This thesis investigates the problem of developing new computer vision techniques for early detection of skin cancer. The first part of this work presents a novel methodology to correct color reproduction in dermatological images when different cameras and/or dermoscopes are used. Next, the problem of automatic full body mapping is addressed by proposing a mosaicing method based on an on-the-shelf digital compact camera and a set of markers. This method increases the possibilities of total body photography by taking the low-resolution images of a whole body exploration and automatically combining them into a high-resolution photomosaic. The third contribution of this work consists of the development of a full body scanner for acquiring cutaneous images. On one hand, the scanner reduces the long time-consuming examinations done in dermoscopy explorations, and on the other hand, it increases the resolution of total body photography systems. / En aquesta tesi s'investiga el desenvolupament de noves tècniques de visió per computador per a la detecció del càncer de pell. La primera part del treball presenta una nova metodologia per a la correcció del color en imatges dermatològiques quan s'utilitzen diferents càmeres i/o els dermatoscops. A continuació és proposa una solució al problema del registre automàtic d'imatges de cos complert amb la proposta d’un mètode de mosaicing basat en l'ús de càmeres compactes i un conjunt de markers. Incrementant les possibilitats de la fotografia de cos complert mitjançant la combinació automàtica d’imatges de baixa resuloció per a l'obtenció d'un fotomosaic d’alta resolució. La tercera contribució d'aquest treball consisteix en el desenvolupament d'un escàner de cos complert per a l'adquisició d'imatges cutànies. D'una banda l'escàner redueix el llarg temps necessari per a les exploracions dermatoscòpiques, i de l'altre, incrementa la resolució de la fotografia de cos complet.

El modelat d'escenes és clau en un gran ventall d'aplicacions que van des de la generació mapes fins a la realitat augmentada. Aquesta tesis presenta una solució completa per a la creació de models 3D amb textura. En primer lloc es presenta un mètode de Structure from Motion seqüencial, a on el model 3D de l'entorn s'actualitza a mesura que s'adquireix nova informació visual. La proposta és més precisa i robusta que l'estat de l'art. També s'ha desenvolupat un mètode online, basat en visual bag-of-words, per a la detecció eficient de llaços. Essent una tècnica completament seqüencial i automàtica, permet la reducció de deriva, millorant la navegació i construcció de mapes. Per tal de construir mapes en àrees extenses, es proposa un algorisme de simplificació de models 3D, orientat a aplicacions online. L'eficiència de les propostes s'ha comparat amb altres mètodes utilitzant diversos conjunts de dades submarines i terrestres. / Scene modeling has a key role in applications ranging from visual mapping to augmented reality. This thesis presents an end-to-end solution for creating accurate, automatic 3D textured models, with contributions at different levels. First, we discuss a method developed within the framework of sequential Structure from Motion, where a 3D model of the environment is maintained and updated as visual information becomes available. The technique is more accurate and robust than state-of-the-art 3D modeling approaches. We also develop an online effcient loop-closure detection algorithm, allowing the reduction of drift and uncertainties for mapping and navigation. Inspired from visual bag-of-words, the technique is entirely sequential and automatic. Lastly, motivated by the need to map large areas, we propose a 3D model simplification oriented towards online applications. We discuss the efficiency of the proposals and compare them with state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets both in underwater and outdoor scenarios.

