Modèles de caméras et algorithmes pour la création de contenu video 3D

Camera Models and algorithms for 3D video content creation

• Auteur / Autrice : Sergi Pujades Rocamora
• Direction : Rémi Ronfard, Frédéric Devernay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Soutenance le 14/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de l'université Grenoble Alpes - Laboratoire d'informatique de Grenoble (2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PRIMA
• Jury : Président / Présidente : James L Crowley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Ronfard, Frédéric Devernay, George Drettakis, Aljoscha Smolic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luce Morin, Jean- Yves Guillemaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Mots clés libres

Rendu basé image

Incertitude géométrique

Formalisme bayesien

Cinématographie stéreoscopique

TV3D

Image based rendering

Geometric uncertainty

Bayesian approach

Stereoscopic cinematography

3DTV

Résumé

Des optiques à longue focale ont été souvent utilisées dans le cinéma 2D et la télévision, soit dans le but de se rapprocher de la scène, soit dans le but de produire un effet esthétique grâce à la déformation de la perspective. Toutefois, dans le cinéma ou la télévision 3D, l'utilisation de longues focales crée le plus souvent un "effet carton” ou de la divergence oculaire.Pour résoudre ce problème, les méthodes de l'état de l'art utilisent des techniques de transformation de la disparité, qui sont une généralisation de l'interpolation de points de vue.Elles génèrent de nouvelles paires stéréoscopiques à partir des deux séquences d'images originales. Nous proposons d'utiliser plus de deux caméras pour résoudre les problèmes non résolus par les méthodes de transformation de la disparité.Dans la première partie de la thèse, nous passons en revue les causes de la fatigue visuelle et de l'inconfort visuel lors de la visualisation d'un film stéréoscopique. Nous modélisons alors la perception de la profondeur de la vision stéréoscopique d'une scène filmée en 3D avec deux caméras, et projetée dans une salle de cinéma ou sur un téléviseur 3D. Nous caractérisons mathématiquement cette distorsion 3D, et formulons les contraintes mathématiques associées aux causes de la fatigue visuelle et de l'inconfort. Nous illustrons ces distorsions 3D avec un nouveau logiciel interactif, la “salle de projection virtuelle".Afin de générer les images stéréoscopiques souhaitées, nous proposons d'utiliser le rendu basé image. Ces techniques comportent généralement deux étapes. Tout d'abord, les images d'entrée sont transformées vers la vue cible, puis les images transformées sont mélangées. Les transformations sont généralement calculés à l'aide d'une géométrie intermédiaire (implicite ou explicite). Le mélange d'images a été largement étudié dans la littérature et quelques heuristiques permettent d'obtenir de très bonnes performances.Cependant, la combinaison des heuristiques proposées n'est pas simple et nécessite du réglage manuel de nombreux paramètres.Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche bayésienne au problème de synthèse de nouveaux points de vue, basé sur un modèle génératif.Le modèle génératif proposé tient compte de l'incertitude sur la transformation d'image. Le formalisme bayésien nous permet de déduire l'énergie du modèle génératif et de calculer les images désirées correspondant au maximum a posteriori. La méthode dépasse en termes de qualité les techniques de l'état de l'art du rendu basé image sur des jeux de données complexes. D'autre part, les équations de l'énergie fournissent une formalisation des heuristiques largement utilisés dans les techniques de rendu basé image.Le modèle génératif proposé aborde également le problème de la super-résolution, permettant de rendre des images à une résolution plus élevée que les images de départ.Dans la dernière partie de cette thèse, nous appliquons la nouvelle technique de rendu au cas du zoom stéréoscopique et nous montrons ses performances.

Optics with long focal length have been extensively used for shooting 2D cinema and television, either to virtually get closer to the scene or to produce an aesthetical effect through the deformation of the perspective. However, in 3D cinema or television, the use of long focal length either creates a “cardboard effect” or causes visual divergence. To overcome this problem, state-of-the-art methods use disparity mapping techniques, which is a generalization of view interpolation, and generate new stereoscopic pairs from the two image sequences. We propose to use more than two cameras to solve for the remaining issues in disparity mapping methods.In the first part of the thesis, we review the causes of visual fatigue and visual discomfort when viewing a stereoscopic film. We then model the depth perception from stereopsis of a 3D scene shot with two cameras, and projected in a movie theater or on a 3DTV. We mathematically characterize this 3D distortion, and derive the mathematical constraints associated with the causes of visual fatigue and discomfort. We illustrate these 3D distortions with a new interactive software, “The Virtual Projection Room”.In order to generate the desired stereoscopic images, we propose to use image-based rendering. Those techniques usually proceed in two stages. First, the input images are warped into the target view, and then the warped images are blended together. The warps are usually computed with the help of a geometric proxy (either implicit or explicit). Image blending has been extensively addressed in the literature and a few heuristics have proven to achieve very good performance. Yet the combination of the heuristics is not straightforward, and requires manual adjustment of many parameters.In this thesis, we propose a new Bayesian approach to the problem of novel view synthesis, based on a generative model taking into account the uncertainty of the image warps in the image formation model. The Bayesian formalism allows us to deduce the energy of the generative model and to compute the desired images as the Maximum a Posteriori estimate. The method outperforms state-of-the-art image-based rendering techniques on challenging datasets. Moreover, the energy equations provide a formalization of the heuristics widely used in image-based rendering techniques. Besides, the proposed generative model also addresses the problem of super-resolution, allowing to render images at a higher resolution than the initial ones.In the last part of this thesis, we apply the new rendering technique to the case of the stereoscopic zoom and show its performance.