Acquisition et validation de modèles architecturaux virtuels de plantes

Reconstructing plant architecture from 3D laser scanner data

• Auteur / Autrice : Chakkrit Preuksakarn
• Direction : Christophe Godin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 19/12/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AGAP - Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Godin, Bernard Mourrain, Frédéric Baret, Gérard Subsol, Géraldine Morin, Frederic Boudon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Mourrain, Frédéric Baret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Anatomie

Modélisation tridimensionnelle

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Modeles architecturaux de plantes

Scanner laser

Reconstruction 3D

Distance entre structure

Architectural tree model

Laser scanner

3D Reconstruction

Structural distance

Résumé

Les modèles virtuels de plantes sont visuellement de plus en plus réalistes dans les applications infographiques. Cependant, dans le contexte de la biologie et l'agronomie, l'acquisition de modèles précis de plantes réelles reste un problème majeur pour la construction de modèles quantitatifs du développement des plantes.Récemment, des scanners laser 3D permettent d'acquérir des images 3D avec pour chaque pixel une profondeur correspondant à la distance entre le scanner et la surface de l'objet visé. Cependant, une plante est généralement un ensemble important de petites surfaces sur lesquelles les méthodes classiques de reconstruction échouent. Dans cette thèse, nous présentons une méthode pour reconstruire des modèles virtuels de plantes à partir de scans laser. Mesurer des plantes avec un scanner laser produit des données avec différents niveaux de précision. Les scans sont généralement denses sur la surface des branches principales mais recouvrent avec peu de points les branches fines. Le cœur de notre méthode est de créer itérativement un squelette de la structure de la plante en fonction de la densité locale de points. Pour cela, une méthode localement adaptative a été développée qui combine une phase de contraction et un algorithme de suivi de points.Nous présentons également une procédure d'évaluation quantitative pour comparer nos reconstructions avec des structures reconstruites par des experts de plantes réelles. Pour cela, nous explorons d'abord l'utilisation d'une distance d'édition entre arborescence. Finalement, nous formalisons la comparaison sous forme d'un problème d'assignation pour trouver le meilleur appariement entre deux structures et quantifier leurs différences.

In the last decade, very realistic rendering of plant architectures have been produced in computer graphics applications. However, in the context of biology and agronomy, acquisition of accurate models of real plants is still a tedious task and a major bottleneck for the construction of quantitative models of plant development. Recently, 3D laser scanners made it possible to acquire 3D images on which each pixel has an associate depth corresponding to the distance between the scanner and the pinpointed surface of the object. Standard geometrical reconstructions fail on plants structures as they usually contain a complex set of discontinuous or branching surfaces distributed in space with varying orientations. In this thesis, we present a method for reconstructing virtual models of plants from laser scanning of real-world vegetation. Measuring plants with laser scanners produces data with different levels of precision. Points set are usually dense on the surface of the main branches, but only sparsely cover thin branches. The core of our method is to iteratively create the skeletal structure of the plant according to local density of point set. This is achieved thanks to a method that locally adapts to the levels of precision of the data by combining a contraction phase and a local point tracking algorithm. In addition, we present a quantitative evaluation procedure to compare our reconstructions against expertised structures of real plants. For this, we first explore the use of an edit distance between tree graphs. Alternatively, we formalize the comparison as an assignment problem to find the best matching between the two structures and quantify their differences.