Dans le cadre de l'acquisition de l'information de profondeur de scènes texturées, un processus d'estimation de la profondeur basé sur la méthode de reconstruction 3D " Shape from Focus " est présenté dans ce manuscrit. Les deux étapes fondamentales de cette approche sont l'acquisition de la séquence d'images de la scène par sectionnement optique et l'évaluation de la netteté locale pour chaque pixel des images acquises. Deux systèmes d'acquisition de cette séquence d'images sont présentés ainsi que les traitements permettant d'exploiter celle-ci pour la suite du processus d'estimation de la profondeur. L'étape d'évaluation de la netteté des pixels passe par la comparaison des différents opérateurs de mesure de netteté. En plus des opérateurs usuels, deux nouveaux opérateurs basés sur les descripteurs généralisés de Fourier sont proposés. Une méthode nouvelle et originale de comparaison est développée et permet une analyse approfondie de la robustesse à différents paramètres des divers opérateurs. Afin de proposer une automatisation du processus de reconstruction, deux méthodes d'évaluation automatique de la netteté sont détaillées. Finalement, le processus complet de reconstruction est appliqué à des scènes agronomiques, mais également à une problématique du domaine de l'analyse de défaillances de circuits intégrés afin d'élargir les domaines d'utilisation

Nous nous intéressons au problème de la reconstruction tridimensionnelle d'objets complexes à partir de coupes sériées. Le premier chapitre du mémoire s'attache à montrer l'intérêt de mettre à la disposition de la modélisation géologique 3D un ensemble d'outils variés et notamment des méthodes d'interpolation et de reconstruction adaptées. Le second chapitre pose la problématique générale de la reconstruction 3D et propose un état de l'art sur les méthodes existantes. Ces deux chapitres composent la première partie du manuscrit. Dans la deuxième partie du mémoire nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction 3D qui permet de traiter de manière simple et automatique l'ensemble des problèmes de topologie (trous, branchements multiples, contours isolés). Elle s'appuie sur la construction adaptative de coupes intermédiaires par interpolation entre les sections initiales (chapitre 3). Ce processus utilise un diagramme de Voronoï généralisé simplifié, le réseau bissecteur, comme outil d'interpolation 2D. Nous fournissons une description géométrique complète du réseau bissecteur 2D et nous montrons que sa complexité algébrique est la même que celle des éléments qui permettent de le calculer (segments en 2D, portions de plans en 3D). Nous proposons ensuite deux algorithmes de construction des réseaux bissecteurs interne et externe de formes polygonales éventuellement trouées, dont la complexité en temps est respectivement en O(n2 log n) et O(n2), et la mémoire en O(n2) et O(n) respectivement (chapitre 4). La mise en correspondance des contours est abordée dans le chapitre 5 et nous suggérons quelques solutions pour traiter certains problèmes délicats. La construction du réseau bissecteur permet ensuite d'obte~ir une surface valide de l'objet en guidant de manière directe la triangulation entre les points des différentes sections. Il n'y a donc pas besoin de post-traitements. De plus, l'ajout automatique de portions de coupes intermédiaires dans les zones de changements de topologie ou de variations de morphologie permet une meilleure définition des surfaces générées (chapitre 6). Dans la dernière partie du mémoire nous discutons les résultats obtenus et nous les comparons avec ceux de deux méthodes existantes (chapitre 7).

