En imagerie couleur, un système d’acquisition capture une scène avec une haute résolution spatiale mais une résolution spectrale limitée. L’imagerie hyperspectrale permet d’acquérir la scène avec une grande résolution spectrale. Un système d’acquisition hyperspectrale est un ensemble complexe et il est difficile de l’utiliser pour acquérir des données dans une situation où les conditions d’imageries ne sont pas contrôlées. De plus, ces systèmes sont chers et souvent encombrants ou difficiles à manipuler. À cause de ces problèmes, l’utilisation de l’imagerie hyperspectrale n’a pas encore été beaucoup utilisée en vision assistée par ordinateur, et la plupart des systèmes de vision utilise l’imagerie couleur.L’imagerie multispectrale propose une solution intermédiaire, elle permet de capturer une information moins résolue selon la dimension spectrale, comparée à l’hyperspectrale, tout en préservant la résolution spatiale. Ces systèmes sont moins encombrants et moins difficiles à maitriser grâce aux récentes avancées technologiques, et arrivent sur le marché en tant que produits commerciaux. On peut citer les matrices de filtres spectraux (spectral filter arrays) qui permettent l’acquisition en temps réel d’images multispectrales grâce à l’utilisation d’unecaméra de complexité similaire à une caméra couleur. Jusqu’ici, les informations capturées par ces systèmes étaient considérées de la même manière que les imageurs hyperspectraux en champ proche, c’est à dire que pour utiliser l’information au mieux, les conditions d’acquisitions devaient être connues et le système calibré, en particulier pour l’éclairage de la scène et la dynamique de la scène.Afin d’élargir l’utilisation de l’imagerie multispectrale pour la vision par ordinateur dans des conditions générales, je propose dans cette thèse de développer les méthodes calculatoires en imagerie couleur (computational color imaging) et de les adapter aux systèmes d’imagerie multispectraux. Une caractéristique très puissante de l’imagerie couleur est de proposer un rendu constant des couleurs de la surface d’un objet à travers différentes conditions d’acquisition via l’utilisation d’algorithmes et divers traitements de l’information.Dans cette thèse, j’étends la notion de constance des couleurs et de balance des blancs de l’imagerie couleur à l’imagerie multispectrale. J’introduis le terme de constance de l’information spectrale (multispectral constancy).Je propose la construction d’un ensemble d’outils permettant la représentation constante de l’information spectrale à travers le changement d’éclairage. La validité de ces outils est évaluée à travers la reconstruction de la réflectance spectrale des objets lorsque l’éclairage change. Nous avons également acquis de nouvelles images hyperspectrales et multispectrales mises à disposition de la communauté.Ces outils et données permettront de favoriser la généralisation de l’utilisation de l’imagerie multispectrale en champ proche dans les applications classiques utilisant traditionnellement l’imagerie couleur et de sortir ce mode d’imagerie des laboratoires. L’avantage en vision par ordinateur est une meilleure analyse de la réflectance de la surface des objets et donc un avantage certain dans les tâches de classification et d’identification de matériaux. / A conventional color imaging system provides high resolution spatial information and low resolution spectral data. In contrast, a multispectral imaging system is able to provide both the spectral and spatial information of a scene in high resolution. A multispectral imaging system is complex and it is not easy to use it as a hand held device for acquisition of data in uncontrolled conditions. The use of multispectral imaging for computer vision applications has started recently but is not very efficient due to these limitations. Therefore, most of the computer vision systems still rely on traditional color imaging and the potential of multispectral imaging for these applications has yet to be explored.With the advancement in sensor technology, hand held multispectral imaging systems are coming in market. One such example is the snapshot multispectral filter array camera. So far, data acquisition from multispectral imaging systems require specific imaging conditions and their use is limited to a few applications including remote sensing and indoor systems. Knowledge of scene illumination during multispectral image acquisition is one of the important conditions. In color imaging, computational color constancy deals with this condition while the lack of such a framework for multispectral imaging is one of the major limitation in enabling the use of multispectral cameras in uncontrolled imaging environments.In this work, we extend some methods of computational color imaging and apply them to the multispectral imaging systems. A major advantage of color imaging is the ability of providing consistent color of objects and surfaces across varying imaging conditions. In this work, we extend the concept of color constancy and white balancing from color to multispectral images, and introduce the term multispectral constancy.The validity of proposed framework for consistent representation of multispectral images is demonstrated through spectral reconstruction of material surfaces from the acquired images. We have also presented a new hyperspectral reflectance images dataset in this work. The framework of multispectral constancy will make it one step closer for the use of multispectral imaging in computer vision applications, where the spectral information, as well as the spatial information of a surface will be able to provide distinctive useful features for material identification and classification tasks.

