Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse porte sur le développement d'outils permettant le recalage d'images d'une surface déformable et la reconstruction tridimensionnelle de surfaces déformables à partir d'images prises par une seule caméra. Les surfaces que nous souhaitons traiter sont typiquement un visage ou une feuille de papier. Ces problématiques sont mal posées lorsque seule l'information présente dans les images est exploitée. Des informations a priori sur les déformations physiquement admissibles de la surface observée doivent être définies. Elles diffèrent en fonction du problème étudié. Par exemple, pour une feuille de papier, la courbure Gaussienne évaluée en chacun de ces points est nulle, cette propriété n'est pas valide pour un visage. Les applications visées sont l'insertion réaliste de logo 2D, de texte et aussi d'objets virtuels 3D dans des vidéos présentant une surface déformable. La première partie de cette thèse est consacrée au recalage d'images par modèles déformables. Après avoir brièvement introduit les notions de base sur les fonctions de déformation et sur leur estimation à partir de données images, nous donnons deux contributions. La première est un algorithme de recalage d'images d'une surface déformable, qui est efficace en terme de temps de calcul. Nous proposons une paramétrisation par primitives des fonctions de déformation permettant alors leur estimation par des algorithmes compositionnels habituellement réservés aux transformations formant un groupe. La deuxième contribution est la modélisation explicite des auto-occultations, en imposant la contraction de la fonction de déformation le long de la frontière d'auto-occultation. La deuxième partie de cette thèse aborde le problème de la reconstruction tridimensionnelle monoculaire de surfaces déformables. Nous nous basons sur le modèle de faible rang : les déformations sont approximées par une combinaison linéaire de modes de déformation inconnus. Nous supposons que ces derniers sont ordonnés par importance en terme d'amplitude de déformation capturée dans les images. Il en résulte une estimation hiérarchique des modes, facilitant l'emploi d'un modèle de caméra perspectif, la sélection automatique du nombre de modes et réduisant certaines ambiguïtés inhérentes au modèle. Nous explorons finalement la capture des déformations d'une surface peu texturée à partir de données issues d'un capteur 3D. L'information présente au niveau des contours de la surface est notamment utilisée. Nous avons implanté les différentes contributions décrites ci-dessous. Elles sont testées et comparées à l'état de l'art sur des données réelles et synthétiques. Les résultats sont présentés tout au long du tapuscrit.

Différents éléments vasculo-nerveux participent à la constitution de l'angle ponto-cérébelleux. Dans certaines conditions pathologiques dont la genèse est encore imparfaitement connue actuellement, des conflits peuvent apparaître entre des vaisseaux battants autour du tronc cérébral et des nerfs crâniens. L'objectif de ce travail en trois parties distinctes est consacré à certaines bases anatomiques et physiologiques permettant de mieux appréhender ces conflits vasculo-nerveux. La première partie s'intéresse à la morphogenèse du système vertébrobasilaire. La conception d'un logiciel original de reconstruction tridimensionnelle a permis la modélisation de quatre embryons à partir de coupes histologiques. Les images obtenues permettent de confirmer la morphogenèse décrite dans la littérature et jette les bases d'une étude plus exhaustive. La deuxième partie démontre pour la première fois la mobilité physiologique du nerf vestibulo-cochléaire au niveau de l'angle ponto-cérébelleux, par l'utilisation d'une séquence IRM en contraste de phase. Les directions crânio-caudale et antéro-postérieure et leur amplitude ont été étudiées. Ces mouvements sont dépendants de l'onde de pouls. De façon plus générale, ils peuvent être modélisés sous la forme d'une corde oscillant entre le tronc cérébral et le fond du méat acoustique interne. La troisième partie traite d'une étude de faisabilité qui jette les bases informatiques permettant d'apprécier le vieillissement artériel par la variabilité morphologique du point de confluence des artères vertébrales. Au laboratoire, nous avons conçu un programme de normalisation à partir des scanographies de neuf patients. Il autorise ainsi la création d'un tronc cérébral moyen, et la comparaison de la topographie de ces points de confluence. / Several vascular and nervous structures are located within the cerebello-pontine angle. In certain pathological conditions, microvascular compression syndroms may occur, where an artery or a vein is compressing a cranial nerve. The purpose of this work in three parts is to investigate some anatomical and physiological bases of these microvascular compression syndroms. The first part focuses on the vertebrobasilar system morphogenesis. A special designed 3D reconstruction original software allowed us to reformate four human embryos from histological serial sections. The three-dimensional views are confirming the classical features thus creating the basis of a larger study based on multiple embryos. The second part shows for the first time the physiological motion of the vestibulo-cochlear nerve at the level of the cerebello-pontine angle, with the help of a phase-contrast MRI sequence. The cranio-caudal and antero-posterior directions and their amplitudes have been studied. These motions are cardiac-cycle-dependant. We used an "oscillating string" model to explain the VCN motion between the brain stem and the fundus of the internal acoustic meatus. The third part of this work is focused on a preliminary study of the variability of the vertebro-basilar arterial fusion along the lifetime. An original software has been designed and allowing the normalisation from nine post-contrast cerebral CT scanners. A ?mean? brain stem was obtained and visualized in front of nine arterial fusion points.