L’observation de la Terre par des systèmes d’acquisition d’images permet de suivre l’évolution temporelle de phénomènes naturels tels que les séismes, les volcans ou les mouvements gravitaires. Différentes techniques existent dont l’imagerie satellitaire, la photogrammétrie terrestre et les mesures in-situ. Les séries temporelles d’images issues d’appareils photo automatiques (Time Lapse) sont une source d’informations en plein essor car elles offrent un compromis intéressant en termes de couverture spatiale et de fréquence d’observation pour mesurer les déplacements de surface de zones spécifiques. Cette thèse est consacrée à l’analyse de séries d’images issues de la photographie terrestre et de l’imagerie radar satellitaire pour la mesure du déplacement des glaciers Alpins. Nous nous intéressons en particulier aux problèmes du traitement de Time Lapse stéréo pour le suivi d’objets géophysiques dans des conditions terrain peu favorables à la photogrammétrie. Nous proposons une chaîne de traitement mono-caméra qui comprend les étapes de sélection automatique des images, de recalage et de calcul de champs de déplacement bidimensionnel (2D). L’information apportée par les couples stéréo est ensuite exploitée à l’aide du logiciel MICMAC pour reconstruire le relief et obtenir le déplacement tridimensionnel(3D). Plusieurs couples d’images radar à synthèse d’ouverture (SAR) ont également été traités à l’aide des outils EFIDIR pour obtenir des champs de déplacement 2D dans la géométrie radar sur des orbites ascendantes ou descendantes. La combinaison de mesures obtenues quasi-simultanément sur ces deux types d’orbites permet de reconstruire le déplacement 3D. Ces méthodes ont été mises en oeuvre sur des séries de couples stéréo acquis par deux appareils photo automatiques installés sur la rive droite du glacier d’Argentière et sur des images du satellite TerraSAR-X couvrant le massif du Mont-Blanc. Les résultats sont présentés sur des données acquises lors d’une expérimentation multi-instruments menée en collaboration avec l’IGN à l’automne 2013, incluant le déploiement d’un réseau de Géocubes qui ont fournit des mesures GPS. Elles sont utilisées pour évaluer la précision des résultats obtenus par télédétection proximale et spatiale sur ce type de glacier. / Earth observation by image acquisition systems allows the survey of temporal evolution of natural phenomena such as earthquakes, volcanoes or gravitational movements. Various techniques exist including satellite imagery, terrestrial photogrammetry and in-situ measurements. Image time series from automatic cameras (Time Lapse) are a growing source of information since they offer an interesting compromise in terms of spatial coverage and observation frequency in order to measure surface motion in specific areas. This PhD thesis is devoted to the analysis of image time series from terrestrial photography and satellite radar imagery to measure the displacement of Alpine glaciers. We are particularly interested in Time Lapse stereo processing problems for monitoring geophysical objects in unfavorable conditions for photogrammetry. We propose a single-camera processing chain that includes the steps of automatic photograph selection, coregistration and calculation of two-dimensional (2D) displacement field. The information provided by the stereo pairs is then processed using the MICMAC software to reconstruct the relief and get the three-dimensional (3D) displacement. Several pairs of synthetic aperture radar (SAR) images were also processed with the EFIDIR tools to obtain 2D displacement fields in the radar geometry in ascending or descending orbits. The combination of measurements obtained almost simultaneously on these two types of orbits allows the reconstruction of the 3D displacement. These methods have been implemented on time series of stereo pairs acquired by two automatic cameras installed on the right bank of the Argentière glacier and on TerraSAR-X satellite images covering the Mont-Blanc massif. The results are presented on data acquired during a multi-instrument experiment conducted in collaboration with the French Geographic National Institute (IGN) during the fall of 2013,with a network of Géocubes which provided GPS measurements. They are used to evaluate the accuracy of the results obtained by proximal and remote sensing on this type of glacier.