La tesis se centra en la Visión por Computador y, más concretamente, en la segmentación de imágenes, la cual es una de las etapas básicas en el análisis de imágenes y consiste en la división de la imagen en un conjunto de regiones visualmente distintas y uniformes considerando su intensidad, color o textura.Se propone una estrategia basada en el uso complementario de la información de región y de frontera durante el proceso de segmentación, integración que permite paliar algunos de los problemas básicos de la segmentación tradicional. La información de frontera permite inicialmente identificar el número de regiones presentes en la imagen y colocar en el interior de cada una de ellas una semilla, con el objetivo de modelar estadísticamente las características de las regiones y definir de esta forma la información de región. Esta información, conjuntamente con la información de frontera, es utilizada en la definición de una función de energía que expresa las propiedades requeridas a la segmentación deseada: uniformidad en el interior de las regiones y contraste con las regiones vecinas en los límites. Un conjunto de regiones activas inician entonces su crecimiento, compitiendo por los píxeles de la imagen, con el objetivo de optimizar la función de energía o, en otras palabras, encontrar la segmentación que mejor se adecua a los requerimientos exprsados en dicha función. Finalmente, todo esta proceso ha sido considerado en una estructura piramidal, lo que nos permite refinar progresivamente el resultado de la segmentación y mejorar su coste computacional.La estrategia ha sido extendida al problema de segmentación de texturas, lo que implica algunas consideraciones básicas como el modelaje de las regiones a partir de un conjunto de características de textura y la extracción de la información de frontera cuando la textura es presente en la imagen.Finalmente, se ha llevado a cabo la extensión a la segmentación de imágenes teniendo en cuenta las propiedades de color y textura. En este sentido, el uso conjunto de técnicas no-paramétricas de estimación de la función de densidad para la descripción del color, y de características textuales basadas en la matriz de co-ocurrencia, ha sido propuesto para modelar adecuadamente y de forma completa las regiones de la imagen.La propuesta ha sido evaluada de forma objetiva y comparada con distintas técnicas de integración utilizando imágenes sintéticas. Además, se han incluido experimentos con imágenes reales con resultados muy positivos. / Image segmentation is an important research area in computer vision and many segmentation methods have been proposed. However, elemental segmentation techniques based on boundary or region approaches often fail to produce accurate segmentation results. Hence, in the last few years, there has been a tendency towards the integration of both techniques in order to improve the results by taking into account the complementary nature of such information. This thesis proposes a solution to the image segmentation integrating region and boundary information. Moreover, the method is extended to texture and colour texture segmentation.An exhaustive analysis of image segmentation techniques which integrate region and boundary information is carried out. Main strategies to perform the integration are identified and a classification of these approaches is proposed. Thus, the most relevant proposals are assorted and grouped in their corresponding approach. Moreover, characteristics of these strategies as well as the general lack of attention that is given to the texture is noted. The discussion of these aspects has been the origin of all the work evolved in this thesis, giving rise to two basic conclusions: first, the possibility of fusing several approaches to the integration of both information sources, and second, the necessity of a specific treatment for textured images.Next, an unsupervised segmentation strategy which integrates region and boundary information and incorporates three different approaches identified in the previous review is proposed. Specifically, the proposed image segmentation method combines the guidance of seed placement, the control of decision criterion and the boundary refinement approaches. The method is composed by two basic stages: initialisation and segmentation. Thus, in the first stage, the main contours of the image are used to identify the different regions present in the image and to adequately place a seed for each one in order to statistically model the region. Then, the segmentation stage is performed based on the active region model which allows us to take region and boundary information into account in order to segment the whole image. Specifically, regions start to shrink and expand guided by the optimisation of an energy function that ensures homogeneity properties inside regions and the presence of real edges at boundaries. Furthermore, with the aim of imitating the Human Vision System when a person is slowly approaching to a distant object, a pyramidal structure is considered. Hence, the method has been designed on a pyramidal representation which allows us to refine the region boundaries from a coarse to a fine resolution, and ensuring noise robustness as well as computation efficiency.The proposed segmentation strategy is then adapted to solve the problem of texture and colour texture segmentation. First, the proposed strategy is extended to texture segmentation which involves some considerations as the region modelling and the extraction of texture boundary information. Next, a method to integrate colour and textural properties is proposed, which is based on the use of texture descriptors and the estimation of colour behaviour by using non-parametric techniques of density estimation. Hence, the proposed strategy of segmentation is considered for the segmentation taking both colour and textural properties into account.Finally, the proposal of image segmentation strategy is objectively evaluated and then compared with some other relevant algorithms corresponding to the different strategies of region and boundary integration. Moreover, an evaluation of the segmentation results obtained on colour texture segmentation is performed. Furthermore, results on a wide set of real images are shown and discussed.

