Tesi sul tema "Imagerie laser 3D"

La numérisation exhaustive et photoréaliste d'environnements complexes représente aujourd'hui un grand défi en raison d'une part du besoin d'automatisation des processus d'acquisition et de traitement qui sont encore quasiment manuels et d'autre part en raison de la difficulté de vérifier in situ le l'adéquation du modèle avec le cahier des charges. Très souvent on constate, a posteriori, une fois les données traitées, que le modèle 3D est incomplet et il n'est souvent pas possible de retourner sur site pour compléter les numérisations. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à l'automatisation du processus de numérisation 3D d'environnements complexes et en particulier non-structurés qui sont plus difficiles aujourd'hui à traiter avec les outils proposés dans la littérature. Les travaux de recherches réalisés visent la mise en oeuvre à la fois de méthodologies d'acquisition des données et de développement d'algorithmes pour le traitement de données in-situ afin d'aider les opérateurs dans leur travail de manière à assurer la bonne numérisation du site. Comme contexte applicatif, nous nous intéressons aux grottes ornées préhistoriques qui sont des environnements particulièrement difficiles. Dans de tels environnements l'absence des structures habituellement utilisées pour la mise en correspondance et la mise en géométrie des images rend le problème très difficile, voir impossible. L'utilisation de cibles pour faciliter la partie de mise en géométrie des données n'est pas souhaitable d'une part parce qu'elle ralentit fortement les cadences de numérisation (alors que le temps de numérisation autorisé est restreint) et d'autre part car il est difficile voir interdit de poser des cibles sur des parois. Par ailleurs, le recours à des solutions basées sur des systèmes de localisation/navigation externe (centrale inertielle, triangulation, ect. ) pour aider au géoréférencement est difficilement envisageable et complexe à mettre en oeuvre (par rapport à des chantiers en extérieur ou le GPS est disponible). Nous proposons un système de numérisation par vision photogrammétrique et laserphotogrammétrique basé sur l'acquisition d'un réseau de panoramiques
One might wonder what can be gained from the image-laser fusion and in which measure such a hybrid system can generate automatically complete and photorealist 3D models of difficult to access and unstructured underground environments. In such environments, special attention must be given to the main issue standing behind the automation of the 3D modeling pipeline whic is represented by the capacity to match reliably image and laser data in GPS-denied and feature-less areas. In addition, time and in-situ access constraints require fast and automatic procedures for in-situ data acquisition, processing and interpretation in order to allow for in situ verification of the 3D scene model completeness. Finally, the currently generated 3D model represents the only available information providing situational awareness based on which autonomous behavior must be build in order to enable the system to act intelligently onthe- fly and explore the environment for ensuring the 3D scene model completeness. This dissertation evaluates the potential of a hybrid image-laser system for generating in-situ complete and photorealist 3D models of challenging environments, without requiring human operator intervention. The presented research focuses on two main aspects: (i) the automation of the 30 modeling pipeline, targeting the automatic data matching in feature-less and GPS-denied areas for in situ world modeling and (ii) the exploitation of the generated 3D models along with visual servoing procedures to provide mobile systems with autonomous site digitization and exploration capabilities. We design a complementary and cooperative image-laser fusion which lead to a 4D mosaicing sensor prototype

Les techniques d'imagerie sans lentille permettent d'aller au-delà des limites inhérentes à la microscopie classique (à l'aide de lentille par exemple). La configuration d’imagerie par diffraction cohérente permet d'imager des objets non­cristallins à des résolutions limitées en principe à la longueur d'onde (soit quelques dizaines de nanomètres à quelques angströms dans le domaine XUV à X, respectivement). Le travail de cette thèse a consisté à développer et améliorer, expérimentalement et numériquement, des nouvelles techniques d'imagerie 2D et 3D, de résolution nanométrique et en simple tir femtoseconde. Nous constatons cependant que les techniques d‘imagerie sans lentille peuvent être limitée par les aberrations et la cohérence partielle. Des améliorations des techniques d’holographie par correction de front d’onde et de la cohérence sont proposées. In fine, l’exploitation des propriétés de la source permet l’optimisation de la lecture des figures de diffraction ou des hologrammes afin d’obtenir une image la plus fidèle possible en un flash femtoseconde unique. En exploitant des concepts de vision machine, cette thèse a ensuite montré la possibilité d’accéder à la 3D en simple tir à partir de deux figures de diffraction X cohérente prise simultanément sur deux angles stéréo. Ceci ouvre la voie à l'exploration de la matière sur des volumes nanométriques (voxels) résolus à la femtoseconde
Coherent lensless imaging techniques can break the limitations associated with conventional microscopy techniques. The configuration of coherent diffraction imaging makes it possible to image isolated non-crystalline objects with spatial resolutions limited, in principle, only by the illuminated wavelength (i.e. a few tens of nanometers to a few angstroms in the XUV and X domains, respectively). In this thesis, we develop and improve, experimentally and numerically, 2D and 3D lensless imaging techniques, for nanometric resolutions in a femtosecond single shot. Responding to the limitations of these techniques to aberrations and partial coherence, here, improvements of wavefront and spatial-coherence correction in holographic techniques are proposed. Indeed, the exploitation of the source properties makes possible to optimise the reconstruction from diffraction patterns or holograms in order to obtain the most faithful image possible in a single femtosecond flash. By exploiting machine vision concepts, this thesis also shows the possibility of accessing 3D information in single shots, extracted from two coherent X-ray diffraction patterns, taken simultaneously from two stereo angles. This opens the way towards the exploration of matter on nanometric volumes (voxels) solved at unmatched temporal resolutions

Cette thèse présente les résultats de travaux réalisés sur un télémètre optique à diode laser, destiné à la proximétrie en robotique, et éventuellement à l'imagerie en trois dimensions. Le principe de fonctionnement de ce télémètre repose sur une modulation d'amplitude du faisceau lumineux, et une détection directe de la distance par mesure du déphasage correspondant au temps de propagation de l'onde modulée. Dans ce mémoire sont présentés :- la description du télémètre utilisé, ainsi que ses performances théoriques et pratiques. L'intérêt d'une simulation de son fonctionnement pour une application en robotique. - la caractérisation détaillée du signal détecté et des perturbations qu'il subit, en vue de cette simulation. - les résultats des simulations effectuées. - des relevés expérimentaux de profils de cibles réalisés avec ce télémètre
This thesis presents work results about an optical laser diode range finder for short distance measurements in robotics, and possibility of application in 3D vision. Its principle lies on an amplitude modulation of the optical beam, and a direct detection of the distance by measuring the phase shift corresponding to the propagation time of the modulated beam. This research presents :- the description of the laser range finder used, with its theoritical and practical performances. - the interest of a simulation of the functioning for an application in robotics. - the detailed characterization of the detected signal and its perturbations, for this simulation. - the results of the simulations. - experimental profile records realized with this laser range finder

Dans le domaine de la robotique mobile, le systeme de perception doit permettre la modelisation de l'environnement du robot. En particulier, la vision tridimensionnelle joue un role important dans cette tache. Notre etude se situe donc dans ce contexte. Au cours de ces dernieres annees les progres de la microelectronique, de l'optique et de la mecanique integree permettent d'envisager de nouvelles fonctions miniaturisees applicables au domaine de la robotique. Dans ce memoire, nous presentons un exemple de systeme de perception utilise en robotique mobile dans le cadre d'experimentation au sein du laas. Apres une etude des principaux capteurs de la vision 3d, nous proposons le cahier des charges de la microcamera laser 3d souhaitee. A l'issue d'une discussion concernant l'apport des microtechnologies dans un tel systeme, nous proposons l'architecture de la microcamera laser 3d basee sur l'utilisation de composants optoelectroniques (pin, psd,), electromecaniques (micromiroirs) et de traitement du signal (fpga,). Puis, nous presentons les methodologies de conception et de simulation mises en place au laas dans le developpement de ce microsysteme. En dernier lieu, apres avoir montre les principaux resultats obtenus, nous concluons en indiquant les principales extensions possibles a apporter sur ce type de capteur

