Dans le cadre de cette thèses, des outils numériques ont été développés, ayant pour objectif la résolution de l’équation du transfert radiatif pour des matériaux à géométrie complexe, avec prise en compte des conditions aux limites spéculaires. Les développements s’articulent autour de la méthode des ordonnées discrètes combinée aux éléments finis stabilisés de type SUPG. Une méthode de partionnement a été spécialement conçue pour un traitement fin de la spécularité en surface. Par ailleurs, des solveurs parallèles du type Gauss-Seidel puis GMRES ont été utilisés afin de traiter des problèmes de grande taille, provenant d’une discrétisation fine en espace et en angulaire, toutes deux nécessaires au vu de la complexité géométrique. Les outils développés ont finalement été utilisés sur un brin de mousse céramique réel, au préalable micro-tomographié. / This dissertation considers the development of numerical tools for the solution of the radiative transfer equation within threedimensional media with complex geometries, combined with the accurate treatment of specular boundary conditions. Numerical developments rely on the Discrete Ordinate Method, combined with SUPG-type stabilized Finite Elements. A very novel partitioning method has been developped for accurate treatment of specularity on borders. Also, some Gauss– Seidel type and GMRES parallel solvers have been used to deal with huge size matrix systems, due to fine discretization in both space and angles, needed for such considered geometrical complexity. Finally, all developped numerical tools have been tested for the modelling of radiative transport within a micro-tomographied ceramic ligament, extracted from a real open-cell foam.

La reconstruction de surfaces spéculaires à partir d'images est un domaine relativement peu exploré, du fait du caractère peu commun de ces objets, et la complexité induite par rapport aux surfaces mattes. Ceci est du au fait que la texture apparente de telles surfaces est dépendante du point de vue, ou formulé autrement, que le chemin lumineux entre un point d'intérêt et un pixel n'est pas une ligne droite. De ce fait, la plupart des algorithmes de reconstructions ignorent les contributions spéculaires, alors que nous montrons que le contraintes qu'elles apportent permettent d'obtenir des informations géométriques de localisation et d'orientation précises, et ce sans les contraintes de continuité ou de régularité habituellement requises. Cette thèse présente deux méthodes permettant d'obtenir la position et l'orientation de points d'une surface parfaitement spéculaire, à partir de la réflection de points environnants connus. La première étend les approches de ”space carving”, et obtient des voxels d'un objet spéculaire en utilisant une mesure de consistance géométrique putôt que photométrique, qui dans ce cas n'a pas de sens. La deuxième procède par triangulation, en supposant une caméra fixe observant la refléction d'au moins 2 points connus par point de la surface à reconstruire. Finalement, nous proposons des méthodes pour obtenir la pose d'objets de calibration alors qu'ils ne sont pas dans le champ de vue d'une caméra, à travers la reflection d'objets spéculaires. La première suppose que cet objet est vu à travers la réflection de 3 miroirs plans inconnus, et obtient par ailleurs la pose de ces miroirs. La seconde présente une contrainte géométrique permettant théoriquement d'obtenir la pose d'un tel objet placé à deux endroits différents, vu à travers la reflection d'une surface spéculaire quelconque.

Les réflexions spéculaires et brillantes sont très importantes pour notre perception des scèenes 3D, car elles fournissent des informations sur la forme et la matière des objets, ainsi que de nouveaux angles de vue. Elles sont souvent rendues avec peu de préecision en utilisant des cartes d?environnement. Nous avons créé des algorithmes plus préccis, sous les contraintes du rendu interactif et des scènes dynamiques, pour permettre des applications comme les jeux vidéos.<br>Nous proposons deux méthodes pour les réflexions spéculaires. La première est basée sur la rasterization et calcule la position du reflet de chaque sommet de la scène, en optimisant itérativement la longueur des chemins lumineux. Ensuite, le fragment shader interpole lin´eairement entre les sommets. Cette méthode représente les effets de parallaxe ou dépendants du point de vue, et est mieux adaptée aux réflecteurs lisses et convexes. La deuxième est un algorithme de lancer de rayons sur GPU qui utilise une hiérarchie de rayons : les rayons primaires sont rendus par rasterization, puis les rayons secondaires sont regroup´es hiérarchiquement en cônes pour former un quad-tree qui est reconstruit à chaque image. La hiérarchie de rayons est ensuite intersectée avec tous les triangles de la scène en parallèle. Cette méthode est légèrement plus lente, mais plus générale et plus précise. Nous avons étendu cet algorithme de lancer de rayons en un lancer de cônes capable de modéliser les réflexions brillantes et un anti-crénelage continu.<br>Nos techniques de lancer de rayons et de cones ont été implémentées dans le modèle de programmation du traitement de flux, pour une bonne efficacité de la carte graphique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouvel algorithme hiérarchique de réduction de flux qui est une étape clé de beaucoup d?autres applications et qui a une meilleure complexité asymptotique que les méthodes précédentes.