La visió és probablement el nostre sentit més dominant a partir del qual derivem la majoria d'informació del món que ens envolta. A través de la visió podem percebre com són les coses, on són i com es mouen. En les imatges que percebem amb el nostre sistema de visió podem extreure'n característiques com el color, la textura i la forma, i gràcies a aquesta informació som capaços de reconèixer objectes fins i tot quan s'observen sota unes condicions totalment diferents. Per exemple, som capaços de distingir un mateix objecte si l'observem des de diferents punts de vista, distància, condicions d'il·luminació, etc.La Visió per Computador intenta emular el sistema de visió humà mitjançant un sistema de captura d'imatges, un ordinador, i un conjunt de programes. L'objectiu desitjat no és altre que desenvolupar un sistema que pugui entendre una imatge d'una manera similar com ho realitzaria una persona. Aquesta tesi es centra en l'anàlisi de la textura per tal de realitzar el reconeixement de superfícies. La motivació principal és resoldre el problema de la classificació de superfícies texturades quan han estat capturades sota diferents condicions, com ara distància de la càmera o direcció de la il·luminació. D'aquesta forma s'aconsegueix reduir els errors de classificació provocats per aquests canvis en les condicions de captura.En aquest treball es presenta detalladament un sistema de reconeixement de textures que ens permet classificar imatges de diferents superfícies capturades en diferents condicions. El sistema proposat es basa en un model 3D de la superfície (que inclou informació de color i forma) obtingut mitjançant la tècnica coneguda com a 4-Source Colour Photometric Stereo (CPS). Aquesta informació és utilitzada posteriorment per un mètode de predicció de textures amb l'objectiu de generar noves imatges 2D de les textures sota unes noves condicions. Aquestes imatges virtuals que es generen seran la base del nostre sistema de reconeixement, ja que seran utilitzades com a models de referència per al nostre classificador de textures.El sistema de reconeixement proposat combina les Matrius de Co-ocurrència per a l'extracció de característiques de textura, amb la utilització del Classificador del veí més proper. Aquest classificador ens permet al mateix temps aproximar la direcció d'il·luminació present en les imatges que s'utilitzen per testejar el sistema de reconeixement. És a dir, serem capaços de predir l'angle d'il·luminació sota el qual han estat capturades les imatges de test. Els resultats obtinguts en els diferents experiments que s'han realitzat demostren la viabilitat del sistema de predicció de textures, així com del sistema de reconeixement. / This thesis is concerned with the application of texture analysis to discriminate between textured surfaces. The main motivation is the problem of classifying textured surfaces imaged under varying geometries, i.e. distance from the sensor and illumination direction, as well as the necessity of finding reliable methods of reducing classification errors caused by changes in the geometry's properties. In texture analysis one must distinguish between image texture and surface texture. Image texture is what appears in the 2D image of a physical object, while surface texture refers to the variation of the physical and geometric properties of the imaged surface which give rise to the image texture. Changes in the imaging geometry can significantly alter the appearance of the surface, implying significant variations in the image texture. And one still has to perform the task of recognition from the image texture. In this thesis, after analysing different strategies, we integrate the surface texture information derived by colour photometric stereo (CPS) into a complete model-based texture classification system. Photometric stereo is the technique which allows us to obtain surface texture information from a few images of the same surface imaged under various illumination directions. Basically, the main idea of our strategy consists of creating, by means of the surface texture information, a virtual' database of image textures against which we compare unknown test images in order to classify them. Note that we do not use the surface texture information directly to perform classification, but we use it to create new images which are the references for our training and classification process. Furthermore, the classification system allows us to guess the approximate direction of the illumination used to capture the test images.The proposed prediction methods, as well as the model-based texture classification system, are tested and evaluated. A set of real surface textures containing a wide variety of relatively smooth and very rough surfaces are used in this thesis as our image database.

