L'Université Louis Pasteur Strasbourg I École doctorale MSII Laboratoire des Sciences de l'Image de l'Informatique et de la Télédétection

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Français
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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire


THÈSE présentée à L'Université Louis Pasteur, Strasbourg I — École doctorale MSII Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection UMR 7005 CNRS/ULP par M. Frédéric LARUE pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Discipline: Informatique NUMÉRISATION DE PIÈCES D'ART EN TERMES DE FORME ET D'APPARENCE POUR LA VISUALISATION RÉALISTE EN SYNTHÈSE D'IMAGES Soutenue publiquement le 26 novembre 2008 devant le jury constitué de: M. Jean-Michel DISCHLER, Directeur, Professeur à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg. M. Christophe DOIGNON, Rapporteur interne, Maître de Conférences à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg. M. Bernard PÉROCHE, Rapporteur, Professeur à l'Université Claude Bernard de Lyon. M. Daniel MENEVEAUX, Rapporteur, Maître de Conférences à l'Université de Poitiers. M. Roberto SCOPIGNO, Examinateur, Professeur à l'Université de Pise, Italie.

  • calcul de profondeur par décalage de phase

  • invariants multi-échelle

  • collègues de l'équipe igg

  • processus de formation d'images

  • visualisation réaliste en synthèse d'images


Sujets

Informations

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Publié le 01 novembre 2008
Nombre de lectures 46
Langue Français
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THÈSE
présentée à
L’Université Louis Pasteur, Strasbourg I — École doctorale MSII
Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la Télédétection
UMR 7005 CNRS/ULP
par
M. Frédéric LARUE
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Discipline: Informatique
NUMÉRISATION DE PIÈCES D’ART
EN TERMES DE FORME ET D’APPARENCE
POUR LA VISUALISATION RÉALISTE
EN SYNTHÈSE D’IMAGES
Soutenue publiquement le 26 novembre 2008 devant le jury constitué de:
M. Jean-Michel DISCHLER, Directeur,
Professeur à l’Université Louis Pasteur de Strasbourg.
M. Christophe DOIGNON, Rapporteur interne,
Maître de Conférences à l’Université Louis Pasteur de Strasbourg.
M. Bernard PÉROCHE, Rapporteur,
Professeur à l’Université Claude Bernard de Lyon.
M. Daniel MENEVEAUX, Rapporteur,
Maître de Conférences à l’Université de Poitiers.
M. Roberto SCOPIGNO, Examinateur,
Professeur à l’Université de Pise, Italie.Remerciements
Je tiens, avant toute autre chose, à adresser mes remerciements à un certain nombre de
personnes qui, de part leurs soutients ou leurs discutions, ont contribué à l’aboutissement
de ces travaux.
Je remercie d’abord M. Jean-Michel DISCHLER, mon directeur, pour avoir fait des pieds et
des mains il y a quatre ans pour m’obtenir cette thèse.
Merci à M. Christophe DOIGNON, qui m’a été d’un grand secour en début de thèse concer-
nant les aspects touchant à la vision.
Merci à M. Jean-Pierre CHAMBARD, directeur de la société HOLO3, pour avoir mis à
notre disposition une partie du matériel nécessaire à la réalisation de ces travaux, ainsi qu’à
MM. Vincent CHALVIDAN et Mohammed TAZEROUALTI pour leurs collaborations.
Merci aux membres de mon jury, et notamment aux rapporteurs, dont les remarques judi-
cieuses m’ont permis d’améliorer la qualité de ce mémoire.
Merci à tous mes collègues de l’équipe IGG pour leur convivialité qui a aidé à animer un peu
ces tristes locaux du LSIIT, mais également pour les discussions prolifiques, bien qu’infor-
melles, que leur compagnie a souvent suscitées. Un merci tout particulier à MM. Lucas AM-
MANN et Olivier GÉNÉVAUX, avec qui j’ai eu grand plaisir à collaborer.
Merci à mes amis et à ma famille qui ont subi cette thèse bien malgré eux, mais toujours
avec le sourire et sans jamais broncher. Un remerciement très spécial et très ému à mon
amie Émilie pour m’avoir soutenu du début à la fin, dans les meilleurs comme dans les pires
moments.
Enfin, merci à tous ceux qui, autres que ma mère et mon jury, liront ce manuscrit.- Table des matières -
1 Introduction 11
1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Le projet AMI-3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Problématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1 Les contraintes de la mesure de formes . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Les difficultés liées à la mesure de l’apparence . . . . . . . . . . . 18
4 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I État de l’art 23
2 Mesure de formes 25
1 Processus de formation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.1 Le modèle sténopé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2 Les distorsions optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3 Calibrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Lumière structurée par décalage de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Triangulation optique et stéréovision active . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Acquisition de franges et paramétrisation par phase . . . . . . . . . 33
2.3 Calcul de profondeur par décalage de phase . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Démodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Représentation des données acquises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Recalage géométrique 37
1 Calcul de transformations rigides entre deux surfaces . . . . . . . . . . . . 38
1.1 Énoncé du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2 Solution optimale au sens des moindres carrés . . . . . . . . . . . . 40
2 Recherche automatique de correspondances . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1 Extraction de caractéristiques géométriques . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 Définition d’invariants par transformations rigides . . . . . . . . . 43
2.3 Caractéristiques et invariants multi-échelle . . . . . . . . . . . . . 456
2.4 Détermination de la transformation de recalage . . . . . . . . . . . 45
2.5 Caractérisation globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Résolution par minimisation itérative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 Description de l’algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Amélioration de la convergence et de la robustesse . . . . . . . . . 49
3.3 Problème du plus proche voisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Utilisation d’attributs additionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Recalage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1 Arbre de recouvrement minimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 ICP global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5 Algorithmes génétiques de recalage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 Intégration et filtrage 59
1 Intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.1 Intégration basée maillages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.2 Intégration volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2 Filtrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1 Premier filtre simple : le filtre Laplacien . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2 Autres filtres simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3 Filtres adaptatifs à puissance variable . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4 Filtres adaptatifs à masque variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5 Travaux connexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Capture et restitution de l’apparence 75
