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Cette thèse propose de nouvelles approches pour le calcul de cartes de profondeur associées à deux images stéréoscopiques.La difficulté du problème réside dans l'établissement de mises en correspondances entre les deux images stéréoscopiques. Cet établissement s'avère en effet incertain dans les zones de l'image qui sont homogènes, voire impossible en cas d'occultation.Afin de gérer ces deux problèmes, nos méthodes procèdent en deux étapes. Tout d'abord nous cherchons des mesures de profondeur fiables en comparant les deux images stéréoscopiques à l'aide de leurs segmentations associées. L'analyse des coûts de superpositions d'images, sur une base régionale et au travers d'échelles multiples, nous permet de réaliser des agrégations de coûts pertinentes, desquelles nous déduisons des mesures de disparités précises. De plus, cette analyse facilite la détection des zones de l'image de référence étant potentiellement occultées dans l’autre image de la paire stéréoscopique. Dans un deuxième temps, un mécanisme d'estimation se charge de trouver les profondeurs les plus plausibles, là où aucune mise en correspondance n'a pu être établie.L'ouvrage est scindé en deux parties : la première permettra au lecteur de se familiariser avec les problèmes fréquemment observés en analyse d'images stéréoscopiques. Il y trouvera également une brève introduction au traitement d'images morphologique. Dans une deuxième partie, nos opérateurs de calcul de profondeur sont présentés, détaillés et évalués. / In this thesis, we introduce new approaches dedicated to the computation of depth maps associated with a pair of stereo images.The main difficulty of this problem resides in the establishment of correspondences between the two stereoscopic images. Indeed, it is difficult to ascertain the relevance of matches occurring in homogeneous areas, whilst matches are infeasible for pixels occluded in one of the stereo views.In order to handle these two problems, our methods are composed of two steps. First, we search for reliable depth measures, by comparing the two images of the stereo pair with the help of their associated segmentations. The analysis of image superimposition costs, on a regional basis and across multiple scales, allows us to perform relevant cost aggregations, from which we deduce accurate disparity measures. Furthermore, this analysis facilitates the detection of the reference image areas, which are potentially occluded in the other image of the stereo pair. Second, an interpolation mechanism is devoted to the estimation of depth values, where no correspondence could have been established.The manuscript is divided into two parts: the first will allow the reader to become familiar with the problems and issues frequently encountered when analysing stereo images. A brief introduction to morphological image processing is also provided. In the second part, our algorithms to the computation of depth maps are introduced, detailed and evaluated.

Aujourd’hui, l’imagerie médicale est une composante majeure du développement de la médecine : l’analyse d’image et son déploiement sont un axe de recherche central à l’INRIA (Institut national de la recherche en Informatique et automatique), pionnier du domaine en France et à l’international. Cependant, réalisée sur le long terme, l’importance de cette recherche fondamentale est difficile à évaluer. En outre, fondée sur le principe de la coopération, le rôle de l’INRIA peut être sous-estimé au profit de ses partenaires. L’objectif historique de cette thèse est de montrer l’importance du rôle de l’INRIA en analyse d’imagerie médicale via l’exemple de son équipe-projet EPIDAURE/ASCLEPIOS, première en ce domaine. Cette investigation est adossée à trois paradigmes méthodologiques : une recherche bibliographique, une synthèse à partir des archives de l’INRIA-Rocquencourt (Île-de-France) et de dix entretiens semi-dirigés, réalisés par nos soins, auprès de chercheurs de l’INRIA directement impliqués dans l’analyse d’imagerie médicale. Les résultats montrent que dès les années 90 du XXe siècle, l’équipe-projet EPIDAURE/ASCLEPIOS a été fondatrice de ce domaine dans le monde. En outre, elle est à l’origine d’une nouvelle révolution du numérique, via la conception du « Patient numérique personnalisé » (PNP), proposée par son directeur Nicholas AYACHE dont le rôle central sur cet axe se traduit par l’excellence des résultats publiés et par la richesse et le dynamisme des collaborations établies, dans les domaines : académique, médical et industriel. Le soutien de la direction de l’INRIA à l’équipe-projet EPIDAURE/ASCLEPIOS est un atout de son succès, sur la scène internationale. / Today, medical imaging is a major component of the medicine development: image analysis and its deployment are a central research area at INRIA (French Institute for Research in Computer Science and Automation), pioneer in this field, in France and abroad. However, it is difficult to evaluate this kind of fundamental research because of its long-term realization. Moreover, given that the research at INRIA is based on cooperation, its role may be underestimated for the benefit of its partners. The historical objective of this thesis is to show the importance of INRIA’s role in medical imaging analysis through the example of EPIDAURE / ASCLEPIOS, leading team in this field. This investigation is based on three methodological paradigms: a bibliographic search, a synthesis from the archives of INRIA-Rocquencourt (Ile-de-France) and ten semi-directed interviews, conducted by us, with INRIA researchers directly involved in Medical imaging the analysis. The results show that since the 90s of the 20th century, the EPIDAURE / ASCLEPIOS project-team has been the founder of this field in the world. Moreover, this team is the origin of a new digital revolution, through the design of the "Personalized Digital Patient", proposed by its director Nicholas AYACHE, whose central role in this line of research is reflected in the excellence of published results, the wealth and dynamism of established collaborations in the academic, medical and industrial fields. The support of INRIA’s management to the EPIDAURE / ASCLEPIOS project-team is an asset of its success on the international scene.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.