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans la problématique scientifique de reconstruction du relief sous un couvert végétal à partir d’observations aéroportées. Le scanner laser aéroporté est une technique d’imagerie très prometteuse, notamment pour l’observation des zones forestières. Sa déclinaison "onde complète" consiste à émettre une impulsion laser et à enregistrer temporellement l’intégralité des échos de retour réfléchis par la scène. La forme des échos de retour fournit des informations sur l’épaisseur optique du couvert végétal. De nombreux systèmes commerciaux sont en exploitation, en particulier en topographie ou en bathymétrie. Mais ces systèmes ne sont pas dédiés à l’observation de la végétation. L’objectif de cette thèse est l’étude de l’intérêt de ces systèmes pour la construction de modèle numérique de terrain (MNT) sous couvert végétal. Elle est basée sur le développement d’outils de simulation du signal temporel incident au capteur lidar et de traitement des données. Dans un premier temps, le modèle physique de lidar onde complète, DELiS (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) a été développé. Il permet de simuler l’observation de scènes de végétation réalistes, tout en incluant la prise en compte de l’environnement extérieur (atmosphère, soleil) ainsi que des caractéristiques de la source et de la chaîne de détection (bruits de mesure). DELiS a été validé par confrontation à des résultats analytiques. Ensuite, DELIS a permis de comprendre et d’évaluer l’importance des diffusions multiples dans le couvert en fonction du champ de vue du lidar mais aussi de justifier l’utilisation d’acquisitions aéroportées petit champ pour simuler le signal d’un lidar spatial plus grand champ. Dans une deuxième étape, ses capacités de simulation ont été utilisées afin d’étudier l’intérêt du lidar onde complète pour la reconstruction d’un MNT sous couvert végétal. Dans ce but, nous avons développé et implémenté numériquement une méthode originale de traitement et de classification des données lidar onde complète permettant de séparer les échos lidar provenant du sol de ceux provenant de la végétation. Après classification des échos, nous avons reconstruit la géométrie du sol et des objets occultés par la végétation. Enfin, nous avons étudié comment combiner des données aéroportées acquises sous différents points de vue afin d’améliorer les reconstructions. Nos travaux montrent que le scanner laser aéroporté onde complète pourrait permettre d’obtenir en milieux forestier des reconstructions de la géométrie du terrain à des résolutions sub-métriques et avec une précision de l’ordre de 10 à 20 centimètres. La combinaison de visées multi-angulaire permet, par l’apport d’une quantité importante d’information supplémentaire, d’améliorer encore la reconstruction du MNT. Nous montrons cependant que les visées inclinées sont plus sensibles à la présence des troncs et branchages des arbres, éléments qui sont susceptibles d’introduire une erreur importante dans les processus de classification et de reconstruction. Pour cette raison, nous recommandons l’utilisation de la visée nadir pour la reconstruction mono-vue des modèles numériques de terrain, et nous proposons une méthode permettant de choisir de façon optimale les visées inclinées à ajouter pour l’observation détaillée d’une portion plus restreinte de la scène
This research work regards the scientific challenge of reconstructing the ground and the object presents under a vegetation cover from airborne observations. Airborne laser scanning is a promising technology. Full-waveform devices are able to record the complete temporal return signal following the emission of a short laser pulse towards the ground. This offers a great potential for remote sensing of forested areas, since the laser pulse will travel through the vegetation. Many commercial systems are already operated for topography or bathymetry. Scientists have been using these systems for vegetation observation, even if they are not dedicated to this purpose. The objective of this thesis is to study the relevance of full-waveform lidars for the geometric reconstruction of digital terrain models (DTM) under vegetation. We also aim at developing simulation and data processing toolsthat will help design and optimize future sensors dedicated to vegetation observation. Our first task was the development of a new physical simulator for full-waveform lidar measurement. The DELiS model (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) is able tosimulate the observation of complex and realistic vegetation scenes while accounting for atmosphere and sun perturbations, and simulating the multiple scattering of the laser pulse in the canopy. We have also implemented a sensor model for simulation of the measurement, amplification and digitization noises. This operational simulation tool is a key asset for future physical studies as well as for designing and optimizing future sensors and data processing methods. After validating the DELiS model by confrontation with analytical results, we have used it for studying the interest of full-waveform lidar for digital terrain models reconstruction under vegetation. For this purpose, we have developed a full-waveform lidar data processing method for decomposition of the signals and classification of the lidar echoes into two classes : ’ground’ and ’vegetation’. We were then able to reconstruct ground geometry.Finally, we have led a study on the combination of multi-angular acquisitions for improvement of the reconstructions.Our work shows that airborne full-waveform lidar observations may allow ground reconstruction with sub-metric resolutions and a precision of 10 to 20 centimeters in forested areas. Combining multiple viewing angles provides additional data, and helps improving the precision of the reconstructions. Yet, we show that non-nadir viewing is much more sensitive to trunks and branches. These elements may be the cause of an additional error in the classification and reconstruction processes. For this reason, we recommend using nadir viewing for single-view ground reconstruction, and propose a method for optimally selecting non-nadir views for the detailed observation of restricted areas of interest

Le projet TRIDICAM s'intègre dans les nouveaux domaines émergeants des microsystèmes. Il a pour but d'équiper des robots mobiles de systèmes de perception 3D peu encombrants, dédiés à des fonctions spécifiques et facilement spécifiables et moins coûteux. Le principe de ce microsystème repose sur la corrélation d'une image de luminance, fournie par une microcaméra vidéo classique, avec une image " de profondeur " fournie par une microcaméra laser 3D. Notre travail s'inscrit dans le développement de cette dernière caméra. Dans une première partie nous présentons la microcaméra laser 3D. Plusieurs blocs fonctionnels (micromiroirs , électronique analogique) ont été développés dans le but d'une miniaturisation. De même pour les blocs d'électronique numérique qui seront implantés sur silicium. Dans une deuxième partie nous détaillons les différents types de synthèses de circuits numériques que l'on peut utiliser. Pour que le microsystème final puisse être facilement dédié à des traitements particuliers, le développement d'une méthodologie d'implantation d'algorithmes sur silicium s'est imposé d'elle même. La synthèse architecturale semble être la solution adéquate : à partir de l'écriture algorithmique d'une fonction, on aboutit au schéma de son implantation dans la technologie choisie. L'outil SynthArchi que nous présentons dans la troisième partie, exécute ce type de synthèse à partir d'une description VHDL de haut niveau. Ce fichier est compilé pour obtenir un fichier écrit en VHDL RTL synthétisable. La compilation proposée comprend plusieurs parties : une analyse lexicale et syntaxique de la description VHDL de départ, un flot "basique" pour obtenir une version non optimisée de l'implantation de l'algorithme, et enfin, des optimisations améliorant la taille et la fréquence de fonctionnement du circuit. Pour finir, nous avons développé des applications pour la microcaméra laser 3D : l'asservissement en position des micromiroirs, et un algorithme de détection de contours pour segmenter des images binaires.

Les ablations thermiques par laser sont des thérapies mini-invasives qui consistent à insérer par voie transcutanée une ou plusieurs sondes laser dans un tissu pathologique (tumeur par exemple) et à utiliser l’absorption de l’énergie lumineuse par le tissu pour générer un échauffement localisé par absorption de l’énergie lumineuse pour induire une nécrose de coagulation (destruction des cellules malades, de 43 à 100°C) ou une hyperthermie modérée (stimulation d’une réaction immunitaire ou activation d’un médicament thermosensible, de 40 à 43 °C). Afin de contrôler précisément la procédure thérapeutique, il est préférable de pouvoir cartographier spatialement le dépôt de chaleur dans le tissu ciblé en temps réel. Ceci peut être obtenu par des méthodes de thermométrie IRM avancées permettent d’imager en temps réel et en volume la distribution de la température des tissus (75 ms par acquisition) avec une résolution spatiale d’environ un millimètre et une incertitude autour de 1°C.Cette thèse présente un ensemble de développements technologiques permettant un contrôle précis de l’échauffement dans le tissu ciblé. Une première étude montre la faisabilité d’exploiter la thermométrie IRM pour ajuster automatiquement et en temps réel la puissance émise par un laser afin de forcer temporellement la température maximale du tissu situé à proximité de la sonde laser à suivre une consigne de température prédéfinie, à l’aide d’un algorithme de régulation proportionnel-intégral-dérivé. La méthode est validée sur le muscle sur un modèle préclinique. Une deuxième étude présente une méthode de contrôle de température automatisé plus sophistiquée pour contrôler simultanément l’énergie lumineuse émise par plusieurs sondes d’ablation laser. La méthode a également été validée in vivo sur un modèle préclinique réaliste.En parallèle de ces travaux, un prototype de sonde laser innovante constituée de plusieurs émetteurs laser a été développée et évaluée in vivo pour démontrer la possibilité de réaliser des ablations conformationnelles avec une sonde unique. Des développements logiciels ont aussi été réalisés afin de faciliter la conception et le test des méthodes présentées dans les deux premières études.Cette thèse a permis de développer des méthodes innovantes pour améliorer la sécurité et la précision des procédures d’ablation laser guidées par thermométrie IRM. Les algorithmes de rétrocontrôle sont adaptables à d’autres dispositifs d’ablation communément utilisés en radiologie interventionnelle (radiofréquences, ultrasons focalisés, micro-ondes)
Laser thermal ablation is a minimally invasive therapy that consists in transcutaneously inserting one or more laser probes into pathological tissue (e.g., a tumor), and using the absorption of light energy by the tissue to generate localized heating and induce coagulation necrosis (destruction of diseased cells, from 43 to 100°C) or moderate hyperthermia (stimulation of an immune response or activation of a heat-sensitive drug, from 40 to 43°C). In order to precisely control the therapeutic procedure, it is preferable to be able to spatially map heat deposition in the targeted tissue in real time. This can be achieved by using advanced MRI thermometry methods to image tissue temperature distribution in real time and volume (75 ms per acquisition), with a spatial resolution of around one millimeter and an uncertainty of around 1°C.This thesis presents a set of technological developments enabling precise control of heating in targeted tissue. A first study shows the feasibility of exploiting MRI thermometry to automatically adjust the power emitted by a laser in real time, in order to temporally force the maximum temperature of tissue located near the laser probe to follow a predefined temperature set point, using a proportional-integral-derivative control algorithm. The method has been validated on muscle in a preclinical model. A second study presents a more sophisticated automated temperature control method for simultaneously controlling the light energy emitted by several laser probes. The method has also been validated in vivo on a realistic preclinical model.In parallel with this work, a prototype of an innovative laser probe consisting of several laser emitters was developed and evaluated in vivo to demonstrate the possibility of performing conformal ablations with a single probe. Software developments were also carried out to facilitate the design and testing of the methods presented in the first two studies.This thesis has developed innovative methods for improving the safety and accuracy of MRI thermometry-guided laser ablation procedures. The feedback algorithms are adaptable to other ablation devices commonly used in interventional radiology (radiofrequency, focused ultrasound, microwave)