1 Définition de l’apparence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.1 La fonction de réflectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.2 Mesure de réflectances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.3 Modèles de réflectances en synthèse d’images . . . . . . . . . . . . 78
2 Acquisition de l’apparence à partir d’objets réels . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1 Recalage de points de vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2 Localisation de sources lumineuses . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.3 Ajustement de textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3 Reconstruction de textures bidirectionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 Reconstruction de textures monodirectionnelles . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 Point de vue fixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Éclairage fixe — approches purement photométriques . . . . . . . 88
4.3 Éclairage fixe — approches surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 Reconstruction de textures diffuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1 Combinaison d’images par moyennage . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2 Extraction de la composante diffuse par illumination inverse . . . . 94
6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95TABLE DES MATIÈRES 7
II Travaux réalisés 97
6 Capture de champs lumineux 99
1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2 Détermination des correspondances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.1 Paramétrisation de surfaces réelles par la phase . . . . . . . . . . . 102
2.2 Sélection des correspondances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.3 Classification des correspondances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3 Description du protocole d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1 Échantillonnage local de l’apparence . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2 Recalage géométrique chaîné par bloc . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3 Amélioration de la précision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4 Post-traitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.1 Raffinement à la volée du recalage chaîné . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2 Recalage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1 Étude du recalage géométrique par phase . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Comparaison des différentes configurations matérielles . . . . . . . 121
5.3 Étude du raffinement à la volée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4 Étude de l’accumulation de l’erreur et du recalage global . . . . . . 124
5.5 Étude du recalage local de points de vue . . . . . . . . . . . . . . . 126
6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7 Traitements géométriques 133
1 Correction non rigide des acquisitions géométriques . . . . . . . . . . . . 135
1.1 Principe de l’algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
1.2 Détails d’implantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2 Automatisation du processus de filtrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.1 Rappel sur le filtre bilatéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.2 Filtre bilatéral non itératif à un seul paramètre . . . . . . . . . . . . 139
2.3 Estimation automatique de l’unique paramètre . . . . . . . . . . . 142
3 Intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Résultats préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.1 Correction non rigide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.2 Étude du filtre proposé et de son estimation automatique . . . . . . 146
4.3 Résultats obtenus après intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8 Visualisation de champs surfaciques 153
1 Application 1 : visualisation des œuvres numérisées . . . . . . . . . . . . 154
1.1 Modèle de champs lumineux surfaciques . . . . . . . . . . . . . . 155
1.2 Reconstruction à partir de données réelles . . . . . . . . . . . . . . 155
1.3 Visualisation temps réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
1.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2 Application 2 : simulation de la réfringence . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
2.1 Rappels d’optique et travaux antérieurs . . . . . . . . . . . . . . . 1658
2.2 Principe de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
2.3 Prétraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4 Algorithme de base pour le rendu temps réel . . . . . . . . . . . . 172
2.5 Améliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
2.6 Gestion de l’opacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.7 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9 Cas d’étude — Numérisation de tableaux 189
1 Travaux antérieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3 Acquisition et prétraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.1 Configuration matérielle pour l’acquisition . . . . . . . . . . . . . 194
3.2 Reconstruction de la texture bidirectionnelle . . . . . . . . . . . . 196
3.3 Extraction automatique de la toile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.4 Classification du relief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4 Rendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.1 Rendu du relief négligeable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.2 Rendu du relief significatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.3 Calcul d’illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.4 Mécanisme adaptatif dépendant du point de vue . . . . . . . . . . . 204
5 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.1 Étude des performances de l’algorithme de rendu . . . . . . . . . . 206
5.2 Étude de l’influence de la taille des boîtes . . . . . . . . . . . . . . 209
5.3 Discussion sur l’utilisation de champs de hauteurs . . . . . . . . . 210
5.4 Discussion sur l’acquisition de la texture bidirectionnelle . . . . . . 211
5.5 Discussion sur la compacité des données . . . . . . . . . . . . . . 212
6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
III Conclusion 215
10 Conclusion générale 217
1 Rappel des contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
2 Limitations et perspectives à courts termes . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
2.1 Acquisition et visualisation de champs lumineux surfaciques . . . . 220
2.2 Visualisation temps réel d’objets réfringents . . . . . . . . . . . . . 221
2.3 Numérisation et visualisation de tableaux . . . . . . . . . . . . . . 222
3 Perspectives à longs termes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
IV Annexes 225
A Glossaire photométrique 227
1 Définitions radiométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
2 Correspondance radiométrie / photométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3 Acquisition de quantités photométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229TABLE DES MATIÈRES 9
B Réflexion et réfraction 231
C Compression en harmoniques sphériques accélérée 233
D Liste de publications 237
Bibliographie 23910