El treball desenvolupat en aquesta tesi aprofundeix i aporta solucions innovadores en el camp orientat a tractar el problema de la correspondència en imatges subaquàtiques. En aquests entorns, el que realment complica les tasques de processat és la falta de contorns ben definits per culpa d'imatges esborronades; un fet aquest que es deu fonamentalment a il·luminació deficient o a la manca d'uniformitat dels sistemes d'il·luminació artificials. Els objectius aconseguits en aquesta tesi es poden remarcar en dues grans direccions. Per millorar l'algorisme d'estimació de moviment es va proposar un nou mètode que introdueix paràmetres de textura per rebutjar falses correspondències entre parells d'imatges. Un seguit d'assaigs efectuats en imatges submarines reals han estat portats a terme per seleccionar les estratègies més adients. Amb la finalitat d'aconseguir resultats en temps real, es proposa una innovadora arquitectura VLSI per la implementació d'algunes parts de l'algorisme d'estimació de moviment amb alt cost computacional. / Underwater robotics was the motivation of this work, even though computer vision and parallel VLSI architectures played the most important role. Due to their low cost, high-rate and high-resolution, vision based systems represent a good option to provide information about a vehicle position. The apparent motion of a camera mounted on an underwater vehicle can be estimated by correlating two successive frames of an image sequence. Lack of well-defined contours, as well as non-uniform illumination makes underwater scenes much more difficult to be processed than normal images. Therefore, methods frequently used in standard image processing must be modified and adapted to these particular conditions. A method based on texture characterisation of points to reject outliers from the image correspondence problem is proposed. On the other hand, a parallel implementation was used to speed-up parts of the motion estimation algorithm which have a computationally high load. A new VLSI architecture is proposed with the aim of achieving frame-rate performance.

Over the last decade, there has been a growing interest in assessing cerebral aneurysmal wall motion, because of its potential connections to the biomechanical conditions of the vessel wall, which could eventually aid the prediction of aneurysmal rupture risk. Such quantification could provide a valid surrogate for the vascular wall status and integrity. However, the vast majority of current morphological indices used in the literature to predict growth and rupture in cerebral aneurysms do not take into account the temporal changes that occur during the cardiac cycle. This is because these indices are derived from image modalities that do not provide sufficient temporal and/or spatial resolution to obtain dynamic aneurysm information, which is expected to be similar to or below image resolution. Among currently available vascular imaging techniques, 3D rotational angiography (3DRA) and digital subtraction angiography (DSA) have the highest spatial (and temporal) resolution. Still, for a human operator relying solely on qualitative visual observation, even when using images from these modalities, to objectively analyze the small motion and shape changes of the cerebrovasculature of an individual throughout the cardiac cycle is difficult, if not impossible. Therefore, the availability of a robust morphodynamic analysis tool is needed. In this context, this thesis focuses on developing techniques to estimate, quantify and analyze cerebrovascular wall motion, particularly aneurysmal wall motion, using such modalities. The main contributions of the thesis are: 1) a first methodology to estimate and model patient-specific cerebrovascular morphodynamics over one cardiac cycle, through a proposed multiple 2D to 3D image registration framework; 2) an extension of this methodology to provide robust and efficient estimates of cerebrovascular wall motion for clinical evaluation and for further biomechanical modeling of the cerebrovascular wall; 3) a patient study that demonstrates the validity of the developed techniques from clinical practice, through an analysis of 3DRA and DSA images. Each of these contributions is published in or submitted to a peerreviewed international journal. / Durante la última década se ha dado un creciente interés en la evaluación del movimiento de la pared vascular en aneurismas cerebrales. Éste hecho ha sido motivado en gran medida por la relación existente entre dicha motilidad y sus condiciones biomecánicas, pudiendo éstas llegar a ser útiles en la predicción del riesgo de ruptura del aneurisma cerebral analizado. De este modo, de ésta cuantificación, se podría llegar a derivar un indicador indirecto del estado e integridad de la pared vascular. Sin embargo, la gran mayoría de los índices morfológicos utilizados en la actualidad para predecir crecimiento y ruptura de aneurismas cerebrales no consideran los cambios que se producen en el tiempo a lo largo del ciclo cardíaco. Esto se debe a que dichos índices se obtienen a partir de modalidades de imagen que no proporcionan suficiente resolución espacial y/o temporal para obtener información dinámica del aneurisma, cuyo rango de variación se espera sea similar o inferior a la resolución de la imagen. Entre las técnicas de imagen vascular disponibles en la actualidad, la angiografía rotacional 3D (3DRA) y la angiografía de substracción digital (DSA) son las que