L'interprétation de scènes tridimensionnelles dans un contexte cartographique met en jeu de nombreuses techniques, des plus traditionnelles, comme la photogrammétrie à partir d'images aériennes, jusqu'aux plus récentes, comme l'altimétrie laser. Si la photogrammétrie intègre les traitements géométriques liés à l'orientation des images, ainsi que le calcul des altitudes associées à chaque pixel par des processus de corrélation, les systèmes laser aéroportés (capteurs actifs) intègrent un mécanisme de géoréférencement direct (couplage Inertie-GPS) des impulsions lumineuses émises, fournissant ainsi une représentation de la topographie sous la forme d'un nuage de points 3D. Les objectifs de cette thèse étaient dans un premier temps de valoriser de manière autonome les données 3D issues de la technologie laser, compte tenu de leur caractère novateur, puis d'étudier divers aspects de l'intégration de ces données à un savoir-faire photogrammétrique. Nous nous sommes donc intéressés dans une première partie à l'extraction automatique de points laser appartenant au sol (paysages urbains et ruraux). L'analyse de ces points sol nous a menés à la recherche d'une modélisation dense du terrain sous la forme d'une grille régulière d'altitude à travers la définition d'un modèle bayésien de régularisation de surface. Les points appartenant à la composante sursol, dans le cadre de l'étude du milieu urbain pour la modélisation du bâti, ont été analysés à la lumière d'un algorithme de recherche de primitives planes (facettes de toits) basé sur une modification de l'estimateur robuste RANSAC. La seconde partie concerne l'étude effective du couplage des techniques laser et photogrammétriques. Il s'agit d'utiliser conjointement la grande précision des mesures laser (<5 cm pour la composante altimétrique sous certaines conditions) avec d'une part la radiométrie issue des images aériennes, mais aussi avec les images d'altitudes correspondantes. La confrontation des géométries issues de ces deux systèmes fait apparaître des décalages tridimensionnels non linéaires possiblement liés aux dérives temporelles des mesures inertielles. Un algorithme de recalage adapté à la géométrie d'acquisition des bandes laser a donc été mis en place, assurant a posteriori, une cohérence des géométries aussi bien 2D que 3D. À partir d'une mise en correspondance locale des surfaces, un mécanisme de corrections par fenêtres glissantes simule les dépendances temporelles des variations, sans imposer de modèle global de déformations. Enfin, nous avons exprimé la complémentarité des deux systèmes à travers l'extraction de facettes 3D de bâtiments par un mécanisme de segmentation hiérarchique d'images basé sur la définition d'une énergie d'agrégation de régions élémentaires dépendant à la fois des informations présentes dans l'image, des points laser et de la classification préalablement effectuée.

Many practical tasks in industry, such as automatic inspection or robot vision, often require scanning of three-dimensional shapes with non-contact techniques. However, transparent objects, such as those made of glass, still pose difficulties for classical scanning techniques. The reconstruction of surface geometry for transparent objects is complicated by the fact that light is transmitted through, refracted and in some cases reflected by the surface. Current approaches can only deal relatively well with sub-classes of objects. The algorithms are still very specific and not generally applicable. Furthermore, many techniques require considerable acquisition effort and careful calibration. This thesis proposes a new method of determining the surface shape of transparent objects. The method is based on local surface heating and thermal imaging. First, the surface of the object is heated with a laser source. A thermal image is acquired, and pixel coordinates of the heated point are calculated. Then, the 3D coordinates of the surface are computed using triangulation and the initial calibration of the system. The process is repeated by moving the transparent object to recover its surface shape. This method is called Scanning From Heating. Considering the laser beam as a point heating source and the surface of the object locally flat at the impact zone, the Scanning From Heating method is extended to obtain the surface normals of the object, in addition to the 3D world coordinates. A scanner prototype based on Scanning From Heating method has been developed during the thesis.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la perception multicapteur pour la robotique mobile en milieu intérieur et, plus précisément, traite de l'exploitation des caméras 3D à bas coût en complément du système de perception d'un robot équipé d'un télémètre laser à balayage et de caméras conventionnelles. En effet, chacun de ces capteurs seuls souffre de défauts importants : limitation du champ de vision pour les caméras à bas coût et détection sur un unique plan pour le télémètre. L'utilisation de la caméra 3D en complément du télémètre doit permettre de percevoir les obstacles invisibles par le télémètre tout en conservant un large champ de vision. La caméra 3D apporte également des données très utiles pour augmenter les informations visuelles dans le cadre d'une interface homme-robot. La perception multicapteur basée sur le télémètre laser, la caméra 3D et la caméra conventionnelle nécessitent un étalonnage extrinsèque suffisamment précis pour l'application considérée. Au-delà de la précision, le processus lui-même se doit d'être pratique et facilement répétable puisque, notamment lorsque les capteurs sont mobiles mais pas seulement, l'étalonnage doit être renouvelé régulièrement. L'interrogation de la communauté utilisant les caméras 3D à bas coût montre que la moitié des chercheurs se contente d'un étalonnage approximatif du fait du caractère fastidieux des processus d'étalonnage. Nous proposons donc dans cette thèse quatre méthodes d'étalonnage extrinsèque dont deux en particulier pour lesquelles l'objectif est d'améliorer significativement la praticité du processus d'étalonnage
This work concerns multisensor perception field of study for indoor mobile robotics and especially treats the use of low cost 3D cameras together with inboard perception system of the robot (usually laser telemeter and conventionnal cameras). Each independent sensor is suffering from important weaknesses as limited field of view for low cost camears or only planar detection for laser telemeter. Using 3D camera in addition to laser telemeter allows tod etect obstacles not detected by laser telemeter but keeps the advantage of the wise field of view of common laser telemeters. 3D camears are also very useful to add visual augmentations on visual data in teleoperation control interfaces.Multisensor perception based on laser telemeter, 3D camera and conventionnal camera is only possible when extrinsic parameters are accuratly (depending on application) known. But not only accurate, the calibration process has to be simple enough to be repeatable particularly whens sensors are fixed. Calibration processes have to be executed regularly because of menanical slack. The robotic community is usually using approximative calibration because calibration is boring. In this work, we propose four new methods for extrinsic calibration. Two of these methods have been conducted to improve significantly teh simplicity and usability of calibration processes

Cette thèse a été effectuée en collaboration entre le Centre de Robotique CAOR de MINES ParisTech et MENSI-Trimble sous convention CIFRE (Convention Industrielle de Formation par la Recherche), afin de concevoir un nouveau système de scanner laser innovant dédié aux systèmes mobiles de cartographie. Pour cela, nous avons développé une méthode d'analyse qualitative des relevés laser et une démarche de conception par simulation d'un système mobile de cartographie. Nous avons ensuite élaboré plusieurs concepts de scanners laser mobiles. A l'aide du simulateur, nous avons virtuellement réalisé ces concepts et avons fait des acquisitions simulées afin d'analyser les données. Après avoir obtenu les résultats de l'analyse, nous avons choisi un concept, réalisé son prototypage et effectué son évaluation en situation réelle
This thesis is a collaboration between the Robotics Centre CAOR of MINES ParisTech and MENSI-Trimble under the CIFRE (Convention Industrielle de Formation par la Recherche) convention, to desgin an innovative laser scanning system dedicated to mobile mapping systems. We developed a method for the qualitative analysis of point-cloud data and the conception of a mobile mapping system using simulation. We elaborated several concepts for mobile laser scanners, which we realized virtually using the simulator. We performed data acquisitions in order to analyze the simulated data. We chose the most suitable concept, based on our analysis results, constructed a prototype and assessed its performance in a real environment

Cette thèse a été effectuée en collaboration entre le Centre de Robotique CAOR de MINES ParisTech et MENSI-Trimble sous convention CIFRE (Convention Industrielle de Formation par la Recherche), afin de concevoir un nouveau système de scanner laser innovant dédié aux systèmes mobiles de cartographie. Pour cela, nous avons développé une méthode d'analyse qualitative des relevés laser et une démarche de conception par simulation d'un système mobile de cartographie. Nous avons ensuite élaboré plusieurs concepts de scanners laser mobiles. A l'aide du simulateur, nous avons virtuellement réalisé ces concepts et avons fait des acquisitions simulées afin d'analyser les données. Après avoir obtenu les résultats de l'analyse, nous avons choisi un concept, réalisé son prototypage et effectué son évaluation en situation réelle.

On souhaite détecter puis modéliser les façades de bâtiments à partir des données acquises par le véhicule de numérisation mobile de l'ign, le Stéréopolis. Il s'agit de trouver une représentation géométrique des façades adapté aux données (signal lidar/laser et images optiques).La méthode doit être automatique et rendre possible la modélisation d'un grand nombre de façades afin de contribuer à la production de maquettes numériques de villes. Les verrous techniques proviennent de l'acquisition mobile en environnement urbain non contrôlé (géo référencement du véhicule, densité variable de points lidar...), ils proviennent du signal lidar, issu d'une technologie relativement récente et pour lequel le processus de traitement n'est pas encore consensuel : faut-il exploiter ou non la géométrie capteur ? Enfin, la quantité de données pose le problème du passage à l'échelle. Afin d'analyser la géométrie des nuages de points 3D lidar, nous avons proposé des attributs décrivant pour chaque point la forme de l'environnement local (linéaire-1D, planaire-2D ou volumique-3D).Les plans principaux des façades sont extraits automatiquement des données lidar grâce à un algorithme streamé de détection de rectangles verticaux. Nous avons développé deux modèles qui sont initialisés par ces rectangles. Une grille irrégulière dont chaque case, parallèle au plan principal peut avancer ou reculer. Une grille déformable qui est ''poussée par les rayons lasers jusqu’aux points lasers’ ‘Enfin, nous avons montré comment la grille déformable peut être rendue cohérente avec les images optiques en alignant les discontinuités géométriques de la grille avec des discontinuités radiométriques des images
One wishes to detect and model building façades from data acquired by the ign mobile scanning vehicle, the Stereopolis. It is a question of finding a geometric representation of facades appropriate to the data (lidar/laser signal and optical images).The method should be automatic and enable the modeling of a large number of facade to help the production of digital city models. Technical obstacles come from the mobile acquisition in uncontrolled urban environment (vehicle georeferencing, variable lidar point density...), they come from the lidar signal, retrieved from a relatively new technology for which the process is not yet consensus :does one operates into sensor geometry or not ? Finally, the amount of data raises the problem of scaling up. To analyze the geometry of lidar 3D point clouds, we proposed attributes describing for each point the shape of the local surroundings (linear-1D, planar-2D or volume-3D).The facade main planes are automatically extracted from lidar data through a streamed detection algorithm of vertical rectangles. We developed two models that are initialized by these rectangles. An irregular grid in which each cell, parallel to the main plane can move forward or backward. A deformable grid which is ''pushed by the laser beams toward the laser points''. Finally, we showed how the deformable grid can be made consistent with the optical images aligning the geometric discontinuities of the grid with radiometric discontinuities of the images