Cette thèse aborde le problème de la compensation des déformations cérébrales survenant au cours des opérations neurochirurgicales. Ces déformations des structures cérébrales dégradent la précision des systèmes de neuronavigation, ce qui limite leur utilisation tout au long de la procédure neurochirurgicale. La compensation de ces déformations est aujourd'hui l'un des enjeux majeurs de la neurochirurgie guidée par l'image. La méthode proposée repose sur le recalage non rigide d'images échographiques intraopératoires de type main libre et d'images préopératoires obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN). Afin de réaliser ce recalage non rigide multimodal, un processus incluant différents traitements est détaillé dans ce manuscrit. Tout d'abord, une nouvelle méthode de reconstruction tridimensionnelle des images échographiques de type main libre est présentée. Puis, un travail portant sur le filtre de débruitage des moyennes non locales est proposé. Ce travail aborde deux aspects: l'amélioration de la qualité du débruitage avec une réduction du temps de calcul d'une part, et l'adaptation de ce filtre aux caractéristiques du chatoiement présent dans les images ultrasonores d'autre part. Finalement, une nouvelle approche du problème de recalage des images ultrasonores et des images obtenues par RMN est décrite. Ces différents traitements sont integrés au sein d'une chaîne entièrement automatique de compensation des déformations cérébrales. Les premiers résultats obtenus sur les images de quatre patients sont présentés à la fin de ce document.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un algorithme générique permettant de résoudre le problème de calcul de pose et le problème de reconstruction avec un modèle perspectif de caméra. Étant donnés une image et un modèle 3D de la scène (ou objet) visible dans l'image, le calcul de pose consiste à calculer la position et l'orientation de la caméra par rapport à la scène. Nous étudions successivement le cas de correspondances 2D 3D de points, et le cas des droites. La méthode proposée améliore de manière itérative la pose calculée avec un modèle affine de caméra (orthographique à l'échelle ou paraperspectif) pour converger, à la limite, vers une estimation de la pose calculée avec un modèle perspectif de caméra. Nous étudions les relations mathématiques et géométriques existant entre les modèles orthographique à l'échelle, paraperspectif et perspectif de caméra. Nous introduisons une façon simple de prendre en compte la contrainte d'orthogonalité associée à une matrice de rotation. Nous analysons la sensibilité de la méthode par rapport aux erreurs d'étalonnage de la caméra et nous définissons les conditions expérimentales optimales par rapport à un étalonnage imprécis. Nous étudions la convergence de la méthode sur la base de considérations numériques et expérimentales et nous testons son efficacité avec des données synthétiques et réelles. Dans un second temps, nous étendons les algorithmes de calcul de pose précédents au problème de la reconstruction euclidienne avec un modèle perspectif de caméra, à partir d'une séquence d'images. La méthode proposée converge en quelques itérations, est efficace du point de vue calculatoire, et ne souffre pas de la nature non linéaire du problème traité. Comparativement à des méthodes telles que la factorisation ou les invariants affines, notre méthode résout le problème de l'ambiguïté de signe d'une façon très simple et fournit des résultats bien plus précis. Nous décrivons la nouvelle méthode en détail, et comparons la complexité de la méthode proposée avec une méthode de minimisation non linéaire. Nous présentons ensuite une seconde approche du problème de reconstruction euclidienne en considérant un modèle affine de caméra non étalonnée montée sur le bras d'un robot. Nous montrons comment utiliser l'information euclidienne fournie par le déplacement du robot afin d'obtenir une reconstruction euclidienne, et expliquons comment obtenir l'étalonnage du modèle affine de caméra ainsi que l'étalonnage caméra-pince. Afin de pouvoir utiliser en pratique ces algorithmes de reconstruction, nous présentons une méthode de poursuite de points caractéristiques sur une séquence monoculaire d'images, puis sur une séquence stéréoscopique. Nous proposons également une méthode pour obtenir une précision sous-pixellique des positions des points dans les images pour un faible coût calculatoire.

