De nombreux scanners laser permettent d'obtenir la surface 3D a partir d'un objet. Néanmoins, la surface reconstruite est souvent lisse, ce qui est du au débruitage interne du scanner et aux décalages entre les scans. Cette these utilise des scans haute precision et choisit de ne pas perdre ni alterer les echantillons initiaux au cours du traitement afin de les visualiser. C'est en effet la seule façon de decouvrir les imperfections (trous, decalages de scans). De plus, comme les donnees haute precision capturent meme le plus leger detail, tout debruitage ou sous-echantillonnage peut amener a perdre ces details.La these s'attache a prouver que l'on peut trianguler le nuage de point initial en ne perdant presque aucun echantillon. Le probleme de la visualisation exacte sur des donnees de plus de 35 millions de points et de 300 scans differents est ainsi resolu. Deux problemes majeurs sont traites: le premier est l'orientation du nuage de point brut complet et la creation d'un maillage. Le second est la correction des petits decalages entre les scans qui peuvent creer un tres fort aliasing et compromettre la visualisation de la surface. Le second developpement de la these est une decomposition des nuages de points en hautes/basses frequences. Ainsi, des methodes classiques pour l'analyse d'image, l'arbre des ensembles de niveau et la representation MSER, sont etendues aux maillages, ce qui donne une methode intrinseque de segmentation de maillages. Une analyse mathematiques d'operateurs differentiels discrets, proposes dans la litterature et operant sur des nuages de points est realisee. En considerant les developpements asymptotiques de ces operateurs sur une surface reguliere, ces operateurs peuvent etre classifies. Cette analyse amene au developpement d'un operateur discret consistant avec Ie mouvement par courbure moyenne (l'equation de la chaleur intrinseque) definissant ainsi un espace-echelle numerique simple et remarquablement robuste. Cet espace-echelle permet de resoudre de maniere unifiee tous les problemes mentionnes auparavant (orientation et triangulation du nuage de points, fusion de scans, segmentation de maillages) qui sont ordinairement traites avec des techniques distinctes. / Many laser devices acquire directly 3D objects and reconstruct their surface. Nevertheless, the final reconstructed surface is usually smoothed out as a result of the scanner internal de-noising process and the offsets between different scans. This thesis, working on results from high precision scans, adopts the somewhat extreme conservative position, not to loose or alter any raw sample throughout the whole processing pipeline, and to attempt to visualize them. Indeed, it is the only way to discover all surface imperfections (holes, offsets). Furthermore, since high precision data can capture the slightest surface variation, any smoothing and any sub-sampling can incur in the loss of textural detail.The thesis attempts to prove that one can triangulate the raw point cloud with almost no sample loss. It solves the exact visualization problem on large data sets of up to 35 million points made of 300 different scan sweeps and more. Two major problems are addressed. The first one is the orientation of the complete raw point set, an the building of a high precision mesh. The second one is the correction of the tiny scan misalignments which can cause strong high frequency aliasing and hamper completely a direct visualization.The second development of the thesis is a general low-high frequency decomposition algorithm for any point cloud. Thus classic image analysis tools, the level set tree and the MSER representations, are extended to meshes, yielding an intrinsic mesh segmentation method.The underlying mathematical development focuses on an analysis of a half dozen discrete differential operators acting on raw point clouds which have been proposed in the literature. By considering the asymptotic behavior of these operators on a smooth surface, a classification by their underlying curvature operators is obtained.This analysis leads to the development of a discrete operator consistent with the mean curvature motion (the intrinsic heat equation) defining a remarkably simple and robust numerical scale space. By this scale space all of the above mentioned problems (point set orientation, raw point set triangulation, scan merging, segmentation), usually addressed by separated techniques, are solved in a unified framework.