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets métalliques spéculaires par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces métalliques. Après réflexion sur la surface, la lumière inci- dente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à un éclairage actif. Nous décrivons et comparons ensuite différentes méthodes de reconstruction tridimensionnelle de surfaces à partir d'un champ de normales. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et nous en présentons une application pour la détection de défauts de forme.

La synthèse d'images est un outil utilisé dans de nombreuses industries, comme celle de l'art, des jeux vidéos, du cinéma ou de l'ingénierie. Tout particulièrement, les simulations lumineuses de qualité au réalisme avancé sont un outil de prototypage puissant et l'étude d'un modèle virtuel permet de prendre des décisions pertinentes dans le processus de conception d'un produit. Cependant, la simulation est un processus coûteux pouvant nécessiter de nombreuses heures de calcul en fonction de la complexité des scènes. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la complexité liée à la présence de matériaux spéculaires – les miroirs et les surfaces transparentes. Dans un contexte d'intégration numérique de Monte-Carlo, ces matériaux sont source de variance et ainsi augmentent les temps de calcul nécessaires à obtenir une image de qualité impliquant des phénomènes complexes comme les caustiques liées à la focalisation de la lumière, et les reflets. Après avoir mis en évidence les problématiques et contraintes caractéristiques des matériaux spéculaires, nous proposons un relâchement de ces contraintes au prix de l'introduction de biais – d'erreur – dans le calcul final. Nous proposons une heuristique permettant de pondérer une simulation non biaisée, mais peu effi- cace, et une simulation biaisée et plus efficace afin d'obtenir le meilleur compromis possible. Nos travaux étudient l'introduction de biais par régularisation, proposent des algorithmes efficaces de pondération et une méthode de visualisation interactive sur GPU. Pour finir, nos travaux ont permis l'amélioration du logiciel LuxRender, profitant ainsi à une grande communauté d'industriels et d'artistes / Image synthesis using computers is a tool used in many industries, from art, video games, cinema to engineering. Especially, efficient light simulations with advanced realism are an efficient tool for prototyping when the study of a virtual mock-up leads to more efficient industrial choices during the conception process. However, image rendering is a costly process which usually needs many hours of computation depending on the complexity of the involved scenes. In this thesis, we focus on the complexity inherited from the usage of specular materials, such as mirrors and transparent surfaces. In a Monte Carlo process, these materials are an important source of variance, or noise, and increase the rendering time needed to obtain an image representing complex phenomena such as caustics and reflexions. We first show the constraints involved by specular materials and propose to relax them, using regularization. We introduce a weighting heuristic allowing efficient trade-off between the biased regularization and the rendering efficiency. We study the evolution of the bias introduced by regularization, we propose efficient global illuminations algorithms and GPU implementations. Finally, our work was used inside LuxRender, a community developed rendering engine. This allows our work to be spread among and used by a large community of industrials and artists

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets métalliques spéculaires par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de “Shape from Polarization” aux surfaces métalliques. Après réflexion sur la surface, la lumière inci- dente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à un éclairage actif. Nous décrivons et comparons ensuite différentes méthodes de reconstruction tridimensionnelle de surfaces à partir d'un champ de normales. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et nous en présentons une application pour la détection de défauts de forme.

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l’acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l’encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d’acquisition 3D, qui repose sur l’acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d’aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l’extension d’une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée « Scanning from Heating ». Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l’émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d’une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d’un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d’un panel d’échantillons de géométries identiques mais d’états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d’acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d’apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial / For the past twenty years, the need for three-dimensional digitization of manufactured objects has increased significantly and consequently, many experimental techniques and commercial solutions have been proposed. However, difficulties remain for the acquisition of optically non cooperative surfaces, such as transparent or specular ones. Since the working principle of conventional scanners is based on the acquisition of the diffuse part of the reflection, transparency and specular reflections may cause outliers. To address highly reflective metallic surfaces, we propose the extension of a non conventional technique that was originally dedicated to glass objects, called “Scanning from Heating”. In contrast to classical active triangulation techniques that acquire the reflection of visible light, we measure the thermal emission of the heated surface. A laser source is geometrically calibrated with a thermal sensor to extract a cloud of 3D points from infrared images. Considering the thermo-physical properties of metals, we present a theoretical model of heat exchanges that are induced by the process, helping to demonstrate its feasibility on metallic materials. With a finite element analysis solver, results give some important indications about the conception and the settings of the experimental solution. A first device has been designed in order to validate the 3D digitization process on specular surfaces, with various geometries and compositions. Furthermore, a comparison of our results with those of a conventional system shows the versatility of our technique. Actually, from metallic samples with the same dimensions but various surface states, we prove that the accuracy of the 3D acquisition is not affected by the surface roughness variations. Finally, according to some practical observations, a 3D scanner prototype has been designed to improve the efficiency of the first system