Ce travail porte sur l’étude de la dégradation des convertisseurs électrochimiques haute température à oxydes solides. Une approche couplant des tests électrochimiques, des caractérisations post-mortem avancées et une modélisation multi-échelle a été mise en place afin d’établir les liens entre les performances, la microstructure des électrodes et leur dégradation. Dans ce but, des essais de durabilité de plus de mille heures ont été menés dans différentes conditions opératoires. La microstructure des électrodes a été reconstruite par nano-holotomographie des rayons X pour la cellule de référence avant et après vieillissement. Une attention particulière a été apportée à la mesure de la résolution spatiale et à la fiabilisation du protocole expérimental. Grâce aux volumes 3D, les propriétés microstructurales de l’électrode H2 en Ni-YSZ ont été quantifiées pour les cellules à l’état initial et vieillies. Un modèle physique d’agglomération des particules de Nickel a ensuite été ajusté sur les analyses tridimensionnelles et intégré dans une structure de modélisation multi-échelle développée au laboratoire. Il a auparavant été nécessaire de compléter l’outil numérique avec un module spécifique dédié aux matériaux composant l’électrode à oxygène fait avec un conducteur mixte ionique-électronique. Une fois le modèle validé sur des courbes de polarisation expérimentales, il a été utilisé pour quantifier la contribution de l’agglomération du Nickel sur les pertes de performances mesurées expérimentalement en mode pile à combustible et électrolyse. / This work aims at a better understanding of the high temperature Solid Oxide Cells degradation. An approach based on electrochemical tests, advanced post-test characterizations and multi-scale models has been used to investigate the links between the performances, the electrodes microstructure and their degradation. In that goal, long-term durability tests have been performed over thousand hours in different operating conditions. Electrode microstructures have been reconstructed by X-ray nano-holotomography for the pristine and the aged cells. It is worth noting that a special attention has been paid to improve both the process reliability for the tomographic experiments as well as the spatial resolution of the 3D reconstructed images. Thanks to the valuable 3D volumes, the Ni-YSZ microstructural properties of the H2 electrode have been quantified for the fresh and the aged samples. Then, a physically-based model for Nickel particle agglomeration has been adjusted on the microstructural parameters obtained by the 3D analysis and implemented in an in-house multi-scale modelling framework. Beforehand, it has been necessary to enrich the available numerical tool with a specific module dedicated to the oxygen electrode made in Mixed Ionic Electronic Conducting materials. Once validated on polarisation curves, the completed model has been used to quantify the contribution of Nickel agglomeration on the experimental degradation rates recorded in fuel cell and electrolysis modes.

La reconstruction 3D d’objets à partir de plusieurs images est un objectif important de la vision par ordinateur. Elle a été largement étudiée pour les objets rigides et non rigides (ou déformables). Le Structure-from-Motion (SfM) est un algorithme qui effectue la reconstruction 3D d’objets rigides en utilisant le mouvement visuel entre plusieurs images obtenues à l’aide d’une caméra en mouvement. Le SfM est une solution très précise et stable. La reconstruction 3D déformable a été largement étudiée pour les images monoculaires (obtenues à partir d’une seule caméra) mais reste un problème ouvert. Les méthodes actuelles exploitent des indices visuels tels que le mouvement visuel inter-image et l’ombrage afin de construire un algorithme de reconstruction. Cette thèse se concentre sur l’utilisation du mouvement visuel inter-image pour résoudre ce problème. Deux types de scénarios existent dans la littérature : 1) le Non-Rigid Structure-from-Motion (NRSfM) et 2) le Shape-from-Template (SfT). L’objectif du NRSfM est de reconstruire plusieurs formes d’un objet déformable tel qu’il apparaît dans plusieurs images, alors que le SfT (également appelé reconstruction à partir d’un modèle de référence) utilise une seule image d’un objet déformé et son modèle 3D de référence (une forme 3D texturée de l’objet dans une configuration) pour estimer la forme déformée de l’objet. (...) / Reconstructing the 3D shape of objects from multiple images is an important goal in computer vision and has been extensively studied for both rigid and non-rigid (or deformable) objects. Structure-from-Motion (SfM) is an algorithm that performs the 3D reconstruction of rigid objects using the inter-image visual motion from multiple images obtained from a moving camera. SfM is a very accurate and stable solution. Deformable 3D reconstruction, however, has been widely studied for monocular images (obtained from a single camera) and still remains an open research problem. The current methods exploit visual cues such as the inter-image visual motion and shading in order to formalise a reconstruction algorithm. This thesis focuses on the use of the inter-image visual motion for solving this problem. Two types of scenarios exist in the literature: 1) Non-Rigid Structure-from-Motion (NRSfM) and 2) Shape-from-Template (SfT). The goal of NRSfM is to reconstruct multiple shapes of a deformable object as viewed in multiple images while SfT (also referred to as template-based reconstruction) uses a single image of a deformed object and its 3D template (a textured 3D shape of the object in one configuration) to recover the deformed shape of the object. We propose an NRSfM method to reconstruct the deformable surfaces undergoing isometric deformations (the objects do not stretch or shrink under an isometric deformation) using Riemannian geometry. This allows NRSfM to be expressed in terms of Partial Differential Equations (PDE) and to be solved algebraically. We show that the problem has linear complexity and the reconstruction algorithm has a very low computational cost compared to existing NRSfM methods. This work motivated us to use differential geometry and Cartan’s theory of connections to model NRSfM, which led to the possibility of extending the solution to deformations other than isometry. In fact, this led to a unified theoretical framework for modelling and solving both NRSfM and SfT for various types of deformations. In addition, it also makes it possible to have a solution to SfT which does not require an explicit modelling of deformation. An important point is that most of the NRSfM and SfT methods reconstruct the thin-shell surface of the object. The reconstruction of the entire volume (the thin-shell surface and the interior) has not been explored yet. We propose the first SfT method that reconstructs the entire volume of a deformable object.