L’objectif de ces travaux de thèse est la reconnaissance automatique des espèces d’arbres à partir de scans laser terrestres, information indispensable en inventaire forestier. Pour y répondre, nous proposons différentes méthodes de reconnaissance d’espèce basées sur la texture géométrique 3D des écorces.Ces différentes méthodes utilisent la séquence de traitement suivante : une étape de prétraitement, une étape de segmentation, une étape d’extraction des caractéristiques et une dernière étape de classification. Elles sont fondées sur les données 3D ou bien sur des images de profondeur extraites à partir des nuages de points 3D des troncs d’arbres en utilisant une surface de référence.Nous avons étudié et testé différentes approches de segmentation sur des images de profondeur représentant la texture géométrique de l'écorce. Ces approches posent des problèmes de sur-Segmentation et d'introduction de bruit. Pour cette raison, nous proposons une nouvelle approche de segmentation des nuages de points 3D : « Burst Wind Segmentation », inspirée des lignes de partage des eaux. Cette dernière réussit, dans la majorité des cas, à extraire des cicatrices caractéristiques qui sont ensuite comparées à un dictionnaire des cicatrices (« ScarBook ») pour discriminer les espèces d’arbres.Une grande variété de caractéristiques est extraite à partir des régions segmentées par les différentes méthodes proposées. Ces caractéristiques représentent le niveau de rugosité, la forme globale des régions segmentées, la saillance et la courbure du contour, la distribution des points de contour, la distribution de la forme selon différents angles,...Enfin, pour la classification des caractéristiques visuelles, les forêts aléatoires (Random Forest) de Leo Breiman et Adèle Cutler sont utilisées dans une approche à deux étapes : sélection des variables importantes, puis classification croisée avec les variables retenues, seulement.L’écorce de l’arbre change avec l'accroissement en diamètre ; nous avons donc étudié différents critères de variabilité naturelle et nous avons testé nos approches sur une base qui présente cette variabilité. Le taux de bonne classification dépasse 96% dans toutes les approches de segmentation proposées mais les meilleurs résultats sont atteints avec la nouvelle approche de segmentation « Burst Wind Segmentation » étant donné que cette approche réussit mieux à extraire les cicatrices, utilise un dictionnaire de cicatrices et a été évaluée sur une plus grande variété de caractéristiques de forme, de courbure, de saillance et de rugosité
The objective of the thesis is the automatic recognition of tree species from Terrestrial LiDAR data. This information is essential for forest inventory. As an answer, we propose different recognition methods based on the 3D geometric texture of the bark.These methods use the following processing steps: a preprocessing step, a segmentation step, a feature extraction step and a final classification step. They are based on the 3D data or on depth images built from 3D point clouds of tree trunks using a reference surface.We have investigated and tested several segmentation approaches on depth images representing the geometric texture of the bark. These approaches have the disadvantages of over segmentation and are quite sensitive to noises. For this reason, we propose a new 3D point cloud segmentation approach inspired by the watershed technique that we have called «Burst Wind Segmentation». Our approach succeed in extracting in most cases the characteristic scars that are next compared to those stored in a dictionary («ScarBook») in order to determine the tree species.A large variety of characteristics is extracted from the regions segmented by the different methods proposed. These characteristics are the roughness, the global shape of the segmented regions, the saliency and the curvature of the contour, the distribution of the contour points, the distribution of the shape according to the different orientations.Finally, for the classification of the visual characteristics, the Random Forest method by Leo Breiman and Adèle Cutler is used in a two steps approach: selection of the most important variables and cross classification with the selected variables.The bark of the tree changes with the trunk diameter. We have thus studied different natural variability criteria and we have tested our approaches on a test set that includes this variability. The accuracy rate is over 96% for all the proposed segmentation approaches but the best result is obtained with the «Burst Wind Segmentation» one due to the fact that this approach can better extract the scars, it uses a dictionary of scars for recognition, and it has been evaluated on a greater variety of shapes, curvatures, saliency and roughness

La rénovation et la réhabilitation énergétique du parc de bâtiment est un des grands défis identifiés pour les décennies à venir. Devant cet impératif d'une rénovation d'ampleur du parc construit, les solutions techniques utilisant des ossatures rapportées sont employées de plus en plus fréquemment car elles permettent de combiner performance thermique, renouvellement esthétique et ajouts fonctionnels. Une des difficultés dans l'amélioration et l'automatisation des projets de rénovation est liée à la connaissance de la géométrie du bâti existant. Des plans de l'état existant ne sont pas toujours disponibles, et dans le cas échéant, ne sont pas forcément exacts en raison de modifications apportées au bâti et non documentées ou d'écarts initiaux entre les plans et la réalisation. Après une étude bibliographique des méthodes existantes détaillées dans le chapitre 1. Les travaux menés dans le cadre d'une collaboration entre le CRITT Bois et le CRAN ont permis de développer une méthode automatique de reconstruction 3D du modèle de bâtiments à partir de nuages de points obtenus par scanner LASER terrestre. La méthode proposée se décompose en trois phases principales. La première phase détaillée dans le deuxième chapitre, consiste à segmenter le nuage de points en plusieurs plans représentants les façades du bâtiment. L'exploitation de la colorimétrie durant la phase de segmentation du nuage de points permet une réduction importante de la complexité de l'algorithme de segmentation géométrique. L'approche consiste à effectuer dans un premier temps une classification préalable du nuage de points en se basant sur les informations colorimétriques de chaque point. Puis, dans un second temps, il s'agit d'effectuer une segmentation géométrique du nuage de points en utilisant un algorithme de segmentation robuste (RANSAC). Le chapitre 3 présente la deuxième phase qui consiste à modéliser le pas d'échantillonnage de la surface à partir duquel on définit le seuil d'extraction des points de contours. Le but étant d'améliorer la fiabilité d'extraction des points de contours, ainsi que l'approximation de l'erreur sur le modèle. Le chapitre 4 détaille les principales étapes de la reconstruction d'un modèle filaire. Dans un premier temps les régions définies par les points de contours sont classées en Régions d'Irrégularités (RI), Régions d'Eléments Architecturaux (REA) comme les fenêtres et Régions de Façade (RF) représentées par les contours extérieurs de la façade. La deuxième étape consiste à modéliser les différentes régions, par un maillage de Delaunay pour les RI, et des polyèdres pour les RF et REA. La dernière étape calcule une approximation de l'erreur sur le modèle. Les tests de fiabilité de la méthode ont été réalisés sur des chantiers réels conduits par des industriels de la construction et de la rénovation. Il en ressort que la qualité de la reconstruction 3D reste fortement dépendante des facteurs d'acquisition ainsi que de la surface numérisée. L'approximation de l'erreur de modélisation permet ainsi de prévoir à l'avance les erreurs sur le modèle CAO
The renovation and the improvement of the energy efficiency of existing housing stock is one of big challenges identified for coming decades. In front of this imperative, timber based elements for building renovation are more and more used due to their substantial improvement of the building insulation, aesthetic renewal and functional additions. However, this technology faces some difficulties, one of them is the improvement of the renovation projects automation, which is bound to the knowledge of the existing built geometry. The plans representing the existing state of the building are not always available, and if so, they may be not exact, because the modifications made on the building are usually undocumented. After a literature review of existing methods which are detailed the first chapter. The work within the framework of cooperation between the CRITTBois and CRAN have allowed to develop an automatic method for 3D building CAD model reconstruction from point clouds acquired by a terrestrial LASER scanner. The proposed method is composed of three main phases. The first one detailed in the second chapter, consists in segmenting the point cloud into planar patches representing the building facades. To decrease the segmentation algorithm complexity, the colorimetric information is also considered. The approach consists in making a colorimetric classification of the point cloud in a first step, then a geometrical segmentation of the point cloud using a robust segmentation algorithm (RANSAC). The third chapter presents the second phase of our approach consists in surface sampling steps modeling and boundary point extraction. Here, we consider a local threshold defined according to the approximated surface sampling steps. The aim of considering local threshold is to improve the reliability of the boundary point extraction algorithm and approximating the CAD model error. The last chapter presents the main three steps of the boundary model reconstruction method. The first step consists in classifying the regions defined by their boundary points into three types of regions: Irregularity Region (IR), Architectural Element Region (AER) as windows, and Facades Regions (FR) which represent the building facades defined by their outer boundaries. The second step consists in modeling these regions considering a Delaunay triangulation for the IR and a polyhedral model for the AER and the FR. The third step consists in making an approximation of the error in the model. The method reliability tests were conducted on real projects; they were performed by industrial construction and renovation professionals. The tests show that the quality of the 3D reconstruction remains strongly dependent to the acquisition factors and the scanned surface properties. Also, the approximation of the modeling error can predict in advance the errors on the CAD model