ofrecen la mayor resolución espacial (y temporal). De todos modos, aún utilizando imágenes de estas modalidades, el análisis objetivo de pequeñas diferencias de forma y movimiento en los vasos cerebrales de un individuo a lo largo de un ciclo cardíaco es difícil, si no imposible para un operador humano utilizando únicamente medidas cualitativas guiadas por inspección visual. Por lo tanto, la disponibilidad de herramientas robustas para el análisis morfodinámico de la vasculatura cerebral resulta necesaria. En este contexto, la investigación de esta tesis se concentra en el desarrollo de técnicas para estimar, cuantificar y analizar el movimiento de las paredes de los vasos cerebrales, con particular énfasis en el movimiento de la pared en aneurismas, utilizando las modalidades indicadas anteriormente. En líneas generales, esta tesis presenta tres contribuciones principales: 1) una primera metodología de estimación y modelado morfodinámico de vasos cerebrales a lo largo de un ciclo cardíaco, utilizando una técnica de registrado de imágenes 2D-3D; 2) una metodología extendida para proporcionar una estimación robusta y eficiente del movimiento de las paredes de los vasos cerebrales para su evaluación clínica y posterior modelado biomecánico de dichas paredes; 3) un estudio sobre una población de pacientes que demuestra la validez de las técnicas desarrolladas en la práctica clínica, a través del análisis en imágenes de 3DRA y DSA. Cada una de estas contribuciones ha sido publicada o se encuentra en fase de revisión en revistas internacionales indexadas.

Aquesta tesi tracta sobre la combinació del control visual i la llum estructurada. El control visual clàssic assumeix que elements visuals poden ser fàcilment extrets de les imatges. Això fa que objectes d'aspecte uniforme o poc texturats no es puguin tenir en compte. En aquesta tesi proposem l'ús de la llum estructurada per dotar d'elements visuals als objectes independentment de la seva aparença.En primer lloc, es presenta un ampli estudi de la llum estructurada, el qual ens permet proposar un nou patró codificat que millora els existents. La resta de la tesi es concentra en el posicionament d'un robot dotat d'una càmara respecte diferentsobjectes, utilitzant la informació proveïda per la projecció de diferents patrons de llum. Dos configuracions han estat estudiades: quan el projector de llum es troba separat del robot,i quan el projector està embarcat en el robot juntament amb la càmara. Les tècniques proposades en la tesi estan avalades per un ampli estudi analític i validades per resultats experimentals. / This thesis treats about the combination of visual servoing and structured light. Classic visual servoing assumes that visual features can be extracted from the images. However, uniform ornon-textured objects, or objects for which extracting features is too complex or too time consuming cannot be taken into account.This thesis proposes the use of structured light patterns for providing suitable visual features independently of the object appearance.Firstly, a comprehensive survey on coded structured light patterns is presented. Then, a new pattern improving the existing ones isproposed. The remaining of the thesis is devoted to position an eye-in-hand robot with respect to objects by using features provided by light patterns. Two configurations are tested. In thefirst one, an off-board video-projector is used while in the second, an onboard structured light emitter is exploited. The techniques proposed in the thesis are supported by theoreticalanalysis and they are validated by experimental results.

This thesis focuses on the problem of 3D acquisition using coded structured light (CSL). In CSL, a projected pattern impinges artificial texture onto the object surface, increasing the number of correspondences in the retrieved image. Finally, 3D acquisition is pursued by triangulation. An active research is being done in CSL techniques for moving scenarios. In this thesis, a review of the main CSL approaches is presented. Afterwards, we perform a deep study of the two most used frequency-based techniques, and a new proposal for automatic selection of the window width using Windowed Fourier Transform (WFT). Using this analysis, we implemented a new technique for one-shot dense acquisition, able to work in moving scenarios. The technique is based on adaptive WFT and DeBruijn coding. The results show the proposed method obtains dense acquisition with accuracy levels comparable to DeBruijn algorithms. Finally, the thesis focuses on the problem of registration in SL. / Esta tesis estudia el problema de la reconstrucción 3D con Luz Estructurada (LE). En LE se proyecta un patrón en la superficie del objecto, a fin de incrementar la textura y el número de correspondencias con la imagen capturada, de la que se extrae la información 3D. Actualmente se trabaja en soluciones de LE para entornos moviles. La tesis presenta un compendio de las principales tecnicas en LE. Además, se estudian en detalles las dos propuestas de análisis frecuencial, proponiendo un algoritmo para el análisis del patrón capturado. Con ésto, se propone un método de un único patrón proyectado, obteniendo reconstrucción densa. La técnica se basa en WFT combinado con codificación DeBruijn. Los resultados muestran niveles de precisión comparables con otras técnicas DeBruijn, pero obteniendo reconstrucción densa. Finalmente, se estudia el problema de registro de reconstrucciones LE.

