La reconstruction de surfaces spéculaires à partir d'images est un domaine relativement peu exploré, du fait du caractère peu commun de ces objets, et la complexité induite par rapport aux surfaces mattes. Ceci est du au fait que la texture apparente de telles surfaces est dépendante du point de vue, ou formulé autrement, que le chemin lumineux entre un point d'intérêt et un pixel n'est pas une ligne droite. De ce fait, la plupart des algorithmes de reconstructions ignorent les contributions spéculaires, alors que nous montrons que le contraintes qu'elles apportent permettent d'obtenir des informations géométriques de localisation et d'orientation précises, et ce sans les contraintes de continuité ou de régularité habituellement requises. Cette thèse présente deux méthodes permettant d'obtenir la position et l'orientation de points d'une surface parfaitement spéculaire, à partir de la réflection de points environnants connus. La première étend les approches de ”space carving”, et obtient des voxels d'un objet spéculaire en utilisant une mesure de consistance géométrique putôt que photométrique, qui dans ce cas n'a pas de sens. La deuxième procède par triangulation, en supposant une caméra fixe observant la refléction d'au moins 2 points connus par point de la surface à reconstruire. Finalement, nous proposons des méthodes pour obtenir la pose d'objets de calibration alors qu'ils ne sont pas dans le champ de vue d'une caméra, à travers la reflection d'objets spéculaires. La première suppose que cet objet est vu à travers la réflection de 3 miroirs plans inconnus, et obtient par ailleurs la pose de ces miroirs. La seconde présente une contrainte géométrique permettant théoriquement d'obtenir la pose d'un tel objet placé à deux endroits différents, vu à travers la reflection d'une surface spéculaire quelconque.

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l’acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l’encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d’acquisition 3D, qui repose sur l’acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d’aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l’extension d’une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée « Scanning from Heating ». Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l’émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d’une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d’un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d’un panel d’échantillons de géométries identiques mais d’états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d’acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d’apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial / For the past twenty years, the need for three-dimensional digitization of manufactured objects has increased significantly and consequently, many experimental techniques and commercial solutions have been proposed. However, difficulties remain for the acquisition of optically non cooperative surfaces, such as transparent or specular ones. Since the working principle of conventional scanners is based on the acquisition of the diffuse part of the reflection, transparency and specular reflections may cause outliers. To address highly reflective metallic surfaces, we propose the extension of a non conventional technique that was originally dedicated to glass objects, called “Scanning from Heating”. In contrast to classical active triangulation techniques that acquire the reflection of visible light, we measure the thermal emission of the heated surface. A laser source is geometrically calibrated with a thermal sensor to extract a cloud of 3D points from infrared images. Considering the thermo-physical properties of metals, we present a theoretical model of heat exchanges that are induced by the process, helping to demonstrate its feasibility on metallic materials. With a finite element analysis solver, results give some important indications about the conception and the settings of the experimental solution. A first device has been designed in order to validate the 3D digitization process on specular surfaces, with various geometries and compositions. Furthermore, a comparison of our results with those of a conventional system shows the versatility of our technique. Actually, from metallic samples with the same dimensions but various surface states, we prove that the accuracy of the 3D acquisition is not affected by the surface roughness variations. Finally, according to some practical observations, a 3D scanner prototype has been designed to improve the efficiency of the first system

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l'acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l'encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d'acquisition 3D, qui repose sur l'acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d'aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l'extension d'une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée " Scanning from Heating ". Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l'émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d'une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d'un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d'un panel d'échantillons de géométries identiques mais d'états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d'acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d'apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’étude et le développement d’une méthode de mesure d’épaisseur et de reconstruction 3D d’objets en verre creux, dans le cadre d’une application de contrôle industriel sur ligne de production. Les techniques de mesure d’épaisseur de parois transparentes sont actuellement très limitées par leur faible tolérance angulaire sur l’orientation des surfaces. Elles nécessitent une rotation de l’article devant le capteur, donc une manutention contraignante. De plus, les surfaces considérées étant spéculaires, les techniques de numérisation standard ne fonctionnent pas. Nous avons développé deux méthodes basées sur l’observation des réflexions d’une source diffuse ponctuelle sur les deux surfaces de la paroi de l’objet. Une observation simple à l’aide d’une caméra implique une ambiguïté entre l’orientation et la position de chacune des deux surfaces. Notre première méthode consiste à utiliser des informations de polarisation pour lever cette ambiguïté. Des résultats expérimentaux, obtenus avec un ou plusieurs points source témoignent de la faisabilité de la mesure. La seconde méthode consiste à utiliser une seconde caméra, associée à un dispositif optique spécifique. Ceci permet de trianguler directement les points d’incidence sur les deux surfaces. De plus, la source peut être étendue verticalement, de manière à augmenter la taille de la zone inspectée. Les résultats obtenus avec cette seconde technique attestent de la possibilité d’une mise en oeuvre industrielle. / The work presented in this thesis focuses on the study and development of a method for measuringthe thickness and reconstructing the 3D shape of glass containers, within the frame of an industrialon-line quality monitoring. Measuring thickness techniques of transparent objects are currently limited by their lack of toleranceregarding the surface orientation at a given reflection point. A rotation of the article in front ofthe sensor is thus required, which adds complexity to the mechanical handling of the item beingmeasured. Moreover, conventional scanning techniques do not work well on specular surfaces.We developed two methods based on the observation of the reflections by both surfaces of the wallof a given item of a diffuse, point light source. Imaging these reflections with a plain camera leavesan ambiguity between the orientation and position of each surface. Our first approach uses light polarization to remove this ambiguity. Experimental results, obtainedwith one or several point sources have demonstrated the feasibility of the measure. The second approach uses a second camera, associated with a specific optical design, whichenables a mere triangulation of the incident points on the two surfaces. Moreover, the light sourcecan be vertically extended to increase the size of the inspected area. The results obtained with thissecond technique show that industrial implementation is feasible.