La peau est une barrière très efficace contre de nombreuses agressions extérieures. Son altération laisse pénétrer des agents nocifs, risquant ainsi le bouleversement de l'homéostase de l'organisme. Des altérations profondes de la peau comme les lésions et les brûlures doivent être réparées le plus rapidement possible afin d'éviter toutes complications. Le processus de réparation et de régénération des tissus cutanés, autrement dit la cicatrisation, permet le rétablissement de l'intégrité fonctionnelle de la peau. L'étude de ce processus biologique dynamique et interactif, est importante afin de mieux comprendre ce phénomène. Cette étude peut se faire soit par une étude de lésions d'origines diverses et accidentelles, soit par un suivi de lésions expérimentales induites chez des volontaires sains. En raison de la grande variabilité des lésions du premier cas, la comparaison des résultats est difficile d'une lésion à l'autre, d'où la nécessité d'induire des lésions expérimentalement et de manière standardisée. La standardisation de la taille des lésions induites (étendue, profondeur), permet de comparer le processus de cicatrisation et les facteurs pouvant l'influencer. Le contrôle des paramètres du laser et son utilisation pour induire des lésions standardisées, sont un bon moyen pour explorer le processus de cicatrisation. Dans ce but, nous avons utilisé un laser Erbium: YAG nous permettant ainsi une reproductibilité de l'induction de ces lésions cutanées. Cet outil a pu être validé chez l'homme en le comparant à un modèle de référence; la désépidermisation par la technique de bulles de succion. Ainsi cette étude nous permis de répondre à la question de la validation de la technique d'induction de lésions expérimentales, et par la même occasion l'établissement d'une courbe normale d'évolution de la barrière cutanée et de la réparation de la barrière cutanée, pour servir comme standard aux prochaines études
The skin is an efficient barrier providing protection from external agents and assuring homeostasis by controlling thermal and aqueous exchanges. This may be compromised following disease or trauma, where rapid restoration of barrier function is required to maintain vital functions. Traumatic insult, or wounding of skin is normally rapidly resolved via the wound healing process, but may be prolonged due to infection or systemic factors. Experimental wound healing studies provide information on this process, but lack standardised models of wound induction, and often use invasive techniques for it’s evaluation. Controlled tissue ablation can be achieved using the Erbium:YAG laser, thus rendering it suitable for standardised wound induction. The work of this thesis has involved ex vivo and in vivo experimentation with this laser on animal and human skin, with the aim of inducing standardised epidermal wounds, and in parallel, using novel techniques for non-invasive measurement of epidermal wound size. Thus, the main objectives were : 1) validating a technique for epidermal thickness measurement, 2) determining the relationship between laser energy and wound size/ablation depth, 3) establishing the time-course for epidermal healing in an animal model using single and multi-spot wounds, and 4) comparing multi-spot wounds to the standard suction blister technique for epidermal healing rates in human volunteers. The results showed, using human skin ex vivo, that epidermis could be observed in situ using optical coherence tomography (OCT) imaging, but that epidermal thickness measurements were not closely correlated with those determined histologically. However, wound depth in human skin ex vivo and hairless rat skin in vivo was correlated with laser energy or fluence using a novel 3D imaging method. Consequently, a fluence of xx J. Cm-² was used in the hairless rat model to remove entire epidermis for healing rate measurements. .

Dans les domaines de la défense, de l’industrie et de la prospection marine, la représentation détaillée d’une scène en trois dimensions (3D) en toutes conditions est cruciale. Un des enjeux est de pouvoir accéder à cette information 3D dans des conditions de forte teneur en matières en suspension du milieu aquatique. Dans ce contexte, les imageurs 3D à plans focaux utilisent une source laser pulsée et chaque pixel est équipé d’une horloge interne synchronisée sur l’émission laser, permettant d’accéder à l’information 3D tout en filtrant temporellement les photons parasites diffusée par les hydrosols présents dans le milieu étudié. Les caméras à comptage de photons permettent de capter des flux lumineux très faibles, ce qui permet de voir à travers de fortes épaisseurs optiques tout en minimisant la puissance laser nécessaire. Cependant, un tel régime est fortement sensible au rapport entre le signal du volume d’eau turbide et le signal de la cible. Dans l’optique d’évaluer l’apport potentiel de la technologie lidar pour l’observation de cibles 3D à courte portée (5-20 m) dans des milieux denses, un prototype d’imageur actif avec une matrice de SPAD a été précédemment développé à l’ONERA-Toulouse.L’objectif de cette thèse consiste à évaluer la capacité du prototype à retranscrire une scène 3D dans des conditions de forte turbidité, ainsi que comprendre l’impact de la diffusion par les particules du milieu sur le signal détecté par la caméra. La méthodologie utilisée est basée sur une approche théorique (modélisation) et expérimentale. L’approche théorique a consisté à développer un modèle de transfert radiatif de type Monte-Carlo pour simuler les interactions entre le rayonnement émis par une source laser, les particules du milieu traversé et la cible observée. L’approche expérimentale a consisté à déployer le prototype imageur dans une chambre climatique pour valider le modèle de Monte Carlo mis au point.Un état de l’art des propriétés optiques des milieux aquatiques a été réalisé, puis le modèle de transfert radiatif a été adapté au contexte de l’imagerie à courte portée en milieu dense en proposant une modélisation du phénomène de « flou » optique sur le signal diffusé depuis la colonne turbide proche du détecteur. Ce modèle permet d’accélérer la vitesse de convergence du modèle d’autant plus rapidement que l’épaisseur optique traversée est importante (facteur d’accélération de 6500 pour une épaisseur optique de 4.1). Cela permet de simuler des scènes 3D pour des épaisseurs optiques importantes (>5), ce qui était auparavant impossible dans un temps de calcul raisonnable.Le modèle a été validé en diffusion simple, puis l’impact de la diffusion multiple et de l’orientation de la diffusion sur le signal 3D reçu par la caméra a été étudié. Des métriques quantitatives ont été proposées pour caractériser du signal cible. L’étude de ces métriques a entre autre montré que la perte de contraste de la restitution 3D de la cible en diffusion multiple dépend de la directionnalité de la diffusion et de la taille des champs de détection et d’illumination.La dernière étape de la thèse a consisté à valider expérimentalement le modèle numérique. Le prototype imageur a été d’abord caractérisé avec précision, puis une campagne de mesure a été conduite dans une serre climatique avec une scène 3D canonique et deux agents turbides, permettant d’adresser deux régimes de diffusion (faiblement et fortement orientée vers l’avant). Le résultat principal de cette thèse est la mise en évidence, numériquement et expérimentalement, d’une perte de l’information 3D de la scène observée quand la turbidité ou le champ de vue augmentent. La répartition transversale de la perte de contraste dépend fortement de l’agent diffusant utilisé. Ce phénomène ne peut être corrigé par aucun filtrage temporel car il a pour origine des photons faiblement déviés et faiblement retardés
In the fields of defense, industry, and marine exploration, the detailed representation of a scene in three dimensions (3D) under all conditions is crucial. One of the challenges is to access this 3D information in environments with high concentrations of suspended matter in the aquatic medium. In this context, 3D focal plane imagers use a pulsed laser source, and each pixel is equipped with an internal clock synchronized with the laser emission, allowing access to 3D information while temporally filtering out stray photons scattered by hydrosols present in the studied medium. Photon-counting cameras can capture very low light fluxes, enabling visibility through high optical thicknesses while minimizing the necessary laser power. However, such a regime is highly sensitive to the ratio between the signal from the turbid water volume and the target signal.To evaluate the potential contribution of lidar technology for observing 3D targets at short range (5-20 m) in dense environments, an active imager prototype with an SPAD array was previously developed at ONERA-Toulouse. The objective of this thesis is to assess the prototype's ability to reproduce a 3D scene under high turbidity conditions and to understand the impact of particle scattering in the medium on the signal detected by the camera. The methodology used is based on a theoretical (modeling) and experimental approach. The theoretical approach involved developing a Monte Carlo-type radiative transfer model to simulate the interactions between the radiation emitted by a laser source, the particles in the traversed medium, and the observed target. The experimental approach involved deploying the imager prototype in a climate chamber to validate the developed Monte Carlo model.A state-of-the-art review of the optical properties of aquatic environments was conducted, followed by adapting the radiative transfer model to the context of short-range imaging in dense environments by proposing a modeling of the "blur" optical phenomenon on the signal scattered from the turbid column near the detector. This model accelerates the convergence speed of the model, especially when the traversed optical thickness is significant (acceleration factor of 6500 for an optical thickness of 4.1). This allows the simulation of 3D scenes for significant optical thicknesses (>5), which was previously impossible within a reasonable computation time.The model was validated for single scattering, then the impact of multiple scattering and the orientation of scattering on the 3D signal received by the camera was studied. Quantitative metrics were proposed to characterize the target signal. The study of these metrics showed, among other things, that the loss of contrast in the 3D restitution of the target in multiple scattering depends on the directionality of the scattering and the size of the detection and illumination fields.The final stage of the thesis consisted of experimentally validating the numerical model. The imager prototype was first characterized precisely, then a measurement campaign was conducted in a climate greenhouse with a canonical 3D scene and two turbid agents, addressing two scattering regimes (weakly and strongly forward-directed). The main result of this thesis is the numerical and experimental demonstration of a loss of 3D information of the observed scene when turbidity or the field of view increases. The transverse distribution of the contrast loss is strongly dependent on the scattering agent used. This phenomenon cannot be corrected by any temporal filtering as it originates from weakly deviated and weakly delayed photons