L'objectif de la thèse était de développer une méthode de prédiction de l’origine tissulaire de particules dans des poudres issues de plantes lignocellulosiques en exploitant les propriétés d’autofluorescence des parois. L’entrenœud sous épi de la tige de maïs a été utilisé comme modèle. Le macroscope à fluorescence a été validé comme outil pour acquérir rapidement des grandes images multispectrales avec des champs de vue représentatifs de l’ordre du cm². Une approche chimiométrique par analyse d’images multispectrales a été retenue pour construire le modèle de prédiction des tissus à partir de leurs propriétés d’autofluorescence observées dans des coupes d’entrenœuds. La collection étalon comprenait 40 coupes transversales et longitudinales prélevées à différentes positions de l’entrenœud pour 10 tiges d’une même variété. Nous avons validé par analyse supervisée que la variabilité de fluorescence des tissus était prépondérante devant la variabilité inter et intra tiges. Afin de prendre en compte sans a priori toute la variabilité de fluorescence des tissus dans le maïs, le modèle de prédiction a été construit à partir d’une classification non supervisée des pixels des 40 images. Le grand nombre de pixels a conduit à développer une méthode de classification multiéchelle basée sur la méthode des K-means en utilisant des pyramides d’images. Le modèle a permis d’identifier les principaux tissus constitutifs de la tige : parenchymes lignifiés et non lignifiés, gaines de sclérenchyme des faisceaux dans la moelle et dans l’écorce, épiderme, fibres de xylème. L’étape suivante sera de tester le modèle de prédiction sur des poudres / The objective of the thesis was to develop a method for predicting the tissue origin of particles in powders of lignocellulosic plants using the autofluorescence properties of cell walls. The internode under the ear of maize stems was used as a model. Fluorescence macroscopy has been validated for acquiring large multispectral images with representative fields of view about 1 cm². A chemometric approach by multispectral image analysis was applied to build the predictive model of tissues based on their autofluorescence properties observed in stem sections. The calibration set consisted of 40 transverse and longitudinal sections taken at different positions from 10 stems of the same variety. Variability of fluorescence in tissues was found preponderant compared to inter and intra-stems variability by supervised analysis. In order to take into account all the fluorescence variability of the tissues in maize stem without any a priori, the prediction model was built from an unsupervised clustering of all the pixels from the 40 images. The large number of pixels led to the development of a multi-scale clustering method based on K-means method using image pyramids. The model made it possible to identify the main tissues of the stem: lignified and non-lignified parenchyma, sclerenchyma sheaths in vascular bundles in the pith and in the rind, epidermis, fibers of xylem. The next step will be to test the prediction model on powders.

Approved for public release, distribution is unlimited / ine discrimination of similar soil classes was produced by the BRDF variations in the high-spatial resolution panchromatic image. Texture analysis results depended on the directionality of the gray level co-occurrence matrix (GLCM) calculation. Combining the different modalities of analysis did not improve the overall classification, perhaps illustrating the consequences of the Hughes paradox (Hughes, 1968) / Flight Lieutenant, Royal Thai Air Force

As part of a pre-impoundment study for the Ray Roberts Reservoir Area, Landsat-5 multi-spectral scanner (MSS) imagery was used for cover type interpretation. This research was concerned with analysis techniques for MSS images and a comparison of results obtained using computer assisted interpretatin of MSS images and a comparison of results obtained using computer assisted interpretation of MSS images with those obtained using manual interpretation of false color infrared (CIR) photographs.