Ce travail de thèse, inclus dans un projet structurant plus vaste, projet SIMOVI (SImulation des MOuvements du VIsage), s’attache à étudier spécifiquement la mimique faciale en corrélant les déplacements visibles du revêtement cutané et les mouvements musculaires internes à travers le développement de plusieurs méthodologies. L’ensemble de la mimique faciale ne pouvant être étudié, étant donné la multitude d’expressions, les mouvements pertinents à étudier dans nos travaux ont été identifiés. Ces mouvements ont été caractérisés chez 23 sujets jeunes dans une analyse descriptive qualitative et clinique, basée sur une méthodologie s’appuyant sur l’analyse d’enregistrements vidéoscopiques, et le développement d’un codage issu du FACS (Facial Action Coding System). Une cohorte de référence a ainsi été constituée. Après avoir validé notre méthodologie pour la caractérisation externe de la mimique, l’analyse des muscles peauciers par l’IRM a été réalisée sur 10 hémifaces parmi les sujets sains issus de la cohorte. Cette caractérisation a fait appel, à partir d’une anatomie in vivo, à une modélisation de certains muscles peauciers (zygomaticus major en particulier) afin d’extraire des paramètres morphologiques, de réaliser une analyse plus fine de la morphologie musculaire en 3 dimensions, et d’apporter une meilleure compréhension du comportement cinématique du muscle dans différentes positions. Par son intégration dans un questionnement plus vaste :- comment caractériser objectivement la mimique faciale ? - quels sont les indicateurs qualitatifs et quantitatifs de la mimique que nous pouvons recueillir, et comment réaliser ce recueil ? - comment utiliser les développements technologiques dans les applications cliniques ? Ce travail constitue une étape préliminaire à d’autres travaux. Il pourra fournir des données de référence à des fins de modélisation, de simulation de la mimique faciale, ou de développements d’outil de mesures pour le suivi et l’évaluation des déficits de la mimique faciale. / The aim of this research is to study facials mimics movements and to correlate externat soft tissue (i.e., cutaneous) movement during facial mimics with internal (i.e., facial mimic muscle) movement. The entire facial mimicry couldn't be studied, that's why relevant movements had been selected. Those movements were characterised by a clinically qualitative analysis in 23 young healthy volunteers. The analysis was performed with video recordings including scaling derived from the FACS (Facial Action Coding System). After the validation of external characterisation by this method, internal characterisation of the mimic facial muscle was carried out in 10 volunteers. A modelization of selected facial mimic muscle as Zygomaticus Major was achieved. With this work, morphological parameters could be extracted, 3D morphometric data were analysed to provide a better understanding of cinematic behaviour of muscle in different positions.This research is included in the Simovi Project, which aims to determine to what extent a facial mimic can be evaluated objectively, to select the qualitative and quantitative indicators for evaluation of mimic facial disorders, and to transfer our technological developments in clinical field. This research is a first step and provides data for simulation or developments of measurement tools in evaluation and follow-up of mimic facial disorders.