Dans le cadre du design des assemblages combustibles, les écoulements turbulents induits par les grilles de maintien provoquent de fortes fluctuations de pression dues aux niveaux de vitesses du fluide induisant la vibration des crayons combustibles. Or ces vibrations sont une source de vieillissement accéléré et d’usure prématurée des assemblages combustibles dont l’origine convient d’être mieux analysée.Dans cette l'optique, des simulations numériques ont été utilisées pour prédire les niveaux de vitesses transverses ainsi que le niveau de turbulence en aval de la grille. Cependant, les codes CFD doivent être validés avec des mesures expérimentales conduisant ainsi à une meilleure compréhension des structures mis en jeu dans le processus de mélange. Or la caractéristique de ce type d'écoulement repose sur son caractère tridimensionnel entre les faisceaux de crayons où l'accès optique est limité et à l'heure actuelle, aucune mesure de vitesse 3D n'a été réalisée. C'est pourquoi nous nous proposons de présenter dans cette étude l'application d'une technique de mesure 3D résolue en temps dans une boucle hydraulique transparente. L’approche consiste à utiliser une stratégie de suivi, dans lequel des particules traceuses individuelles sont d'abord détectées dans l’écoulement et ensuite suivies dans le temps – PTV 3D.Cette thèse présente les résultats obtenus dans une veine d’essais hydraulique en utilisant une approche de suivi à l’aide de deux caméras. Dans un premier temps, une nouvelle extension de la technique de défocalisation permettant de récupérer les positions des particules dans le temps avec une caméra est présentée et la méthodologie pour récupérer les déplacements individuels est décrite. Des cas d’application et de validation de la technique sont présentés afin de mieux quantifier les erreurs de mesures. Ensuite, la boucle hydraulique est introduite et son écoulement caractérisé par des techniques établies de mesure de vitesse. Finalement, les mesures 3D à deux caméras sont réalisées et discutées
In order to validate the numerical simulation of the mixing phenomena downstream a spacer grid in the reactor core, reaching the 3rd velocity component through experimental studies is of major importance since mechanical structures responses are linked to transverse velocities. Nevertheless the main difficulty relies on applying a non-intrusive velocimetry technique around obstacles composed of a vertical set of rods. So far only 1D and 2D temporal studies have been performed.Hence, numerical methods have been widely used to predict correctly those transverse velocities and the turbulence level downstream the grid. However, CFD codes are to be validated with experimental measurements leading to a better understanding of the detailed flow structure in the mixing process. Therefore we propose to present in this study the application of a 3D time resolved velocity measurement technique to a hydraulic test facility. The approach is to use a tracking strategy, in which individual particles are first detected then followed in time - 3D time resolved Particle Tracking Velocimetry.This PhD Thesis presents results obtained in a hydraulic test section using a tracking based approach with two cameras. At first, a new extension of the defocussing technique to recover particles location in time with one camera is presented and the methodology o get individual velocity vector is then described. Applications and validations of the technique in dedicated flows allow to determinate and quantify measurement uncertainties. Then the hydraulic test section is introduced together with preliminary flow characterization using Laser Doppler Velocimetry or 2D time resolved PIV analysis. Finally, two cameras measurements are reported and post-processing techniques are discussed

La rénovation et la réhabilitation énergétique du parc de bâtiment est un des grands défis identifiés pour les décennies à venir. Devant cet impératif d'une rénovation d'ampleur du parc construit, les solutions techniques utilisant des ossatures rapportées sont employées de plus en plus fréquemment car elles permettent de combiner performance thermique, renouvellement esthétique et ajouts fonctionnels. Une des difficultés dans l'amélioration et l'automatisation des projets de rénovation est liée à la connaissance de la géométrie du bâti existant. Des plans de l'état existant ne sont pas toujours disponibles, et dans le cas échéant, ne sont pas forcément exacts en raison de modifications apportées au bâti et non documentées ou d'écarts initiaux entre les plans et la réalisation. Après une étude bibliographique des méthodes existantes détaillées dans le chapitre 1. Les travaux menés dans le cadre d'une collaboration entre le CRITT Bois et le CRAN ont permis de développer une méthode automatique de reconstruction 3D du modèle de bâtiments à partir de nuages de points obtenus par scanner LASER terrestre. La méthode proposée se décompose en trois phases principales. La première phase détaillée dans le deuxième chapitre, consiste à segmenter le nuage de points en plusieurs plans représentants les façades du bâtiment. L'exploitation de la colorimétrie durant la phase de segmentation du nuage de points permet une réduction importante de la complexité de l'algorithme de segmentation géométrique. L'approche consiste à effectuer dans un premier temps une classification préalable du nuage de points en se basant sur les informations colorimétriques de chaque point. Puis, dans un second temps, il s'agit d'effectuer une segmentation géométrique du nuage de points en utilisant un algorithme de segmentation robuste (RANSAC). Le chapitre 3 présente la deuxième phase qui consiste à modéliser le pas d'échantillonnage de la surface à partir duquel on définit le seuil d'extraction des points de contours. Le but étant d'améliorer la fiabilité d'extraction des points de contours, ainsi que l'approximation de l'erreur sur le modèle. Le chapitre 4 détaille les principales étapes de la reconstruction d'un modèle filaire. Dans un premier temps les régions définies par les points de contours sont classées en Régions d'Irrégularités (RI), Régions d'Eléments Architecturaux (REA) comme les fenêtres et Régions de Façade (RF) représentées par les contours extérieurs de la façade. La deuxième étape consiste à modéliser les différentes régions, par un maillage de Delaunay pour les RI, et des polyèdres pour les RF et REA. La dernière étape calcule une approximation de l'erreur sur le modèle. Les tests de fiabilité de la méthode ont été réalisés sur des chantiers réels conduits par des industriels de la construction et de la rénovation. Il en ressort que la qualité de la reconstruction 3D reste fortement dépendante des facteurs d'acquisition ainsi que de la surface numérisée. L'approximation de l'erreur de modélisation permet ainsi de prévoir à l'avance les erreurs sur le modèle CAO
The renovation and the improvement of the energy efficiency of existing housing stock is one of big challenges identified for coming decades. In front of this imperative, timber based elements for building renovation are more and more used due to their substantial improvement of the building insulation, aesthetic renewal and functional additions. However, this technology faces some difficulties, one of them is the improvement of the renovation projects automation, which is bound to the knowledge of the existing built geometry. The plans representing the existing state of the building are not always available, and if so, they may be not exact, because the modifications made on the building are usually undocumented. After a literature review of existing methods which are detailed the first chapter. The work within the framework of cooperation between the CRITTBois and CRAN have allowed to develop an automatic method for 3D building CAD model reconstruction from point clouds acquired by a terrestrial LASER scanner. The proposed method is composed of three main phases. The first one detailed in the second chapter, consists in segmenting the point cloud into planar patches representing the building facades. To decrease the segmentation algorithm complexity, the colorimetric information is also considered. The approach consists in making a colorimetric classification of the point cloud in a first step, then a geometrical segmentation of the point cloud using a robust segmentation algorithm (RANSAC). The third chapter presents the second phase of our approach consists in surface sampling steps modeling and boundary point extraction. Here, we consider a local threshold defined according to the approximated surface sampling steps. The aim of considering local threshold is to improve the reliability of the boundary point extraction algorithm and approximating the CAD model error. The last chapter presents the main three steps of the boundary model reconstruction method. The first step consists in classifying the regions defined by their boundary points into three types of regions: Irregularity Region (IR), Architectural Element Region (AER) as windows, and Facades Regions (FR) which represent the building facades defined by their outer boundaries. The second step consists in modeling these regions considering a Delaunay triangulation for the IR and a polyhedral model for the AER and the FR. The third step consists in making an approximation of the error in the model. The method reliability tests were conducted on real projects; they were performed by industrial construction and renovation professionals. The tests show that the quality of the 3D reconstruction remains strongly dependent to the acquisition factors and the scanned surface properties. Also, the approximation of the modeling error can predict in advance the errors on the CAD model

Cette étude va se focaliser sur trois aspects. Dans un premier temps, un effort sera porté sur l'aspect "localisation précise" du véhicule en mouvement. Pour cela, il est nécessaire de se pencher sur l'intégration et le traitement de l'information issue de systèmes hétérogènes de navigation: GPS et centrale inertielle (INS) auxquels sera rajoutée ensuite l'odométrie. La raison de cette intégration est d'exploiter les avantages de chacun des systèmes utilisés. L'intégration utilise un filtrage numérique pour procéder à une compensation des erreurs en position, vitesse, et en attitude issues de chaque capteur. L'accent n'a pas seulement été mis sur l'intégration, mais aussi sur les notions de précision des résultats. Dans un deuxième temps, nous allons nous intéresser à la fois à la validation quantitative et qualitative des résultats et à l'élaboration d'une application exploitant notre travail. Les erreurs du système sont comparées avec une trajectoire de référence. Nous avons choisi de réaliser un système de numérisation tridimensionnelle de l'environnement couplé à un système de modélisation adapté au type d'environnement. L'étude se penchera sur le capteur d'acquisition de données télémétriques et son intégration à bord du véhicule. Un intérêt particulier est porté sur la qualité et les imprécisions des données retournées par le télémètre. L'acquisition des données se fera au vol et pendant le déplacement du véhicule. Enfin, le modèle obtenu sera exploité, de deux manières: la constitution d'un modèle géométrique et topologique précis puis l'extraction d'informations sémantiques du modèle (extraction de la route ou des obstacles fixes, identifications d'amers, caractérisation de la route, etc.).

