prove the feasibility of the shape from polarization method in the IR range to be used for transparent objects. A total of four configurations of the triangulation system are implemented in this thesis to exploit fluorescence produced by the UV laser scanning of the second approach. Experimental investigations aimed at characterizing the fluorescence are done. A specific fluorescence tracking method is carried out to deal with the inherent noise in the acquisitions. The uniqueness of the method relies on the criteria that are derived from the analysis of spectroscopic results. A validation method is made to optimize the configuration system while reducing the accuracy of reconstruction error. The results of some object digitization are presented with accuracies better than previously reported works.