The human visual ability to perceive depth looks like a puzzle. We perceive three-dimensional spatial information quickly and efficiently by using the binocular stereopsis of our eyes and, what is mote important the learning of the most common objects which we achieved through living. Nowadays, modelling the behaviour of our brain is a fiction, that is why the huge problem of 3D perception and further, interpretation is split into a sequence of easier problems. A lot of research is involved in robot vision in order to obtain 3D information of the surrounded scene. Most of this research is based on modelling the stereopsis of humans by using two cameras as if they were two eyes. This method is known as stereo vision and has been widely studied in the past and is being studied at present, and a lot of work will be surely done in the future. This fact allows us to affirm that this topic is one of the most interesting ones in computer vision.The stereo vision principle is based on obtaining the three dimensional position of an object point from the position of its projective points in both camera image planes. However, before inferring 3D information, the mathematical models of both cameras have to be known. This step is known as camera calibration and is broadly describes in the thesis. Perhaps the most important problem in stereo vision is the determination of the pair of homologue points in the two images, known as the correspondence problem, and it is also one of the most difficult problems to be solved which is currently investigated by a lot of researchers. The epipolar geometry allows us to reduce the correspondence problem. An approach to the epipolar geometry is describes in the thesis. Nevertheless, it does not solve it at all as a lot of considerations have to be taken into account. As an example we have to consider points without correspondence due to a surface occlusion or simply due to a projection out of the camera scope.The interest of the thesis is focused on structured light which has been considered as one of the most frequently used techniques in order to reduce the problems related lo stereo vision. Structured light is based on the relationship between a projected light pattern its projection and an image sensor. The deformations between the pattern projected into the scene and the one captured by the camera, permits to obtain three dimensional information of the illuminated scene. This technique has been widely used in such applications as: 3D object reconstruction, robot navigation, quality control, and so on. Although the projection of regular patterns solve the problem of points without match, it does not solve the problem of multiple matching, which leads us to use hard computing algorithms in order to search the correct matches.In recent years, another structured light technique has increased in importance. This technique is based on the codification of the light projected on the scene in order to be used as a tool to obtain an unique match. Each token of light is imaged by the camera, we have to read the label (decode the pattern) in order to solve the correspondence problem. The advantages and disadvantages of stereo vision against structured light and a survey on coded structured light are related and discussed. The work carried out in the frame of this thesis has permitted to present a new coded structured light pattern which solves the correspondence problem uniquely and robust. Unique, as each token of light is coded by a different word which removes the problem of multiple matching. Robust, since the pattern has been coded using the position of each token of light with respect to both co-ordinate axis. Algorithms and experimental results are included in the thesis. The reader can see examples 3D measurement of static objects, and the more complicated measurement of moving objects. The technique can be used in both cases as the pattern is coded by a single projection shot. Then it can be used in several applications of robot vision.Our interest is focused on the mathematical study of the camera and pattern projector models. We are also interested in how these models can be obtained by calibration, and how they can be used to obtained three dimensional information from two correspondence points. Furthermore, we have studied structured light and coded structured light, and we have presented a new coded structured light pattern. However, in this thesis we started from the assumption that the correspondence points could be well-segmented from the captured image. Computer vision constitutes a huge problem and a lot of work is being done at all levels of human vision modelling, starting from a)image acquisition; b) further image enhancement, filtering and processing, c) image segmentation which involves thresholding, thinning, contour detection, texture and colour analysis, and so on. The interest of this thesis starts in the next step, usually known as depth perception or 3D measurement.