De nombreuses applications en vision par ordinateur comme le filtrage, la segmentation d'images, et la stéréovision peuvent être formulées comme des problèmes d'optimisation. Récemment les méthodes discrètes, convexes, globalement optimales ont reçu beaucoup d'attention. La méthode des "graph cuts'", très utilisée en vision par ordinateur est basée sur la résolution d'un problème de flot maximum discret, mais les solutions souffrent d'un effet de blocs,notamment en segmentation d'images. Une nouvelle formulation basée sur le problème continu est introduite dans le premier chapitre et permet d'éviter cet effet. La méthode de point interieur employée permet d'optimiser le problème plus rapidement que les méthodes existantes, et la convergence est garantie. Dans le second chapitre, la formulation proposée est efficacement étendue à la restauration d'image. Grâce à une approche du à la contrainte et à un algorithme proximal parallèle, la méthode permet de restaurer (débruiter, déflouter, fusionner) des images rapidement et préserve un meilleur contraste qu'avec la méthode de variation totale classique. Le chapitre suivant met en évidence l'existence de liens entre les méthodes de segmentation "graph-cuts'", le "randomwalker'', et les plus courts chemins avec un algorithme de segmentation par ligne de partage des eaux (LPE). Ces liens ont inspiré un nouvel algorithme de segmentation multi-labels rapide produisant une ligne de partage des eaux unique, moins sensible aux fuites que la LPE classique. Nous avons nommé cet algorithme "LPE puissance''. L'expression de la LPE sous forme d'un problème d'optimisation a ouvert la voie à de nombreuses applications possibles au delà de la segmentation d'images, par exemple dans le dernier chapitre en filtrage pour l'optimisation d'un problème non convexe, en stéréovision, et en reconstruction rapide de surfaces lisses délimitant des objets à partir de nuages de points bruités / Many computer vision applications such as image filtering, segmentation and stereovision can be formulated as optimization problems. Recently discrete, convex, globally optimal methods have received a lot of attention. Many graph-based methods suffer from metrication artefacts, segmented contours are blocky in areas where contour information is lacking. In the first part of this work, we develop a discrete yet isotropic energy minimization formulation for the continuous maximum flow problem that prevents metrication errors. This new convex formulation leads us to a provably globally optimal solution. The employed interior point method can optimize the problem faster than the existing continuous methods. The energy formulation is then adapted and extended to multi-label problems, and shows improvements over existing methods. Fast parallel proximal optimization tools have been tested and adapted for the optimization of this problem. In the second part of this work, we introduce a framework that generalizes several state-of-the-art graph-based segmentation algorithms, namely graph cuts, random walker, shortest paths, and watershed. This generalization allowed us to exhibit a new case, for which we developed a globally optimal optimization method, named "Power watershed''. Our proposed power watershed algorithm computes a unique global solution to multi labeling problems, and is very fast. We further generalize and extend the framework to applications beyond image segmentation, for example image filtering optimizing an L0 norm energy, stereovision and fast and smooth surface reconstruction from a noisy cloud of 3D points

La géomodélisation du sous-sol est considérée comme stratégique par les compagnies pétrolières. Chacune a en effet pour objectif de construire les meilleurs modèles géologiques sur lesquels seront évalués les réserves de gaz et d'huile des territoires étudiés, ainsi que le placement optimal des puits de forage qui exploiteront ces réserves. Ces modèles sont bâtis sur l'interprétation de la sismique par les géologues et les géophysiciens. Le processus de modélisation consiste à structurer le sous-sol en un ensemble d'horizons (strates géologiques), de failles (fractures de la roche) et de corps (amas de roches de même nature). Ces objets géologiques sont au sein de deux problématiques complémentaires abordées dans cette thèse chez Total : la construction du modèle structural à proprement parler constitué d'un réseau de failles et d'horizons mis en cohérence et la constructions des corps selon des attributs sismiques élaborés. La construction du modèle structural part des données issues d'interprétations manuelles et/ou semi-automatiques ne décrivant que ponctuellement les objets géologiques : un ensemble de lignes brisées pour les failles et un nuage de points pour les horizons. Une première partie de nos travaux porte sur l'élaboration d'une méthodologie complète de construction de surfaces modélisant les failles et les horizons adaptée à la nature et la densité particulières des données initiales. Dans un premier temps les failles sont reconstruites indépendamment les unes des autres à l'aide d'une triangulation de Delaunay contrainte des données projetées dans leur plan de régression, puis raffinées par subdivision. Ensuite un réseau de failles global est créé et mis en cohérence par des opérations d'extrapolation et de clipping. Enfin, les trous dans les horizons sont bouchés par des méthodes d'interpolation spatiale étendus par nos soins à l'aide des "voisinages partiels" contraints par les failles, pour lesquelles nous montrons l'influence des stratégies de remplissage et leur robustesse au bruit. Les corps sont construits par extraction d'isosurfaces sur des volumes d'attributs sismiques pouvant atteindre des tailles de plusieurs dizaines de giga-octets. Ces tailles de données nous ont imposées de développer un algorithme parallèle d'extraction d'isosurfaces simplifiées. Le volume est d'abord récursivement découpé pour former une structure hiérarchique de blocs voisins. Des isosurfaces partielles sont extraites de ces blocs par des processeurs indépendants exécutant une version étendue de l'algorithme tandem. Ainsi, les noeuds de calcul extraient, simplifient, s'échangent et assemblent les morceaux de surfaces ainsi obtenues jusqu'à l'obtention d'une isosurface simplifiée globale. Cette dernière est organisée et stockée par construction en un flux de composantes connexes qui permettra une interaction ultérieure de haut niveau.