Numérisation 3D en environnement subaquatique : application aux réseaux karstiques

Underwater environment 3D scan : application to karst networks

• Auteur / Autrice : Quentin Massone
• Direction : Jean Triboulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Crestani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Druon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Grussenmeyer, Pierre Drap

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Numérisation

Vision par ordinateur

Mots clés libres

Vision par ordinateur

Reconstruction 3D

Vision stéréo

Computer vision

3D reconstruction

Stereovision

Résumé

Les aquifères karstiques, formations géologiques principalement calcaires, représentent un enjeu considérable dans le contexte actuel où de nombreuses régions du monde sont en stress hydrique en raison du changement climatique. Bien que ces aquifères soient l'une des principales sources d'eau douce du monde, ils sont encore sous-exploités à cause du manque de connaissances précises de leur géomorphologie. Les explorer pour collecter des données est une tâche complexe car les réseaux formés dans ce type d'environnement sont très étendus. De plus, l'envoi de plongeurs n'est pas idéal car ils sont limitées en profondeur et les risques sont importants en raison du confinement et de sa structure imprévisible. À terme, l'envoi de véhicules sous-marins autonomes permettrait d'explorer davantage les galeries en toute sécurité tout en acquérant les données provenant de capteurs. Cependant, l'utilisation de tels véhicules dans un milieu aussi imprévisible sans supervision humaine présente encore de nombreux défis techniques et scientifiques.L'objectif de cette thèse est donc de proposer des solutions de vision 3D adaptées aux réseaux de galeries présents dans ce type d'environnement. Nous proposons ainsi deux approches basées sur l'utilisation d'une caméra et d'un projecteur de forme conique.La première, prospective, est une méthode de stéréovision active utilisant un système composé de deux caméras et du projecteur, a été validée en simulation via l'utilisation d'un modèle de galerie.La seconde, qui est le coeur de ce mémoire, est une méthode de reconstruction 3D par lumière structurée utilisant la combinaison d'une caméra et du projecteur de forme conique.Après extraction des contours, on reconstruit en 3D les points de ces contours via la contrainte géométrique qu'il y a entre le cône et la caméra. Cette contrainte géométrique s'exprime via les paramètres du cône du projecteur dont l'estimation est faite via un étalonnage spécifique.Différentes expérimentations ont été réalisées pour valider cette approche originale. La première est réalisée en laboratoire où un contour lumineux projeté sur 2 murs orthogonaux est reconstruit en 3D puis vérifié via des tests de coplanarité et d'angulation entre ces 2 murs témoins. La seconde est réalisée dans un aqueduc désaffecté (sans eau) ayant l'avantage de reproduire un environnement proche de celui d'un aquifère karstique : étroit, sans lumière et surtout sans eau pour continuer notre évaluation. La validation des résultats est faite sur des tests de coplanarité des parois de l'aqueduc et sur l'estimation de la distance connue entre ces parois. La troisième est réalisée en piscine, première étape avant le test ultime en milieu karstique. La validation des résultats est réalisée également par des tests de coplanarité des points sur le sol et de l'estimation de la forme cylindrique de la piscine et de son rayon.

Karst aquifers, mainly limestone geological formations, represent a considerable challenge in the current context where many parts of the world are under water stress due to climate change. Although these aquifers are one of the world’s main freshwater sources, they are still underexploited due to a lack of precise knowledge of their geomorphology. Exploring them to collect data is a complex task because the networks formed in this type of environment are very extensive. In addition, sending divers is not ideal as they are limited in depth and the risks are significant due to the confinement and unpredictable structure. Eventually, the shipment of autonomous underwater vehicles would allow further exploration of the tunnels safely while acquiring data from sensors. However, using such vehicles in such an unpredictable environment without human supervision still presents many technical and scientific challenges.The objective of this thesis is therefore to propose 3D vision solutions adapted to gallery networks present in this type of environment. We thus propose two approaches based on the use of camera and a projector of conical shape.The first, prospective, is an active stereovision method using a system composed of two cameras and the projector, has been validated in simulation via the use of a gallery model.The second, which is the heart of this memory, is a structured light 3D reconstruction method using the combination of a camera and a cone-shaped projector.After extracting the contours, the points of these contours are reconstructed in 3D using the geometric constraint between the cone and the camera. This geometric constraint is expressed via the parameters of the headlamp cone, the estimation of which is made via a specific calibration.Various experiments have been carried out to validate this original approach. The first is carried out in a laboratory where a luminous contour projected on two orthogonal walls is reconstructed in 3D and then verified via tests of coplanarity and angulation between these two control walls. The second is carried out in an abandoned aqueduct (without water) having the advantage of reproducing an environment close to that of a karst aquifer: narrow, without light and especially without water to continue our assessment. The validation of the results is done on tests of coplanarity of the walls of the aqueduct and on the estimation of the known distance between these walls. The third is done in the pool, the first step before the final test in karstic environment. The validation of the results is also carried out by tests of the coplanarity of the points on the ground and the estimation of the cylindrical shape of the pool and its radius.