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l'acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l'encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d'acquisition 3D, qui repose sur l'acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d'aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l'extension d'une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée " Scanning from Heating ". Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l'émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d'une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d'un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d'un panel d'échantillons de géométries identiques mais d'états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d'acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d'apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’étude et le développement d’une méthode de mesure d’épaisseur et de reconstruction 3D d’objets en verre creux, dans le cadre d’une application de contrôle industriel sur ligne de production. Les techniques de mesure d’épaisseur de parois transparentes sont actuellement très limitées par leur faible tolérance angulaire sur l’orientation des surfaces. Elles nécessitent une rotation de l’article devant le capteur, donc une manutention contraignante. De plus, les surfaces considérées étant spéculaires, les techniques de numérisation standard ne fonctionnent pas. Nous avons développé deux méthodes basées sur l’observation des réflexions d’une source diffuse ponctuelle sur les deux surfaces de la paroi de l’objet. Une observation simple à l’aide d’une caméra implique une ambiguïté entre l’orientation et la position de chacune des deux surfaces. Notre première méthode consiste à utiliser des informations de polarisation pour lever cette ambiguïté. Des résultats expérimentaux, obtenus avec un ou plusieurs points source témoignent de la faisabilité de la mesure. La seconde méthode consiste à utiliser une seconde caméra, associée à un dispositif optique spécifique. Ceci permet de trianguler directement les points d’incidence sur les deux surfaces. De plus, la source peut être étendue verticalement, de manière à augmenter la taille de la zone inspectée. Les résultats obtenus avec cette seconde technique attestent de la possibilité d’une mise en oeuvre industrielle. / The work presented in this thesis focuses on the study and development of a method for measuringthe thickness and reconstructing the 3D shape of glass containers, within the frame of an industrialon-line quality monitoring. Measuring thickness techniques of transparent objects are currently limited by their lack of toleranceregarding the surface orientation at a given reflection point. A rotation of the article in front ofthe sensor is thus required, which adds complexity to the mechanical handling of the item beingmeasured. Moreover, conventional scanning techniques do not work well on specular surfaces.We developed two methods based on the observation of the reflections by both surfaces of the wallof a given item of a diffuse, point light source. Imaging these reflections with a plain camera leavesan ambiguity between the orientation and position of each surface. Our first approach uses light polarization to remove this ambiguity. Experimental results, obtainedwith one or several point sources have demonstrated the feasibility of the measure. The second approach uses a second camera, associated with a specific optical design, whichenables a mere triangulation of the incident points on the two surfaces. Moreover, the light sourcecan be vertically extended to increase the size of the inspected area. The results obtained with thissecond technique show that industrial implementation is feasible.

