Synthèse de modèles de plantes et reconstructions de baies à partir d’images

Analysis and 3D reconstruction of natural objects from images

• Auteur / Autrice : Jérôme Guénard
• Direction : Vincent Charvillat, Géraldine Morin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image, Information et Hypermédia
• Date : Soutenance le 04/10/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Charvillat, Géraldine Morin, Frédéric Boudon, Raphaëlle Chaine, Michel Devy, Pierre Gurdjos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Chateau, Marc Neveu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Vision par ordinateur

Géométrie projective

Modélisation tridimensionnelle

Plantes

Mots clés libres

Modélisation de plantes

Squelletisation

Analyse-par-synthèse

Reconstruction de quadriques de révolution

Géométrie projective

Vision par ordinateur

Plant modeling

Skeletonization

Analysis-by-synthesis

Quadrics of revolution

Computer vision

Résumé

Les plantes sont des éléments essentiels du monde qui nous entoure. Ainsi, si l’on veut créer des environnements virtuels qui soient à la fois agréables et réalistes, un effort doit être fait pour modéliser les plantes. Malgré les immenses progrès en vision par ordinateur pour reconstruire des objets de plus en plus compliqués, les plantes restent difficiles à reconstruire à cause de la complexité de leur topologie. Cette thèse se divise en deux grandes parties. La première partie s’intéresse à la modélisation de plantes, biologiquement réalistes, à partir d’une seule image. Nous générons un modèle de plante respectant les contraintes biologiques de son espèce et tel que sa projection soit la plus fidèle possible à l’image. La première étape consiste à extraire de l’image le squelette de la plante. Dans la plupart de nos images, aucune branche n’est visible et les images peuvent être de qualité moyenne. Notre première contribution consiste en une méthode de squelettisation basée sur les champs de vecteurs. Le squelette est extrait suite à un partitionnement non déterministe du feuillage de l’image assurant son réalisme. Dans un deuxième temps, la plante est modélisée en 3D. Notre deuxième contribution est la création de modèles pour différents types de plantes, basée sur les L-systèmes. Puis, un processus d’analyse-par-synthèse permet de choisir le modèle 3D final : plusieurs propositions de squelette sont générées et un processus bayésien permet d’extraire le modèle maximisant le critère a posteriori. Le terme d’attache aux données (vraisemblance) mesure la similarité entre l’image et la reprojection du modèle, la probabilité a priori mesure le réalisme du modèle. Après avoir généré des modèles de plantes, des modèles de fruits doivent être créés. Ayant travaillé principalement sur les pieds de vigne, nous avons développé une méthode pour reconstruire une grappe de raisin à partir d’au moins deux vues. Chaque baie est assimilée à un ellipsoïde de révolution. La méthode obtenue peut être plus généralement adaptée à tout type de fruits assimilables à une quadrique de révolution. La seconde partie de cette thèse s’intéresse à la reconstruction de quadriques de révolution à partir d’une ou plusieurs vues. La reconstruction de quadriques et, en général, la reconstruction de surfaces 3D est un problème très ancien en vision par ordinateur qui a donné lieu à de nombreux travaux. Nous rappelons les notions nécessaires de géométrie projective des quadriques, et de vision par ordinateur puis, nous présentons un état de l’art sur les méthodes existantes sur la reconstruction de surfaces quadratiques. Nous détaillons un premier algorithme permettant de retrouver les images des foyers principaux d’une quadrique de révolution à partir d’une vue « calibrée », c’est-à-dire pour laquelle les paramètres intrinsèques de la caméra sont connus. Puis, nous détaillons comment utiliser ce résultat pour reconstruire, à partir d’un schéma de triangulation linéaire, tout type de quadriques de révolution à partir d’au moins deux vues. Enfin, nous montrons comment il est possible de retrouver la pose 3D d’une quadrique de révolution dont on connaît les paramètres à partir d’un seul contour occultant. Nous évaluons les performances de nos méthodes et montrons quelques applications possibles.

Plants are essential elements of our world. Thus, 3D plant models are necessary to create realistic virtual environments. Mature computer vision techniques allow the reconstruction of 3D objects from images. However, due to the complexity of the topology of plants, dedicated methods for generating 3D plant models must be devised. This thesis is divided into two parts. The first part focuses on the modeling of biologically realistic plants from a single image. We propose to generate a 3D model of a plant, using an analysis-by-synthesis method considering both a priori information of the plant species and a single image. First, a dedicated 2D skeletonisation algorithm generates possible branching structures from the foliage segmentation. Then, we built a 3D generative model based on a parametric model of branching systems taking into account botanical knowledge. The resulting skeleton follows the hierarchical organisation of natural branching structures. Varying parameter values of the generative model (main branching structure of the plant and foliage), we produce a series of candidate models. A Bayesian model optimizes a posterior criterion which is composed of a likelihood function which measures the similarity between the image and the reprojected 3D model and a prior probability measuring the realism of the model. After modeling plant models branching systems and foliage, we propose to model the fruits. As we mainly worked on vines, we propose a method for reconstructing a vine grape from at least two views. Each bay is considered to be an ellipsoid of revolution. The resulting method can be adapted to any type of fruits with a shape similar to a quadric of revolution. The second part of this thesis focuses on the reconstruction of quadrics of revolution from one or several views. Reconstruction of quadrics, and in general, 3D surface reconstruction is a very classical problem in computer vision. First, we recall the necessary background in projective geometry quadrics and computer vision and present existing methods for the reconstruction of quadrics or more generally quadratic surfaces. A first algorithm identifies the images of the principal foci of a quadric of revolution from a "calibrated" view (that is, the intrinsic parameters of the camera are given). Then we show how to use this result to reconstruct, from a linear triangulation scheme, any type of quadrics of revolution from at least two views. Finally, we show that we can derive the 3D pose of a given quadric of revolution from a single occluding contour. We evaluate the performance of our methods and show some possible applications.