La création d'informations 3D denses à partir d'images endoscopiques intraopératoires, ainsi que le calcul de la position relative de la caméra endoscopique, sont des éléments fondamentaux pour un guidage de qualité durant la chirurgie guidée par l'image. Par exemple, cela permet de superposer modèle pré-opératoire via la réalité augmentée. Cette thèse présente une approche pour l'estimation de ces deux information basées sur une approche de localisation et cartographie simultanées (SLAM). Nous découplons la reconstruction dense de l'estimation de la trajectoire de la caméra, aboutissant à un système qui combine la précision du SLAM, et une reconstruction plus complète. Les solutions proposées dans cette thèse ont été validées sur de séquences porcines provenant de différents ensembles de données. Ces solutions n'ont pas besoin de matériel de suivi externe ni d'intervention. Les seules entrées nécessaires sont les trames vidéo d'un endoscope monoculaire. / Recovering dense 3D information from intra-operative endoscopic images together with the relative endoscope camera pose are fundamental blocks for accurate guidance and navigation in image-guided surgery. They have several important applications, e.g., augmented reality overlay of pre-operative models. This thesis provides a systematic approach for estimating these two pieces of information based on a pure vision Simultaneous Localization And Mapping (SLAM). We decouple the dense reconstruction from the camera trajectory estimation, resulting in a system that combines the accuracy and robustness of feature-based SLAM with the more complete reconstruction of direct SLAM methods. The proposed solutions in this thesis have been validated on real porcine sequences from different datasets and proved to be fast and do not need any external tracking hardware nor significant intervention from medical staff. The sole input is video frames of a standard monocular endoscope.

L’objectif de ce travail est d’obtenir un modèle 3D d’un objet à partir d’une série d’images prisesavec un Microscope Electronique à Balayage (MEB). Pour cela, nous utilisons la technique dereconstruction 3D qui est une application bien connue du domaine de vision par ordinateur.Cependant, en raison des spécificités de la formation d’images dans le MEB et dans la microscopieen général, les techniques existantes ne peuvent pas être appliquées aux images MEB. Lesprincipales raisons à cela sont la projection parallèle et les problèmes d’étalonnage de MEB entant que caméra. Ainsi, dans ce travail, nous avons développé un nouvel algorithme permettant deréaliser une reconstruction 3D dans le MEB tout en prenant en compte ces difficultés. De plus,comme la reconstruction est obtenue par auto-étalonnage de la caméra, l’utilisation des mires n’estplus requise. La sortie finale des techniques présentées est un nuage de points dense, pouvant donccontenir des millions de points, correspondant à la surface de l’objet. / The goal of this work is to obtain a 3D model of an object from its multiple views acquired withScanning Electron Microscope (SEM). For this, the technique of 3D reconstruction is used which isa well known application of computer vision. However, due to the specificities of image formation inSEM, and in microscale in general, the existing techniques are not applicable to the SEM images. Themain reasons for that are the parallel projection and the problems of SEM calibration as a camera.As a result, in this work we developed a new algorithm allowing to achieve 3D reconstruction in SEMwhile taking into account these issues. Moreover, as the reconstruction is obtained through cameraautocalibration, there is no need in calibration object. The final output of the presented techniques isa dense point cloud corresponding to the surface of the object that may contain millions of points.