L'imagerie laser 3D est une technique performante utilisée notamment pour cartographier l'environnement dans lequel évolue un aéronef, en mesurant la distance le séparant d'un objet, en plus des coordonnées (x,y). Le système est capable d'acquérir des mesures par tout temps (nuit, pluie, brouillard). Une nouvelle génération de capteurs, multi-pixels et ultra-sensibles, permet alors de répondre aux besoins identifiés pour cartographier avec précision une zone de grande superficie : haute résolution spatiale, longue portée avec précision centimétrique et rapidité d'acquisition. Il s'agit des plans focaux 3D Geiger. Avant leur utilisation en aéroporté, il était nécessaire de se familiariser avec leur fonctionnement, basé sur les probabilités de détection. Un simulateur reproduisant l'ensemble de la chaîne d'acquisition à été développé, puis validé sur des cas réels, au sol et en conditions statiques. Il a ensuite permis de démontrer l'intérêt des plans focaux Geiger pour la cartographie aéroportée à longue distance
3D laser imaging is a powerful technique used to recognize the environment around an aircraft, by measuring the distance between the system and an objet, in addition to its spatial coordinates. Also, it allows data acquisition under any weather condition (night, rain, fog). A new kind of sensors, multi-pixel arrays with high sensitivity, seems in line with the needs of an accurate 3D mapping of a big area : high spatial resolution, longe range detection with centimeter accuracy and low acquisition time. There are 3D Geiger-mode focal plane arrays. Before an onboard use, it was necessary to analyze the operation of such a sensor, based on probabilities of detection. An end-to-end simulator reproducing the entire acquisition process has been implemented, then experimentally validated on ground and static cases. It finally allowed to demonstrate the potential and contribution of Geiger-mode focal plane arrays for long distance and high spatial resolution airborne 3D mapping

Les méthodes et les outils de génération automatique ou semi-automatique de modèles 3D urbains se développent rapidement, mais l’évaluation de la qualité de ces modèles et des données spatiales sur lesquelles ils s’appuient n’est que rarement abordée. Notre objectif est de proposer une approche multidimensionnelle standard pour évaluer la qualité des modèles 3D de bâtiments en 1D, 2D et 3D. Deux méthodes sont présentées pour l'évaluation 1D. La première se base sur l’analyse de l’erreur moyenne quadratique en X, Y et Z. La deuxième solution s’appuie sur les instructions parues au Journal Officiel du 30 octobre 2003 et exigeant le respect de classes de précisions. L'approche que nous proposons se penche sur le calcul d'indices de qualité fréquemment rencontrés dans la littérature. L'originalité de notre approche réside dans le fait que les modèles employés en entrée ne se limitent pas au mode raster, mais s'étendent au mode vecteur. Il semble évident que les modèles définis en mode vecteur s'avèrent plus fidèles à la réalité qu'en mode raster. Les indices de qualité 2D et 3D calculés montrent que les modèles 3D de bâtiments extraits à partir des couples d’images stéréoscopiques sont cohérents. Les modèles reconstruits à partir du LiDAR sont moins exacts. En conclusion, cette thèse a abouti à l’élaboration d’une approche d’évaluation multidimensionnelle de bâtiments en 3D. L’approche proposée dans cette thèse est adaptée et opérationnelle pour des modèles vectoriels et rasters de bâtiments 3D simplifiés
Methods and tools for automatic or semi-automatic generation of 3D city models are developing rapidly, but the quality assessment of these models and spatial data are rarely addressed. A comprehensive evaluation in 3D is not trivial. Our goal is to provide a standard multidimensional approach for assessing the quality of 3D models of buildings in 1D, 2D and 3D. Two methods are applied. The first one is done by computing Root Mean Square Errors (RMSE) based on the deviations between both models (reference and test), in X, Y and Z directions. Second method is performed by applying the French legal text (arrêté sur les classes de précision) that is based on the instructions published in the Official Journal from October 30, 2003. These indices pass through the space discretization in pixels or voxels for measuring the degree of superposition of 2D or 3D objects. The originality of this approach is built on the fact that the models used as input are not only limited to raster format, but also extended to vector format. The results of statistics of the quality indices calculated for assessing the building models show that the 3D building models extracted from stereo-pairs are close from each other. Also, the models reconstructed from LiDAR are less accurate than the models reconstructed from aerial images alone. In conclusion, the quality evaluation of 3D building models has been achieved by applying the proposed multi-dimensional approach. This approach is suitable for simplified 3D building vector models created from aerial images and/or LiDAR datasets

La profondeur possible d’imagerie en laser-scanning microscopie est limitée non seulement par la distance de travail des lentilles de objectifs mais également par la dégradation de l’image causée par une atténuation et une diffraction de la lumière passant à travers l’échantillon. Afin d’étendre cette limite, il est possible, soit de retourner le spécimen pour enregistrer les images depuis chaque côté, or couper progressivement la partie supérieure de l’échantillon au fur et à mesure de l‘acquisition. Les différentes images prises de l’une de ces manières doivent ensuite être combinées pour générer un volume unique. Cependant, des mouvements de l’échantillon durant les procédures d’acquisition engendrent un décalage non seulement sur en translation selon les axes x, y et z mais également en rotation autour de ces même axes, rendant la fusion entres ces multiples images difficile. Nous avons développé une nouvelle approche appelée 2D-SIFT-in-3D-Space utilisant les SIFT (scale Invariant Feature Transform) pour atteindre un recalage robuste en trois dimensions de deux images. Notre méthode recale les images en corrigeant séparément les translations et rotations sur les trois axes grâce à l’extraction et l’association de caractéristiques stables de leurs coupes transversales bidimensionnelles. Pour évaluer la qualité du recalage, nous avons également développé un simulateur d’images de laser-scanning microscopie qui génère une paire d’images 3D virtuelle dans laquelle le niveau de bruit et les angles de rotations entre les angles de rotation sont contrôlés avec des paramètres connus. Pour une concaténation précise et naturelle de deux images, nous avons également développé un module permettant une compensation progressive de la luminosité et du contraste en fonction de la distance à la surface de l’échantillon. Ces outils ont été utilisés avec succès pour l’obtention d’images tridimensionnelles de haute résolution du cerveau de la mouche Drosophila melanogaster, particulièrement des neurones dopaminergiques, octopaminergiques et de leurs synapses. Ces neurones monoamines sont particulièrement important pour le fonctionnement du cerveau et une étude de leur réseau et connectivité est nécessaire pour comprendre leurs interactions. Si une évolution de leur connectivité au cours du temps n’a pas pu être démontrée via l’analyse de la répartition des sites synaptiques, l’étude suggère cependant que l’inactivation de l’un de ces types de neurones entraine des changements drastiques dans le réseau neuronal
Although laser scanning microscopy is a powerful tool for obtaining thin optical sections, the possible depth of imaging is limited by the working distance of the microscope objective but also by the image degradation caused by the attenuation of both excitation laser beam and the light emitted from the fluorescence-labeled objects. Several workaround techniques have been employed to overcome this problem, such as recording the images from both sides of the sample, or by progressively cutting off the sample surface. The different views must then be combined in a unique volume. However, a straightforward concatenation is often not possible, because the small rotations that occur during the acquisition procedure, not only in translation along x, y and z axes but also in rotation around those axis, making the fusion uneasy. To address this problem we implemented a new algorithm called 2D-SIFT-in-3D-Space using SIFT (scale Invariant Feature Transform) to achieve a robust registration of big image stacks. Our method register the images fixing separately rotations and translations around the three axes using the extraction and matching of stable features in 2D cross-sections. In order to evaluate the registration quality, we created a simulator that generates artificial images that mimic laser scanning image stacks to make a mock pair of image stacks one of which is made from the same stack with the other but is rotated arbitrarily with known angles and filtered with a known noise. For a precise and natural-looking concatenation of the two images, we also developed a module progressively correcting the sample brightness and contrast depending on the sample surface. Those tools we successfully used to generate tridimensional high resolution images of the fly Drosophila melanogaster brain, in particular, its octopaminergic and dopaminergic neurons and their synapses. Those monoamine neurons appear to be determinant in the correct operating of the central nervous system and a precise and systematic analysis of their evolution and interaction is necessary to understand its mechanisms. If an evolution over time could not be highlighted through the pre-synaptic sites analysis, our study suggests however that the inactivation of one of these neuron types triggers drastic changes in the neural network

L'histologie tridimensionnelle (3D) est un nouvel outil avancé de cancérologie. L'ensemble du profil chimique et des caractéristiques physiologiques d'un tissu est essentiel pour comprendre la logique du développement d'une pathologie. Cependant, il n'existe aucune technique analytique, in vivo ou histologique, capable de découvrir de telles caractéristiques anormales et de fournir une distribution3D à une résolution microscopique. Nous présentons ici une méthode unique de microscopie infrarouge (IR) à haut débit combinant une correction d'image automatisée et une analyse ultérieure des données spectrales pour la reconstruction d'image 3D-IR. Nous avons effectué l'analyse spectrale d'un organe complet pour un petit modèle animal, un cerveau de souris avec une tumeur de gliome implantée. L'image 3D-IR est reconstruite à partir de 370 coupes de tissus consécutives et corrigée à l'aide du tomogramme à rayons X de l'organe pour une analyse quantitative précise du contenu chimique. Une matrice 3D de spectres IR 89 x 106 est générée, ce qui nous permet de séparer la masse tumorale des tissus cérébraux sains en fonction de divers paramètres anatomiques,chimiques et métaboliques. Nous démontrons pour la première fois que des paramètres métaboliques quantitatifs (glucose, glycogène et lactate) peuvent être extraits et reconstruits en 3D à partir des spectres IR pour la caractérisation du métabolisme cérébral / tumoral (évaluation de l'effet de Warburg dans les tumeurs). Notre méthode peut être davantage exploitée en recherchant l'ensemble du profil spectral, en distinguant différents points de repère anatomiques dans le cerveau.Nous le démontrons par la reconstruction du corps calleux et de la région des noyaux gris centraux du cerveau
Three-dimensional (3D) histology is a new advanced tool for cancerology. The whole chemical profile and physiological characteristics of a tissue is essential to understand the rationale of pathology development. However, there is no analytical technique, in vivo or histological, that is able to discover such abnormal features and provide a 3D distribution at microscopic resolution.Here, we introduce a unique high- throughput infrared (IR) microscopy method that combines automated image correction and subsequent spectral data analysis for 3D-IR image reconstruction. I performed spectral analysis of a complete organ for a small animal model, a mouse brain with animplanted glioma tumor. The 3D-IR image is reconstructed from 370 consecutive tissue sectionsand corrected using the X-ray tomogram of the organ for an accurate quantitative analysis of thechemical content. A 3D matrix of 89 x 106 IR spectra is generated, allowing us to separate the tumor mass from healthy brain tissues based on various anatomical, chemical, and metabolic parameters. I demonstrate for the first time that quantitative metabolic parameters (glucose, glycogen and lactate) can be extracted and reconstructed in 3D from the IR spectra for the characterization of the brain vs. tumor metabolism (assessing the Warburg effect in tumors). Our method can be further exploited by searching for the whole spectral profile, discriminating different anatomical landmarks in the brain. I demonstrate this by the reconstruction of the corpus callosum and basal ganglia region of the brain