Patterned resistive sheets (PRS) are resistive sheets with periodic patterns which provide further advantages to the functionality of the microbolometer. This study examines the potential of both single- and double-layer designs to achieve spectral selectivity in both broadband and narrowband absorption in the microbolometer's application. First, important design parameters, including rules and processes, are established. These include descriptions of sheet resistance, air gap, material refractive index, thicknesses of dielectric and bolometric layers, mirror, pattern shape and size, and unit cell period. Moreover, interactions among these elements are examined. Second, single-layer designs using dipole and slot PRS are introduced as initial designs for the reduced thermal mass design. Applying holes without changing spectral selectivity are investigated for narrowband application. Moreover, the method to tune the change of spectral selectivity is introduced. Third, newly stacked two-color design is suggested. The out-of-band transmission and reflection characteristics of the dipole and slot PRS are investigated to increase the absorption of each layer. Additionally, different pattern shapes, such as the circular patch and square patch, are investigated for easier fabrication. / text

QC 351 A7 no. 40 / The aim of this study was to determine to what extent a constant spectral response can be obtained for wide-passband interference filters used with wide -angle lenses. We investigated the possibility of using the curvature of the lens surfaces to reduce the shift in the filter passband for large field angles and found that locating the filter on the proper surface will considerably reduce the shift of the passband. Specifically, we determined the distribution of angles of incidence for full aperture pencils incident at several field angles on the second and fourth surfaces of the 90° Geocon IV, the 90° Paxar, and the 125° Pleogon. We then calculated the spectral transmittance of each lens when a wide passband interference filter was located on its second or fourth surface. We also calculated the degree of polarization introduced. From the cases considered, we found that the tracing of an upper and lower marginal (rim) ray at maximum field angle is sufficient to determine the suitability of a surface, the criterion being that, the smaller the angle of incidence at the surface, the better. In addition, we found that, with the filter on the second surface of the Paxar, spectral transmittance changes with field angle were negligible and the modulation due to polarization was about 1 %.

Approved for public release, distribution is unlimited / Terrain classification is studied here using the tool of texture analysis of high-spatial resolution panchromatic imagery. This study analyzes the impact and effectiveness of texture analysis on terrain classification within the Elkhorn Slough Estuary and surrounding farmlands within the central California coastal region. Ikonos panchromatic (1 meter) and multispectral (4 meter) imagery data are examined to determine the impact of adding texture analysis to the standard MSI classification approaches. Spectral Angle Mapper and Maximum Likelihood classifiers are used. Overall accuracy rates increased with the addition of the texture processing. The classification accuracy rate rose from 81.0% for the MSI data to 83.9% when the additional texture measures were added. Modest accuracy (55%) was obtained from texture analysis alone. The addition of textural data also enhanced the classifier's ability to discriminate between several different woodland classes contained within the image. / Lieutenant Commander, United States Navy