Cette thèse, consacrée à la mesure endoscopique de formes tridimensionnelle, se place dans un double contexte applicatif : tout d'abord industriel, avec l'inspection endoscopique de pièces mécaniques en milieu contraint (notamment tubulaire) à des résolutions micrométriques. Le second contexte est médical avec la détection de formes tridimensionnelle lors de coloscopies pour l'aide au diagnostic. L'endoscopie souple est obtenue par l'utilisation de guides optiques, la méthode de mesure tridimensionnelle est basée sur la stéréovision active avec la génération de lumière structurée par une matrice de micro-miroirs. Après avoir établi l'état de l'art, une méthode de conception et d'évaluation optique appliquée à la stéréovision en endoscopie souple est décrite. C'est ensuite la réalisation instrumentale, son évaluation métrologique, et une méthode innovante de basculement de modes dynamique entre stéréovision active et passive qui sont détaillées. Des méthodes algorithmiques de reconstruction tridimensionnelle adaptées à ce type d'instrument sont enfin proposées. Les contributions scientifiques de cette étude sont multiples. Une méthode d'analyse optique basée sur l'utilisation de fonctions de transfert de modulation pour la conception d'un endoscope mesurant par stéréovision est proposée. Des méthodes de traitement d'image pour un étalonnage robuste malgré une défocalisation optique ainsi qu'un nouvel algorithme à décalage de phase constituent également des contributions de l'étude. L'association de ces méthodes a permis d'extraire un principe de réalisation permettant la mesure tridimensionnelle par endoscopie souple. / This thesis aims at developing a tri-dimensional measurement endoscopic device in a double context: the first one is industrial with endoscopic inspection of mechanical pieces (tubular inspection, for example) at micrometric resolution. The second context is medical with tri-dimensional shape detection during colonoscopy to help the surgeon diagnosis. In this study, flexible endoscopy is made possible by using image guides and the tri-dimensional reconstruction method is based on active stereovision where a digital micro-mirror device is used to spatially structure the incoming light. After developing the state of the art, an optical conception and evaluation method, applied to stereovision for flexible endoscopic devices is described. The instrumental realization is then detailed and metrologically evaluated. An innovative method that allows to switch dynamically between active and passive stereovision is then detailed. Finally, 3D reconstruction algorithms adapted to this endoscopic instrument are proposed. The scientific contributions of this study are multiple. Firstly, an optical analysis method based on the modulation transfer function to design an endoscopic stereovision system is proposed. An image processing method for robust calibration in a defocused optical environment and a new phase-shifting algorithm for 3D reconstruction are proposed. Finally, a realization principle for 3D measurement in flexible endoscopy was extracted from the combination of all these methods.

Cette thèse traite de la reconstruction tridimensionnelle d’une scène rigide à partir d’une collection de photographies numériques, dites vues. Le problème traité est connu sous le nom du "calcul de la structure et du mouvement" (structure-and/from-motion) qui consiste à "expliquer" des trajectoires de points dits d’intérêt au sein de la collection de vues par un certain mouvement de l’appareil (dont sa trajectoire) et des caractéristiques géométriques tridimensionnelles de la scène. Dans ce travail, nous proposons les fondements théoriques pour étendre certaines méthodes de calcul de la structure et du mouvement afin d’intégrer comme données d’entrée, des points d’intérêt réels et des points d’intérêt complexes, et plus précisément des images de points cycliques. Pour tout plan projectif, les points cycliques forment une paire de points complexes conjugués qui, par leur invariance par les similitudes planes, munissent le plan projectif d’une structure euclidienne. Nous introduisons la notion de marqueurs cycliques qui sont des marqueurs plans permettant de calculer sans ambiguïté les images des points cycliques de leur plan de support dans toute vue. Une propriété de ces marqueurs, en plus d’être très "riches" en information euclidienne, est que leurs images peuvent être appariées même si les marqueurs sont disposés arbitrairement sur des plans parallèles, grâce à l’invariance des points cycliques. Nous montrons comment utiliser cette propriété dans le calcul projectif de la structure et du mouvement via une technique matricielle de réduction de rang, dite de factorisation, de la matrice des données correspondant aux images de points réels, complexes et/ou cycliques. Un sous-problème critique