Cette thèse est issue d’un accord CIFRE entre le groupe de recherche EnCoV de l’Université Clermont Auvergne et la société Quantel Medical (www.quantel-medical.fr). Quantel Medical est une entreprise spécialisée dans le développement innovant des ultrasons et des produits laser en ophtalmologie. Cette thèse présente un travail de recherche visant à l’application du diagnostic assisté par ordinateur et du traitement des maladies de la rétine avec une utilisation du prototype industriel TrackScan développé par Quantel Medical. Plus précisément, elle contribue au problème du mosaicing précis de l’image de la lampe à fente (SLIM) et du recalage automatique et multimodal en utilisant les images SLIM avec l’angiographie par fluorescence (FA) pour aider à la photo coagulation pan-rétienne naviguée. Nous abordons trois problèmes différents.Le premier problème est lié à l’accumulation des erreurs du recalage en SLIM., il dérive de la mosaïque. Une approche commune pour obtenir la mosaïque consiste à calculer des transformations uniquement entre les images temporellement consécutives dans une séquence, puis à les combiner pour obtenir la transformation entre les vues non consécutives temporellement. Les nombreux algorithmes existants suivent cette approche. Malgré le faible coût de calcul et la simplicité de cette méthode, en raison de sa nature de ‘chaînage’, les erreurs d’alignement s’accumulent, ce qui entraîne une dérive des images dans la mosaïque. Nous proposons donc d’utilise les récents progrès réalisés dans les méthodes d’ajustement de faisceau et de présenter un cadre de réduction de la dérive spécialement conçu pour SLIM. Nous présentons aussi une nouvelle procédure de raffinement local.Deuxièmement, nous abordons le problème induit par divers types d’artefacts communs á l’imagerie SLIM. Ceus-sont liés à la lumière utilisée, qui dégrade considérablement la qualité géométrique et photométrique de la mosaïque. Les solutions existantes permettent de faire face aux blouissements forts qui corrompent entièrement le rendu de la rétine dans l’image tout en laissant de côté la correction des reflets spéculaires semi-transparents et reflets des lentilles. Cela introduit des images fantômes et des pertes d’information. En outre, les méthodes génériques ne produisent pas de résultats satisfaisants dans SLIM. Par conséquent, nous proposons une meilleure alternative en concevant une méthode basée sur une technique rapide en utilisant une seule image pour éliminer les éblouissements et la notion de feux spéculaires semi-transparents en utilisant les indications de mouvement pour la correction intelligente de reflet de lentille.Finalement, nous résolvons le problème du recalage multimodal automatique avec SLIM. Il existe une quantité importante de travaux sur le recalage multimodal de diverses modalités d’image rétinienne. Cependant, la majorité des méthodes existantes nécessitent une détection de points clés dans les deux modalités d’image, ce qui est une tâche très difficile. Dans le cas de SLIM et FA ils ne tiennent pas compte du recalage précis dans la zone maculaire - le repère prioritaire. En outre, personne n’a développé une solution entièrement automatique pour SLIM et FA. Dans cette thèse, nous proposons la première méthode capable de recolu ces deux modalités sans une saisie manuelle, en détectant les repères anatomiques uniquement sur une seule image pour assurer un recalage précis dans la zone maculaire. (...) / This thesis arises from an agreement Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) between the Endoscopy and Computer Vision (EnCoV) research group at Université Clermont Auvergne and the company Quantel Medical (www.quantel-medical.fr), which specializes in the development of innovative ultrasound and laser products in ophthalmology. It presents a research work directed at the application of computer-aided diagnosis and treatment of retinal diseases with a use of the TrackScan industrial prototype developed at Quantel Medical. More specifically, it contributes to the problem of precise Slit-Lamp Image Mosaicing (SLIM) and automatic multi-modal registration of SLIM with Fluorescein Angiography (FA) to assist navigated pan-retinal photocoagulation. We address three different problems.The first is a problem of accumulated registration errors in SLIM, namely the mosaicing drift.A common approach to image mosaicking is to compute transformations only between temporally consecutive images in a sequence and then to combine them to obtain the transformation between non-temporally consecutive views. Many existing algorithms follow this approach. Despite the low computational cost and the simplicity of such methods, due to its ‘chaining’ nature, alignment errors tend to accumulate, causing images to drift in the mosaic. We propose to use recent advances in key-frame Bundle Adjustment methods and present a drift reduction framework that is specifically designed for SLIM. We also introduce a new local refinement procedure.Secondly, we tackle the problem of various types of light-related imaging artifacts common in SLIM, which significantly degrade the geometric and photometric quality of the mosaic. Existing solutions manage to deal with strong glares which corrupt the retinal content entirely while leaving aside the correction of semi-transparent specular highlights and lens flare. This introduces ghosting and information loss. Moreover, related generic methods do not produce satisfactory results in SLIM. Therefore, we propose a better alternative by designing a method based on a fast single-image technique to remove glares and the notion of the type of semi-transparent specular highlights and motion cues for intelligent correction of lens flare.Finally, we solve the problem of automatic multi-modal registration of FA and SLIM. There exist a number of related works on multi-modal registration of various retinal image modalities. However, the majority of existing methods require a detection of feature points in both image modalities. This is a very difficult task for SLIM and FA. These methods do not account for the accurate registration in macula area - the priority landmark. Moreover, none has developed a fully automatic solution for SLIM and FA. In this thesis, we propose the first method that is able to register these two modalities without manual input by detecting retinal features only on one image and ensures an accurate registration in the macula area.The description of the extensive experiments that were used to demonstrate the effectiveness of each of the proposed methods is also provided. Our results show that (i) using our new local refinement procedure for drift reduction significantly ameliorates the to drift reduction allowing us to achieve an improvement in precision over the current solution employed in the TrackScan; (ii) the proposed methodology for correction of light-related artifacts exhibits a good efficiency, significantly outperforming related works in SLIM; and (iii) despite our solution for multi-modal registration builds on existing methods, with the various specific modifications made, it is fully automatic, effective and improves the baseline registration method currently used on the TrackScan.