L'imagerie optique multispectrale du signal intrinsèque permet d'estimer les variations des paramètres hémodynamiques à partir de la collecte des fluctuations de réflectance, à au moins deux longueurs d'onde, induites par une activation cérébrale. Cette thèse propose une étude méthodologique et instrumentale mais aussi une validation in vivo des développements entrepris. Le calcul des paramètres hémodynamiques nécessite l'application d'une loi de Beer-Lambert modifiée introduisant un terme crucial pour la précision du calcul des variations des paramètres hémodynamiques, le DP, que nous avons estimé par simulation Monte Carlo pour les modèles du cortex somatosensoriel et du bulbe olfactif de rat. Nous montrons ainsi que les variations d'absorption, de diffusion ou d'anisotropie n'influe pas sur les valeurs de DP en dessous de 630 nm, que la géométrie et les propriétés optiques des structures a un impact sur celles-ci. Ainsi, le calcul des DP pour chaque structure cérébrale est indispensable. En outre, le choix des longueurs d'onde d'illumination est décisif et s'apprécie en fonction de deux paramètres, la diaphonie et le séparabilité qui ont été calculés pour déterminer les couples et les triplets de longueurs d'onde optimaux pour l'étude du bulbe olfactif de rat. Il apparaît que les valeurs de séparabilité sont négligeables en raison de la forte absorptivité des tissus biologiques dans le visible et que le choix des combinaisons optimales peut se faire en se basant seulement sur les valeurs de diaphonie. La deuxième étape a consisté à construire un banc d'imagerie multispectrale performant et à le valider ainsi que l'étude méthodologique. Les résultats in vivo montrent une différence flagrante des signaux de réflectance et hémodynamiques entre le cortex somatosensoriel et le bulbe olfactif dont l'origine physique et/ou biologique est discutée. / Multispectral imaging of intrinsic optical signal allows to estimate changes in hemodynamic parameters from the collection of reflectance fluctuations, at least with two wavelengths, induced by cerebral activation. This thesis proposes methodological and instrumental studies but also in vivo validation of developments undertaken. The calculation of hemodynamic parameters requires the application of a modified Beer-Lambert law introducing a crucial term for accuracy of hemodynamic parameters changes calculation, the DP, which had been estimated using Monte Carlo simulation models of the somatosensory cortex and olfactory bulb of rats. We show that the variations of absorption, diffusion or anisotropy does not affect the values of DP, whereas geometry and optical properties of the structures have an great impact on them. Thus, calculation of DP for each studied brain structure is essential. In addition, the choice of wavelength illumination is critical and appreciated in terms of two parameters, crosstalk and separability. Pairs and triplets of optimal wavelengths for rat olfactory bulb study were calculated. It appears that the separability values are negligible due to the high absorptivity of biological tissues in the visible and the choice of optimal combinations can be based only on the values of crosstalk. The second step was to build a bench multispectral imaging performance, to validate it and methodological study. The results show a striking difference hemodynamic and reflectance signals between somatosensory cortex and olfactory bulb, which physical origin and/or biological is discussed.

Cette thèse porte sur l’application des images multispectrales pour l’analyse des matériaux utilisés dans une peinture par comparaison avec la photographie traditionnelle de fluorescence induite par rayons UV et la réflectoraphgie infrarouge. L’application des images multispectrales à l'étude des matériaux picturaux a été appuyée par d'autres techniques analytiques telles que la spectroscopie de réflectance et de fluorescence, la spectroscopie de fluorescence X, la spectroscopie d'absorption UV-visible et la spectroscopie infrarouge transformée de Fourier en réflectance totale atténuée. L’imagerie multispectrale a été testée comme outil de laboratoire d’identification des matériaux picturaux. Ainsi, des couches de peinture constituées de pigments (anciens et modernes), de liants (œufs et l’huile de lin) et de vernis naturels ont été analysées. Pour les matériaux organiques, des expériences de vieillissement accéléré (photodégradation et dégradation thermique) ont permis de modéliser les changements optiques et chimiques intervenant au cours de la vie d’un tableau. De plus, une analyse diagnostique a été réalisée sur deux tableaux conservés à « Accademia di San Luca » (Rome) par photographie de fluorescence induite par rayonnement UV, radiographie, spectroscopie de réflectance, spectroscopie de fluorescence X, images de fluorescence UV et réflectance multispectrale, réflectographie infrarouge multispectrale. Par rapport aux techniques traditionnelles, les images multispectrales permettent d’analyser de nombreuses régions spectrales qui, dans certains cas, permettent d’identifier le pigment et/ou des zones non homogènes de la couche superficielle picturale. Certaines gammes de longueurs d’onde infrarouge permettent notamment de voir les détails des différentes couches préparatoires, amenant à une analyse plus précise de la technique d’exécution. Cependant, une des limites des images multispectrales concerne l’identification des mélanges complexes et/ou des différentes strates de matériaux en fonction du type de filtre utilisé. / This thesis focus on the application of multispectral images for the analysis of pictorial materials in comparison with the traditional UV-fluorescence photography and infrared reflectography. The assessment of multispectral imaging for the study of pictorial materials was supported by other analytical techniques such as reflectance and fluorescence spectroscopy, X-Ray Fluorescence (XRF), UV-visible absorption spectroscopy and Total Attenuated Reflectance - Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR). The multispectral imaging was tested on swatches of pictorial layers (constituted by ancient and modern pigment), binders (egg and linseed oil) and natural varnishes. For the organic materials, accelerated ageing methods (photo-chemical and thermal degradation) were used to model the optical and chemical changes occurring during the lifetime of a painting. In addition, a diagnostic investigation was performed on two paintings placed in "Accademia di San Luca" (Rome) by means of UV-fluorescence photography, radiography, reflectance spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy, UV-VIS-NIR multispectral imaging. Multispectral images, comparing to traditional techniques, permit to individuate specific spectral behaviors, and, in some cases, identify the pigment and/or non-homogeneous areas of the pictorial or varnish layers. The possibility to select some infrared wavelengths allows to see details of the preparatory layers, leading to a more accurate analysis of the technique of execution. However, the limitations of multispectral images for the identification of complex mixtures and/or different layers of materials depending on the type of filter used.

