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Contributions à la vision omnidirectionnelle : étude, conception et étalonnage de capteurs pour l’acquisition d’images et la modélisation 3D

Vandeportaele, Bertrand (2006) Contributions à la vision omnidirectionnelle : étude, conception et étalonnage de capteurs pour l’acquisition d’images et la modélisation 3D. (Contributions to the omnidirectional vision field : survey, conception and calibration of sensors for the acquisition of images and the 3D modelization.)

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Abstract

Cette thèse présente des contributions au domaine de la vision omnidirectionnelle. Les travaux ont été effectués dans le contexte de la localisation par l'image, dans lequel une caméra est utilisée comme appareil portatif pour localiser et guider une personne. Des apports théoriques sont proposés et deux capteurs omnidirectionnels sont développés et décrits pour l'acquisition respectivement de mosaïques d'images et de modèles 3D d'intérieurs de bâtiments. Le premier chapitre présente le domaine de l'imagerie à large champ de vision et les différents moyens d'obtenir un champ visuel important. Quelques modèles géométriques sont décrits pour différentes caméras et les spécificités pour l'étalonnage sont discutées. Les caméras sont séparées en deux familles, selon qu'elles possèdent un centre de projection unique (caméras centrales) ou non (caméras non centrales). Finalement, la reprojection des images entre différents modèles de caméra est présentée. Le second chapitre présente une nouvelle approche de la vision omnidirectionnelle utilisant une caméra standard dotée d'un capteur électronique d'orientation pour l'obtention automatique de mosaïques d'images orientées. Ces images possèdent une résolution plus importante que celles provenant d'une caméra catadioptrique. Le champ de vision couvert par notre caméra est omnidirectionnel et son encombrement et son coût sont moins élevés que ceux d'un ensemble de plusieurs caméras. Elle permet la création de mosaïques en temps réel, qui peuvent être affinées par la méthode de l'ajustement de faisceaux. Le troisième chapitre traite de la caméra paracatadioptrique, qui est centrale. Une méthode est proposée pour la détection des projections de droites dans l'image, dans le cas où la caméra est étalonnée, puis est utilisée pour estimer l'orientation de la caméra par rapport à la verticale. Une nouvelle méthode d'étalonnage géométrique utilisant des images de droites est développée, fournissant des résultats plus précis et répétables que les méthodes existantes et utilisant une meilleure paramétrisation des images de droites. Cette méthode est robuste et permet l'étalonnage automatique à partir d'une image contenant des projections de droites. Le quatrième chapitre propose une méthode pour calculer l'image (ou les images) d'un point observé par une caméra catadioptrique non centrale avec un miroir en forme de quadrique. Cette méthode est validée pour différentes formes de quadriques puis est utilisée pour calculer la projection de droites (ou segments de droites), la reprojection de texture et enfin permettre l'étalonnage géométrique de la caméra. Le dernier chapitre décrit un nouveau capteur, doté d'un champ de vision omnidirectionnel, utilisé pour acquérir des modèles 3D d'intérieurs de bâtiments à partir d'une caméra paracatadioptrique. Le développement et l'étalonnage du capteur sont présentés, et les premiers résultats de reconstruction 3D du modèle de l'environnement sont montrés, pour différents niveaux d'automatisation. ABSTRACT : This thesis presents some contributions to the omnidirectional vision field. It has been achieved in the context of the image based localization for persons. In this application, a camera is used as a hand-held device to localize and guide a person in a known place using image analysis. Theoretical contributions are presented and two omnidirectional sensors are developed and described, respectively for the acquisition of image mosaics and 3D models of building interiors. The first chapter presents the omnidirectional vision domain and describes the existing different approaches to increase the field of view of a camera. The main geometric camera models are described and some specific facts about camera calibration are exhibited. The cameras are separated in two different groups: the central cameras that have a single viewpoint and the non central cameras. Finally, the projection of images between different camera models is presented. The second chapter presents a new kind of omnidirectional camera. Using a home made electronic sensor that provides the orientation of a standard camera to which it is connected, an omnidirectional oriented image mosaic is created. This image has a higher resolution than one acquired by a catadioptric camera and the proposed camera is less voluminous and expensive than a group of many standard cameras that provides the same field of view. The mosaics are computed in real-time, and can be improved using the bundle adjustment algorithm. The third chapter deals with the paracatadioptric camera, which is central. A specific method for the line images detection is presented, in the case where the camera parameters are known. It is then used to estimate the orientation of the camera related to the vertical. A new calibration method using a better parameterization of the line images is derived, providing more precise and repeatable results than previous methods. This method is robust and allows the automatic calibration from an image containing line images. The fourth chapter derives an innovative and efficient approach to obtain the projection(s) of a 3D point observed by a non central catadioptric camera with a quadric mirror. This method is validated for different quadric shapes. It is used to compute the images of complete or segments of lines, to retrieve a texture from its image and for calibration purposes. The last chapter describes a new omnidirectional 3D sensor using a paracatadioptric camera to acquire 3D models of building interiors. The development and methods for the calibration of the sensor are shown. Preliminary results of 3D model acquisition are also presented

Department:Institut de Recherche en Informatique de Toulouse - IRIT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cattoen, Michel and Marthon, Philippe
Uncontrolled Keywords:Vision omnidirectionnelle - Caméras catadioptriques - Mosaïquage d'image – Capteurs - Modélisation 3D. KEYWORDS : Omnidirectional Vision - Catadioptric Cameras - Image Mosaicing – Sensors - 3D model acquisition
Subjects:Computer science
Electronics
Deposited On:24 August 2007

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