abordé dans le calcul de la structure et du mouvement est celui de l’auto-calibrage de l’appareil, problème consistant à transformer un calcul projectif en un calcul euclidien. Nous expliquons comment utiliser l’information euclidienne fournie par les images des points cycliques dans l’algorithme d’auto-calibrage opérant dans l’espace projectif dual et fondé sur des équations linéaires. L’ensemble de ces contributions est finalement utilisé pour une application de suivi automatique de caméra utilisant des marqueurs formés par des couronnes concentriques (appelés CCTags), où il s’agit de calculer le mouvement tridimensionnel de la caméra dans la scène à partir d’une séquence vidéo. Ce type d’application est généralement utilisé dans l’industrie du cinéma ou de la télévision afin de produire des effets spéciaux. Le suivi de caméra proposé dans ce travail a été conçu pour proposer le meilleur compromis possible entre flexibilité d’utilisation et précision des résultats obtenus. / The thesis deals with the problem of 3D reconstruction of a rigid scene from a collection of views acquired by a digital camera. The problem addressed, referred as the Structure-from-Motion (SfM) problem, consists in computing the camera motion (including its trajectory) and the 3D characteristics of the scene based on 2D trajectories of imaged features through the collection. We propose theoretical foundations to extend some SfM paradigms in order to integrate real as well as complex imaged features as input data, and more especially imaged circular points. Circular points of a projective plane consist in a complex conjugate point-pair which is fixed under plane similarity ; thus endowing the plane with an Euclidean structure. We introduce the notion of circular markers which are planar markers that allows to compute, without any ambiguity, imaged circular points of their supporting plane in all views. Aside from providing a very “rich” Euclidean information, such features can be matched even if they are arbitrarily positioned on parallel planes thanks to their invariance under plane similarity ; thus increasing their visibility compared to natural features. We show how to benefit from this geometric property in solving the projective SfM problem via a rank-reduction technique, referred to as projective factorization, of the matrix whose entries are images of real, complex and/or circular features. One of the critical issues in such a SfM paradigm is the self-calibration problem, which consists in updating a projective reconstruction into an euclidean one. We explain how to use the euclidean information provided by imaged circular points in the self-calibration algorithm operating in the dual projective space and relying on linear equations. All these contributions are finally used in an automatic camera tracking application relying on markers made up of concentric circles (called C2Tags). The problem consists in computing the 3D camera motion based on a video sequence. This kind of application is generally used in the cinema or TV industry to create special effects. The camera tracking proposed in this work in designed in order to provide the best compromise between flexibility of use and accuracy.

Cette thèse traite de la reconstruction 3D par stéréophotométrie, qui consiste à utiliser plusieurs photographies d'une scène prises sous le même angle, mais sous différents éclairages. Nous nous intéressons dans un premier temps à des techniques robustes pour l'estimation des normales à la surface, et pour leur intégration en une carte de profondeur. Nous étudions ensuite deux situations où le problème est mal posé : lorsque les éclairages sont inconnus, ou lorsque seuls deux éclairages sont utilisés. La troisième partie est consacrée à l'étude de modèles plus réalistes, à la fois en ce qui concerne les éclairages et la réflectance de la surface. Ces trois premières parties nous amènent aux limites de la formulation classique de la stéréophotométrie : nous introduisons finalement, dans la partie 4, une reformulation variationnelle et différentielle du problème qui permet de dépasser ces limites. / This thesis tackles the photometric stereo problem, a 3D-reconstruction technique consisting in taking several pictures of a scene under different lightings. We first focus on robust techniques for estimating the normals to the surface, and for integrating these normals into a depth map. Then, we study two situations where the problem is ill-posed: when lightings are unknown and when only two images are used. Part 3 is devoted to more realistic models, in terms of lightings and of surface reflectance. These first three parts bring us to the limits of the usual formulation of photometric stereo: we eventually introduce in Part 4 a variational and differential reformulation of this problem which allows us to overcome these limits.