Les peuplements forestiers sont une unité de mesure de base pour l'inventaire forestier et la cartographie. Ils sont définis comme de grandes zones forestières (par exemple, de plus de 2 ha) et de composition homogène en terme d'essence d'arbres et d'âge. Leur délimitation précise est généralement effectuée par des opérateurs humains grâce à une analyse visuelle d'images infrarouges à très haute résolution (VHR). Cette tâche est fastidieuse, nécessite beaucoup de temps et doit être automatisée pour un suivi de l'évolution et une mise à jour efficace. Une méthode fondée sur la fusion des données lidar aéroportées et des images multispectrales VHR est proposée pour la délimitation automatique des peuplements forestiers contenant une essence dominante (pureté supérieure à 75%). C'est une principale tâche préliminaire pour la mise à jour de la base de données de la couverture forestière. Les images multispectrales donnent des informations sur les espèces d'arbres alors que les nuages de point Lidar 3D fournissent des informations géométriques sur les arbres et permettent leur extraction individuelle. Les attributs multimodaux sont calculées, à la fois au niveau des pixels et des objets (groupements de pixels ayant une taille similaire aux arbres). Une classification supervisée est ensuite effectuée au niveau de l'objet afin de discriminer grossièrement les espèces d'arbres existantes dans chaque zone d'intérêt. Les résultats de la classification sont ensuite traités pour obtenir des zones homogènes avec des bordures lisses par la minimisation d'une énergie, où des contraintes supplémentaires sont proposées pour former la fonction énergie à minimiser. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode proposée fournit des résultats très satisfaisants en termes d'étiquetage et de délimitation, et ce pour des régions géographiquement très éloignées / Forest stands are the basic units for forest inventory and mapping. Stands are defined as large forested areas (e.g., 2 ha) of homogeneous tree species composition and age. Their accurate delineation is usually performed by human operators through visual analysis of very high resolution (VHR) infra-red images. This task is tedious, highly time consuming, and should be automated for scalability and efficient updating purposes. A method based on the fusion of airborne lidar data and VHR multispectral images is proposed for the automatic delineation of forest stands containing one dominant species (purity superior to 75%). This is the key preliminary task for forest land-cover database update. The multispectral images give information about the tree species whereas 3D lidar point clouds provide geometric information on the trees and allow their individual extraction. Multi-modal features are computed, both at pixel and object levels: the objects are groups of pixels having a size similar to trees. A supervised classification is then performed at the object level in order to coarsely discriminate the existing tree species in each area of interest. The classification results are further processed to obtain homogeneous areas with smooth borders by employing an energy minimum framework, where additional constraints are joined to form the energy function. The experimental results show that the proposed method provides very satisfactory results both in terms of stand labeling and delineation, even for spatially distant regions