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa.La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals.Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències.Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen lessemblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals.Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori.Les principals contribucions d'aquest treball són:·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes.·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic.·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil.·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat. / Human eyes have been widely studied by the scientific community so that its operation principle is widely known. Computer vision tries to copy the way human beings perceive visual information by means of using cameras acting as eyeballs and computers aspiring to process this information in an --intelligent way". The complex task of being conscious of reality is obviously divided into a set of simpler problems which covers from image acquisition to scene description. One of the main applications is robot perception in which a mobile robot is equipped with a computer vision system. Robots may be able to navigate around an unknown structured environment acquiring visual information of their surroundings with the aim of estimating the position and orientation of every obstacle. Moreover, the pose of the vehicle has to be estimated as accurate as possible. Hence, the motion of the vehicle might be also computed allowing the localization of the vehicle with respect to the 3D map.This thesis is focused on the study of the geometry involved in stereo vision systems composed by two cameras with the aim of obtaining 3D geometric information of the vehicle surroundings. This objective deals to the study of camera modelling and calibration and the comprehension of the epipolar geometry. Then, the computation of the fundamental matrix of a stereoscopic system is surveyed with the aim of reducing the correspondence problem between both image planes. An accurate estimation of the fundamental matrix allows us not only to compute 3D information of the vehicle environments, but to validate it. Nevertheless, the traditional case of the epipolar geometry has some limitations in the common case of a single camera attached to a mobile robot. Disparities between two consecutive images are rather small at common image rates leading to numerical inaccuracies on the computation of the fundamental matrix. Then, another objective is the study of general vision-based egomotion estimation methods based on the differential epipolar constraint with the aim of perceiving the robot movement instead of its position. The study of the geometry involved in stereo vision systems leads us to present a computer vision system mounted on a vehicle which navigates in an unknown environment. Two main tasks are faced: a) the localization of the vehicle; and b) the building of an absolute 3D map. / El sistema de visión humano ha sido ampliamente estudiado por la comunidad científica de forma que su principio de funcionamiento es profundamente conocido. La Visión por Computador trata de copiar la forma que nosotros los humanos percibimos la información visual por medio del uso de cámaras actuando como ojos y un ordenador aspirando a procesar toda la información de "forma inteligente". La compleja tarea de ser consciente de la realidad es obviamente dividida en un conjunto de problemas mucho más simples, los cuales abarcan des de la adquisición de la imagen a la descripción de la escena. Una de las numerosas aplicaciones es la percepción por parte de un robot, donde un robot móvil es equipado con un sistema informático de visión por computador. Estos robots deben ser capaces de navegar a lo largo de un entorno estructurado desconocido mediante la adquisición de información visual de su alrededor, con el objetivo de estimar la posición y orientación de todos los obstáculos. Además, la posición del vehículo debe ser estimada de la forma más precisa posible. De esta forma, el movimiento del vehículo puede ser también calculado lo que permite la localización del vehículo con respeto al mapa 3D.Esta tesis profundiza en el estudio de la geometría existente en los sistemas de visión estéreo compuestos por dos cámaras con la intención de obtener información geométrica 3D del entorno del vehículo. Este objetivo lleva consigo la necesidad inicial de realizar un estudio de modelado de la cámara y calibración, y la compensación de la geometría epipolar. A continuación, el cálculo de la matriz fundamental de un sistema esteresocópico es analizado para reducir el problema de la correspondencia entre ambos planos de la imagen. Una estimación precisa de la matriz fundamental nos permite no solamente obtener la información 3D del entorno, sino también validar la misma. No obstante, la geometría epipolar tradicional sufre algunas limitaciones en el caso de una cámara montada en un robot móvil. La disparidad entre dos imágenes consecutivas es realmente mínima trabajando a velocidad estándar lo que conlleva a errores numéricos en el cálculo de la matriz fundamental. Por esta razón, otro objetivo es el estudio de los métodos de estimación del movimiento basados en la geometría epipolar diferencial con el objetivo de pervivir el movimiento del robot y su posición.El estudio de la geometría inmersa en los sistemas de visión estéreo nos lleva a presentar un sistema de visión por computador montado en un vehículo capaz de navegar en un entorno desconocido. Dos tareas básicas son consideradas: a) la localización del vehículo; y b) la construcción de un mapa 3D absoluto.