Acquisition multi-vues et rendu de scènes animées

Multi-view acquisition and rendering of animated scenes

• Auteur / Autrice : Beatrix-Emőke Fülöp-Balogh
• Direction : Julie Digne, Nicolas Bonneel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Edmond Boyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Digne, Nicolas Bonneel, Céline Loscos, Adrien Bousseau, Raphaëlle Chaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Loscos, Adrien Bousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Mouvement

Vidéo 3D (imagerie tridimensionnelle)

Innovation

Imagerie tridimensionnelle haute résolution

Mots clés libres

Synthèse des vues nouvelles

Reconstruction de mouvements

Traitement vidéo

Novel view synthesis

Motion reconstruction

Video processing

Résumé

Les récentes percées technologiques ont conduit à une abondance d'appareils d'enregistrement vidéo conviviaux. De nos jours, les nouveaux modèles de smartphones, par exemple, sont équipés non seulement de plusieurs caméras, mais également de capteurs de profondeur. Cela signifie que tout événement peut facilement être capturé par plusieurs appareils et technologies différents en même temps, et cela soulève des questions sur la façon dont on peut traiter les données afin de restituer une scène 3D significative. La plupart des solutions actuelles se concentrent uniquement sur les scènes statiques, les scanners LiDaR produisent des cartes de profondeur extrêmement précises et les algorithmes stéréo multi-vues peuvent reconstruire une scène en 3D à partir d'une poignée d'images. Cependant, ces idées ne sont pas directement applicables en cas de scènes dynamiques. Les capteurs de profondeur échangent la précision contre la vitesse, ou vice versa, et les méthodes basées sur des images couleur souffrent d'incohérences temporelles ou sont trop exigeantes en termes de calcul. Dans cette thèse, nous visons à fournir des solutions conviviales pour fusionner des technologies multiples, éventuellement hétérogènes, pour reconstruire et rendre des scènes dynamiques 3D. Premièrement, nous introduisons un algorithme qui corrige les distorsions produites par de petits mouvements dans les acquisitions de temps de vol et produit une séquence animée corrigée. Pour ce faire, nous combinons un système LiDAR à temps de vol lent mais haute résolution et un capteur de profondeur consommateur rapide mais basse résolution. Nous avons présenté le problème comme un recalage courbe-volume, en voyant le nuage de points LiDAR comme une courbe dans l'espace-temps à 4 dimensions et la vidéo de profondeur à basse résolution capturée comme un volume d'espace-temps à 4 dimensions. Nous convoyons ensuite les détails du nuage de points haute résolution à la vidéo de profondeur en utilisant son flux optique. Deuxièmement, nous abordons le cas de la reconstruction et du rendu de scènes dynamiques capturées par plusieurs caméras RVB. Dans des contextes occasionnels, les deux problèmes sont difficiles à fusionner : la structure à partir du mouvement (SfM) produit des nuages de points spatio-temporellement instables et parcimonieux, tandis que les algorithmes de rendu qui reposent sur la reconstruction doivent produire des vidéos temporellement cohérentes. Pour relever le défi, nous considérons les deux étapes conjointement. Tout d'abord, pour SfM, nous récupérons des poses de caméra stables, puis nous différons l'exigence de points cohérents dans le temps sur la scène et ne reconstruisons qu'un nuage de points épars par pas de temps qui est bruité dans l'espace-temps. Deuxièmement, pour le rendu, nous présentons une formulation de diffusion variationnelle sur les profondeurs et les couleurs qui nous permet de faire face de manière robuste au bruit en appliquant une cohérence spatio-temporelle via des poids de reprojection par pixel dérivés des vues d'entrée. Dans l'ensemble, nous montrons que notre travail a contribué à la compréhension de l'acquisition et du rendu de scènes dynamiques capturées simplement.

Recent technological breakthroughs have led to an abundance of consumer friendly video recording devices. Nowadays new smart phone models, for instance, are equipped not only with multiple cameras, but also depth sensors. This means that any event can easily be captured by several different devices and technologies at the same time, and it raises questions about how one can process the data in order to render a meaningful 3D scene. Most current solutions focus on static scenes only, LiDar scanners produce extremely accurate depth maps, and multi-view stereo algorithms can reconstruct a scene in 3D based on a handful of images. However, these ideas are not directly applicable in case of dynamic scenes. Depth sensors trade accuracy for speed, or vice versa, and color image based methods suffer from temporal inconsistencies or are too computationally demanding. In this thesis we aim to provide consumer friendly solutions to fuse multiple, possibly heterogeneous, technologies to reconstruct and render 3D dynamic scenes. Firstly, we introduce an algorithm that corrects distortions produced by small motions in time-of-flight acquisitions and outputs a corrected animated sequence. We do so by combining a slow but high-resolution time-of-flight LiDAR system and a fast but low-resolution consumer depth sensor. We cast the problem as a curve-to-volume registration, by seeing the LiDAR point cloud as a curve in the 4-dimensional spacetime and the captured low-resolution depth video as a 4-dimensional spacetime volume. We then advect the details of the high-resolution point cloud to the depth video using its optical flow. Second, we tackle the case of the reconstruction and rendering of dynamic scenes captured by multiple RGB cameras. In casual settings, the two problems are hard to merge: structure from motion (SfM) produces spatio-temporally unstable and sparse point clouds, while the rendering algorithms that rely on the reconstruction need to produce temporally consistent videos. To ease the challenge, we consider the two steps together. First, for SfM, we recover stable camera poses, then we defer the requirement for temporally-consistent points across the scene and reconstruct only a sparse point cloud per timestep that is noisy in space-time. Second, for rendering, we present a variational diffusion formulation on depths and colors that lets us robustly cope with the noise by enforcing spatio-temporal consistency via per-pixel reprojection weights derived from the input views. Overall, our work contributes to the understanding of the acquisition and rendering of casually captured dynamic scenes.