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude, la conception et le développement de deux nouveaux prototypes de reconstruction tridimensionnelle, spécifique aux objets transparents. La numérisation 3D d'objets opaques est abondamment traitée dans la littérature et de nombreux systèmes sont d'ailleurs commercialisés. Cependant, lorsqu'il s'agit de la numérisation 3D d'objets transparents, les publications se font rares et aucun système de scanning n'existe sur le marché. La technique de numérisation de surfaces transparentes demeure compliquée et non maîtrisée à l'heure actuelle. L'opacification de la surface avant le scanning s'avère être la solution retenue dans le domaine du contrôle qualité. Néanmoins, cette alternative n'est pas optimale en raison du coût de traitements et du manque de précision éventuellement engendré. Afin de solutionner les problèmes de la numérisation d'objets transparents, nous avons développé deux approches dites non conventionnelles en étendant les méthodes existantes (dans le visible) aux longueurs d'onde dans lesquelles les sujets apparaissent opaques (IR et UV). Les deux méthodes de mesure sans contact retenues sont : - la reconstruction par polarisation dans l'IR, en vue de s'affranchir des problèmes d'inter-réflexions; - le scanning par laser UV, pour satisfaire les contraintes industrielles (précision, rapidité et coût) tout en résolvant de manière efficace le problème de réfraction. La première approche est fondée sur la réflexion spéculaire de l'objet dans l'IR tandis que la seconde exploite la propriété de l'objet à fluorescer sous l'irradiation UV. L'inexistence des lentilles télécentriques dans l'IR nous a conduits à adapter la reconstruction par polarisation dans l'IR à l'aide d'une lentille non télécentrique. Pour ce faire, une méthode d'approximation du modèle orthographique a été développée et une méthode de validation visant à améliorer la précision des résultats a été en outre intégrée dans le processus de reconstruction après l'étape d'estimation des paramètres de Stokes. Nos résultats sont très satisfaisants et attestent la faisabilité de la reconstruction par polarisation dans l'IR. Quatre configurations de système de scanning par triangulation ont été déployées afin d'exploiter la propriété de fluorescence des objets transparents irradiés sous un rayonnement UV. Des expérimentations visant à caractériser la fluorescence induite à la surface des objets considérés et à vérifier l'éligibilité de notre approche ont été menées. Les mesures spectroscopiques nous ont permis d'élaborer des critères de "tracking" (détection et localisation) des points fluorescents en présence des bruits inhérents à l'acquisition. Nous avons également mis au point des méthodes de validation des paramètres du modèle de reconstruction 3D estimés lors de la calibration, permettant ainsi d'optimiser la configuration du système de scanning. Les méthodes de "tracking" et de validation ont contribué considérablement à l'amélioration de la précision des résultats. Par ailleurs, la précision obtenue n'a jamais été atteinte au regard de ce que l'on trouve dans la littérature
Two non-conventional methods for the 3D digitization of transparent objects via non-contact measurement are reported in this thesis. 3D digitization is a well acknowledged technique for opaque objects and various commercial solutions based on different measurement approaches are available in the market offering different types of resolution at different prices. Since these techniques require a diffused or lambertian surface, their application to transparent surfaces fails. Indeed, rays reflected by the transparent surface are perturbed by diverse inter-reflections induced by the refractive properties of the object. Therefore, in industrial applications like quality control, the transparent objects are powder coated followed by their digitization. However, this method is expensive and can also produce inaccuracies. Among the rare methods suggested in the literature, shape from polarization provides reliable results even though their accuracy had to be improved by coping with the inter-reflections. The two proposed solutions handle the extension of the existing methods to wavelengths beyond visible ranges: - shape from polarization in Infra Red (IR) range to deal with the above-mentioned inter-reflections; - scanning by Ultra Violet (UV) laser (based on triangulation scheme) to overcome the refraction problem that can be feasibly applied in industrial applications. The characteristic physical properties of transparent objects led us to explore the IR and UV ranges; since, transparent glass has strong absorption bands in the IR and UV ranges and therefore has opaque appearance. The first approach exploits the specular reflection of the considered object surface in IR and the second one exploits the fluorescence property of the object when irradiated with UV rays. Shape from polarization traditionally based on telecentric lenses had to be adapted with non-telecentric lenses to be used in the IR range. Thus, an approximation of the orthographic model is developed in this thesis while a validation method is implemented and integrated in the reconstruction process after Stokes parameters estimation, in order to improve the accuracy of the results. Some results of digitized objects are presented, which prove the feasibility of the shape from polarization method in the IR range to be used for transparent objects. A total of four configurations of the triangulation system are implemented in this thesis to exploit fluorescence produced by the UV laser scanning of the second approach. Experimental investigations aimed at characterizing the fluorescence are done. A specific fluorescence tracking method is carried out to deal with the inherent noise in the acquisitions. The uniqueness of the method relies on the criteria that are derived from the analysis of spectroscopic results. A validation method is made to optimize the configuration system while reducing the accuracy of reconstruction error. The results of some object digitization are presented with accuracies better than previously reported works

Cette thèse s'intègre dans le processus qui conduit de l'acquisition numérique 3D à
la réalisation de maquettes virtuelles destinées à l'architecture et à l'archéologie.
Elle débute par l'étude des techniques d'acquisition 3D utilisées, la lasergrammétrie
et la photogrammétrie architecturale, et se poursuit par une analyse comparative
détaillée de ces dispositifs, basée sur de multiples expérimentations réalisées sur le
terrain lors de la collaboration entre le Map-Crai et le Map-Page.
Ensuite une réflexion sur la morphologie architecturale est abordée autour de ses
variantes typologiques et architectoniques, suivie par les questions théoriques
soulevées par la modélisation 3D et plus spécifiquement la modélisation
architecturale.
Diverses expérimentations sont ensuite présentées, elles constituent le support
d'une réflexion sur le développement d'outils numériques destinés à faciliter la
modélisation géométrique architecturale. La principale contribution de cette thèse
correspond à l'association de cette réflexion empirique à une approche analytique
fondée sur nos connaissances théoriques en architecture, qui aboutit à l'identification
de primitives géométriques contraintes, les moulures. Les outils numériques ainsi
développés dans un logiciel de CAO définissent ces primitives géométriques
ajustables dont le champ d'application initial, spécifique à l'architecture classique,
sera étendu à l'architecture khmère.
Enfin une proposition plus évoluée correspondant à la téléologie de cette thèse,
obtenir de façon efficace un résultat conforme au cahier des charges de la
modélisation architecturale et archéologique, est intégrée dans un logiciel de
synthèse d'image.

Le scanner laser aéroporté est une technique d'imagerie très prometteuse, notamment pour l'observation des zones forestières. En particulier, la déclinaison "onde complète", qui consiste à enregistrer l'intégralité du signal lumineux réfléchi par la scène suite à l'émission d'une impulsion laser, permet de sonder les couverts végétaux en profondeur. De nombreux systèmes commerciaux sont disponibles et d'ores et déjà utilisés en particulier en topographie ou en bathymétrie. Mais ces systèmes ne sont pas dédiés à l'observation de la végétation. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'intérêt de ces systèmes pour la reconstruction géométrique des modèles numériques de terrain sous couvert végétal, et le développement d'outils qui permettront d'optimiser les performances des systèmes lidar onde complète dans ce but. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle physique de lidar onde complète adapté à la simulation de l'observation de scènes de végétation. Le modèle DELiS (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) permet de simuler l'observation de scènes de végétation complexes et réalistes, tout en incluant la prise en compte de l'environnement extérieur (atmosphère, soleil) ainsi que des bruits de mesure. Une fois le modèle DELiS validé par confrontation à des résultats analytiques, nous avons utilisé ses capacités de simulation afin d'étudier l'intérêt du lidar onde complète pour la reconstruction d'un modèle numérique de terrain sous couvert végétal. Dans ce but, nous avons mis en place une méthode originale de traitement et de classification des données lidar onde complète permettant de séparer les échos lidar provenant du sol de ceux provenant de la végétation. Grâce à ces données classifiées, nous pouvons ensuite reconstruire la géométrie du sol et des objets initialement occultés par la végétation. Enfin, nous nous intéresserons à la possibilité de combiner des données aéroportées acquises sous différents points de vue afin d'améliorer les reconstructions. Mis à part le développement d'un outil opérationnel de simulation de la mesure lidar onde complète, qui pourra servir de support à de nombreuses études ainsi qu'au développement et au dimensionnement de nouveaux instruments, nous avons pu démontrer dans cette thèse que le scanner laser aéroporté onde complète pouvait permettre d'obtenir en milieux forestier des reconstructions de la géométrie du terrain à des résolutions sub-métriques et avec une précision de l'ordre de 10 à 20 centimètres. La combinaison des visées multi-angulaire permet, par l'apport d'une quantité importante d'information supplémentaire, d'améliorer encore les reconstructions. Nous montrons cependant que les visées inclinées sont plus sensibles à la présence des troncs et branchages des arbres, éléments qui sont susceptibles d'introduire une erreur importante dans les processus de classification et de reconstruction. Pour cette raison, nous recommandons l'utilisation de la visée nadir pour la reconstruction mono-vue des modèles numériques de terrain, et nous proposons une méthode permettant de choisir de façon optimale les visées inclinées à ajouter pour l'observation détaillée d'une portion plus restreinte de la scène.