Détection de structures fines par traitement d'images et apprentissage statistique : application au contrôle non destructif

Thin structures detection by means of image processing and statistical learning : application to non-destructive testing

• Auteur / Autrice : Vincent Morard
• Direction : Etienne Decencière, Petr Dokladal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Morphologie mathématique
• Date : Soutenance le 22/10/2012
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de morphologie mathématique (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Talbot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Decencière, Petr Dokladal, Dominique Jeulin, Claude LEONETTI
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Van Droogenbroeck, Philippe Salembier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Traitement d'images

Mots clés libres

Traitement d'images

Morphologie Mathématique

Analyse statistique

Caractérisation de formes

Contrôles non destructifs

Ouvertures parcimonieuses par chemins

Image processing

Mathematical morphology

Statistical analysis

Pattern recognition

Non destructive testing

Parsimonious path openings

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons de nouvelles méthodes de traitement d’images pourextraire ou rehausser les éléments fins d’une image. Pour ces opérateurs, issus de la morphologie mathématique,l’accent a été mis principalement sur la précision de détection et sur le temps de calcul,qui doivent être optimisés pour pouvoir répondre aux contraintes de temps imposées par différentesapplications industrielles. La première partie de ce mémoire présente ces méthodes, organisées enfonction de la tortuosité des objets à détecter. Nous commençons par proposer un algorithme rapidepour le calcul des ouvertures 1-D afin d’extraire des structures rectilignes des images. Puis, nous étudionsune nouvelle classe d’opérateurs rapides avec les ouvertures parcimonieuses par chemins, permettantd’analyser des structures ayant une tortuosité modérée. Enfin, nous proposons de nouveauxéléments structurants adaptatifs et des filtres connexes construits avec des attributs géodésiques etgéométriques pour extraire des structures filiformes ayant une tortuosité quelconque.Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse statistique en introduisantune nouvelle pénalisation adaptative. L’objectif consiste à créer un modèle prédictif précis, quiminimise en même temps une fonction de coût, indépendante des données. Lorsque cette fonctionde coût est liée au temps de calcul de chaque descripteur, il est alors possible de créer un modèleparcimonieux précis et qui minimise les temps de calcul. Cette méthode est une généralisation desrégressions linéaires et logistiques Ridge, Forward stagewise, Lar, ou Lasso.Les algorithmes développés dans cette thèse ont été utilisés pour trois applications industrielles,très différentes les unes des autres, mais toutes faisant intervenir une approche multidisciplinaire : letraitement d’images et l’analyse statistique. L’association de ces deux disciplines permet d’améliorerla généricité des stratégies proposées puisque les opérateurs de traitement d’images alliés à un apprentissagesupervisé ou non supervisé, permettent d’adapter le traitement à chaque application.Mots clés : Traitement d’images, morphologie mathématique, analyse statistique, caractérisation deformes, contrôles non destructifs, ouvertures parcimonieuses par chemins, region growing structuringelements, amincissements par attributs géodésiques et topologiques, adaptive coefficient shrinkage.

This PhD is dedicated to new image processing methods to extract or enhance thinobjects from an image. These methods stem from mathematical morphology, and they mainly focuson the accuracy of the detection and on the computation time. This second constraint is imposed bythe fact that we are dealing with high-throughput applications. The first part of this thesis presentsthese methods, organized according to the tortuosity of the objects to detect. We first propose afast algorithm for the computation of 1-D openings, used to extract thin and straight structures in theimages. Then, we study a new class of fast operators, parsimonious path openings, which can extractthin structures with moderate tortuosities. Finally, we propose new adaptive structuring elementsand new thinnings with geodesic and geometric attributes to filter out the noise and to enhance thinstructures of any tortuosity.Besides, we have developed a machine learning method by introducing a new adaptive penalization.We aim at creating a predictive model that minimizes a cost function (independent of the data)while preserving a good accuracy. When this cost function is linked to the computation time of eachfeature, the resulting models will optimize the timings, while preserving a good accuracy. This methodis a generalization of linear and logistic regressions with Ridge, Forward stagewise, Lar or Lassopenalization.The algorithms developed in this thesis have been used for three industrial applications. While theirobjectives are very different, the framework is the same (non-destructive testing) and they all involvea multidisciplinary approach (images processing and statistical analysis). The combination of thesetwo fields yields a higher flexibility in comparison with classical methods. Generic strategies are used,since image processing operators are associated to statistical learning (supervised or unsupervised)to make a specific treatment for each application.Keywords: Image processing, mathematical morphology, statistical analysis, pattern recognition,non destructive testing, parsimonious path openings, region growing structuring elements, geodesicand topologic attributes thinnings, adaptive coefficient shrinkage.