Mesh deformation strategies in shape optimization. Application to forensic facial reconstruction

par Chiara Nardoni

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Maya de Buhan et de Pascal Frey.

Soutenue le 13-10-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale de Sciences mathématiques de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Jacques-Louis Lions / LJLL (laboratoire) .

Le président du jury était Yvon Maday.

Le jury était composé de Marion Darbas, Stefan Schlager.

Les rapporteurs étaient Gabriel Peyré, Bruno Lévy.

  • Titre traduit

    Méthodes de déformation de maillage en optimisation de forme. Application à la reconstruction faciale pour la médecine légale


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à la conception, au développement et à l'analyse de méthodes de déformation de maillage pour la modélisation, le traitement et la comparaison de forme -telles que l'appariement et la reconstruction de surface- ainsi qu’à la conception d'une méthode numérique robuste pour la reconstruction faciale. La reconstruction faciale tridimensionnelle consiste à estimer un visage numérique à partir de la seule donnée de son crâne sec. Il s'agit d'un défi en médecine légale et en anthropologie. La contribution majeure de cette thèse est la conception d'une nouvelle méthode pour l'appariement de forme, en s'appuyant sur des techniques d'optimisation de forme. Sous la seule hypothèse que les deux formes ont la même topologie, la transformation cherchée s'obtient comme une suite de déplacements élastiques, solutions d'un problème de minimisation d’énergie basée sur une fonction distance signée.Nous proposons également une méthode de drapage permettant la génération d'un modèle de surface fermée à partir d'un maillage source. La méthode repose sur une technique d’évolution de maillage utilisant les équations de l'élasticité linéaire. Un maillage modèle est itérativement déformé pour générer une séquence de formes qui s’approche de plus en plus de la triangulation source. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous nous intéressons au développement d’une méthode automatique de reconstruction faciale numérique. En s’appuyant sur des techniques de déformation continue telles que le ‘morphing' et le ’warping’, l'approche proposée est intégrée par des connaissances anthropologiques et mécaniques.


  • Résumé

    This thesis is devoted to the conception, the development and the analysis of mesh deformation strategies for shape modeling, processing and comparison -as shape matching and surface reconstruction- and, in a rather independent concern, for devising a robust computational method for facial reconstruction. Facial reconstruction is about the estimation of a facial shape from the sole datum of the underlying skull and is a challenging problem in anthropology and forensic science. The main contribution of the thesis is the design of a novel method for shape matching, borrowing techniques from the shape optimization context. Under the sole assumption that the two shapes share the same topology, the desired mapping is achieved as a sequence of elastic displacements by minimizing an energy functional based on a signed distance function. Several numerical examples are presented to show the efficiency of the method.Also, a novel method for generating a closed surface mesh model of an initially non-closed source mesh model is developed. The method relies on an original PDE-based mesh evolution technique. A template shape is iteratively deformed, producing a sequence of shapes that get 'closer and closer' to the source triangulation.The second part of the manuscript deals with the development of a landmark-free, fully automated method for digital facial reconstruction. Based on techniques of continuous deformation as 'morphing' and 'warping', the proposed approach is integrated with anthropological assumptions and mechanical models.


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