Contributions aux problèmes de l'étalonnage extrinsèque d'affichages semi-transparents pour la réalité augmentée et de la mise en correspondance dense d'images

Augmented reality is the process of inserting virtual elements into a real scene, observed through a screen. Augmented Reality systems can take different forms to get the desired balance between three criteria: accuracy, latency and robustness. Three main components can be identified: localization, reconstruction and display. The contributions of this thesis are focused on display and reconstruction. Most augmented reality systems use non-transparent screens as they are widely available. However, for critical applications such as surgery or driving assistance, the user cannot be ever isolated from reality. We answer this problem by proposing a new “augmented tablet” system with a semi-transparent screen. Such a system needs a suitable calibration scheme:to correctly align the displayed augmentations and reality, one need to know at every moment the poses of the user and the observed scene with regard to the screen. Two tracking devices (user and scene) are thus necessary, and the system calibration aims to compute the pose of those devices with regard to the screen. The calibration process set up in this thesis is as follows: the user indicates the apparent projections in the screen of reference points from a known 3D object ; then the poses to estimate should minimize the 2D on-screen distance between those projections and the ones computed by the system. This is a non-convex problem difficult to solve without a sane initialization. We develop a direct estimation method by computing the extrinsic parameters of virtual cameras. Those are defined by their optical centers which coincide with user positions, and their common focal plane consisting of the screen plane. The user-entered projections are then the 2D observations of the reference points in those virtual cameras. A symmetrical thinking allows one to define virtual cameras centered on the reference points, and “looking at” the user positions. Those initial estimations can then be refined with a bundle adjustment. Meanwhile, 3D reconstruction is based on the triangulation of matches between images. Those matches can be sparse when computed by detection and description of image features or dense when computed through the minimization of a cost function of the whole image. A dense correspondence field is better because it makes it possible to reconstruct a 3D surface, useful especially for realistic handling of occlusions for augmented reality. However, such a field is usually estimated thanks to variational methods, minimizing a convex cost function using local information. Those methods are accurate but subject to local minima, thus limited to small deformations. In contrast, sparse matches can be made very robust by using adequately discriminative descriptors. We propose to combine the advantages of those two approaches by adding a feature-based term into a dense variational method. It helps prevent the optimization from falling into local minima without degrading the end accuracy. Our feature-based term is suited to feature with non-integer coordinates and can handle point or line segment matches while implicitly filtering false matches. We also introduce comprehensive handling of occlusions so as to support large deformations. In particular, we have adapted and generalized a local method for detecting selfocclusions. Results on 2D optical flow and wide-baseline stereo disparity estimation are competitive with the state of the art, with a simpler and most of the time faster method. This proves that our contributions enables new applications of variational methods without degrading their accuracy. Moreover, the weak coupling between the components allows great flexibility and genericness. This is the reason we were able to also transpose the proposed method to the problem of non-rigid surface registration and outperforms the state of the art methods.La réalité augmentée consiste en l'insertion d'éléments virtuels dans une scène réelle, observée à travers un écran. Les systèmes de réalité augmentée peuvent prendre des formes différentes pour obtenir l'équilibre désiré entre trois critères : précision, latence et robustesse. On identifie trois composants principaux : localisation, reconstruction et affichage. Nous nous concentrons sur l'affichage et la reconstruction. Pour certaines applications, l'utilisateur ne peut être isolé de la réalité. Nous proposons un système sous forme de "tablette augmentée" avec un écran semi transparent, au prix d'un étalonnage adapté. Pour assurer l'alignement entre augmentations et réalité, il faut connaître les poses relatives de l'utilisateur et de la scène observée par rapport à l'écran. Deux dispositifs de localisation sont nécessaires et l'étalonnage consiste à calculer la pose de ces dispositifs par rapport à l'écran. Le protocole d'étalonnage est le suivant : l'utilisateur renseigne les projections apparentes dans l'écran de points de référence d'un objet 3D connu ; les poses recherchées minimisent la distance 2D entre ces projections et celles calculées par le système. Ce problème est non convexe et difficile à optimiser. Pour obtenir une estimation initiale, nous développons une méthode directe par l'étalonnage intrinsèque et extrinsèque de caméras virtuelles. Ces dernières sont définies par leurs centres optiques, confondus avec les positions de l'utilisateur, ainsi que leur plan focal, constitué par l'écran. Les projections saisies par l'utilisateur constituent alors les observations 2D des points de référence dans ces caméras virtuelles. Un raisonnement symétrique permet de considérer des caméras virtuelles centrées sur les points de référence de l'objet, "observant" les positions de l'utilisateur. Ces estimations initiales sont ensuite raffinées par ajustement de faisceaux. La reconstruction 3D est basée sur la triangulation de correspondances entre images. Ces correspondances peuvent être éparses lorsqu'elles sont établies par détection, description et association de primitives géométriques ou denses lorsqu'elles sont établies par minimisation d'une fonction de coût sur toute l'image. Un champ dense de correspondance est préférable car il permet une reconstruction de surface, utile notamment pour une gestion réaliste des occultations en réalité augmentée. Les méthodes d'estimation d'un tel champ sont basées sur une optimisation variationnelle, précise mais sensible aux minimums locaux et limitée à des images peu différentes. A l'opposé, l'emploi de descripteurs discriminants peut rendre les correspondances éparses très robustes. Nous proposons de combiner les avantages des deux approches par l'intégration d'un coût basé sur des correspondances éparses de primitives à une méthode d'estimation variationnelle dense. Cela permet d'empêcher l'optimisation de tomber dans un minimum local sans dégrader la précision. Notre terme basé correspondances éparses est adapté aux primitives à coordonnées non entières, et peut exploiter des correspondances de points ou de segments tout en filtrant implicitement les correspondances erronées. Nous proposons aussi une détection et gestion complète des occultations pour pouvoir mettre en correspondance des images éloignées. Nous avons adapté et généralisé une méthode locale de détection des auto-occultations. Notre méthode produit des résultats compétitifs avec l'état de l'art, tout en étant plus simple et plus rapide, pour les applications de flot optique 2D et de stéréo à large parallaxe. Nos contributions permettent d'appliquer les méthodes variationnelles à de nouvelles applications sans dégrader leur performance. Le faible couplage des modules permet une grande flexibilité et généricité. Cela nous permet de transposer notre méthode pour le recalage de surfaces déformables avec des résultats surpassant l'état de l'art, ouvrant de nouvelles perspectives

Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique

Contributions to the problems of extrinsic calibration semitransparent displays for augmented reality and dense mapping images

La réalité augmentée consiste en l'insertion d'éléments virtuels dans une scène réelle, observée à travers un écran. Les systèmes de réalité augmentée peuvent prendre des formes différentes pour obtenir l'équilibre désiré entre trois critères : précision, latence et robustesse. On identifie trois composants principaux : localisation, reconstruction et affichage. Nous nous concentrons sur l'affichage et la reconstruction. Pour certaines applications, l'utilisateur ne peut être isolé de la réalité. Nous proposons un système sous forme de "tablette augmentée" avec un écran semi transparent, au prix d'un étalonnage adapté. Pour assurer l'alignement entre augmentations et réalité, il faut connaître les poses relatives de l'utilisateur et de la scène observée par rapport à l'écran. Deux dispositifs de localisation sont nécessaires et l'étalonnage consiste à calculer la pose de ces dispositifs par rapport à l'écran. Le protocole d'étalonnage est le suivant : l'utilisateur renseigne les projections apparentes dans l'écran de points de référence d'un objet 3D connu ; les poses recherchées minimisent la distance 2D entre ces projections et celles calculées par le système. Ce problème est non convexe et difficile à optimiser. Pour obtenir une estimation initiale, nous développons une méthode directe par l'étalonnage intrinsèque et extrinsèque de caméras virtuelles. Ces dernières sont définies par leurs centres optiques, confondus avec les positions de l'utilisateur, ainsi que leur plan focal, constitué par l'écran. Les projections saisies par l'utilisateur constituent alors les observations 2D des points de référence dans ces caméras virtuelles. Un raisonnement symétrique permet de considérer des caméras virtuelles centrées sur les points de référence de l'objet, "observant" les positions de l'utilisateur. Ces estimations initiales sont ensuite raffinées par ajustement de faisceaux. La reconstruction 3D est basée sur la triangulation de correspondances entre images. Ces correspondances peuvent être éparses lorsqu'elles sont établies par détection, description et association de primitives géométriques ou denses lorsqu'elles sont établies par minimisation d'une fonction de coût sur toute l'image. Un champ dense de correspondance est préférable car il permet une reconstruction de surface, utile notamment pour une gestion réaliste des occultations en réalité augmentée. Les méthodes d'estimation d'un tel champ sont basées sur une optimisation variationnelle, précise mais sensible aux minimums locaux et limitée à des images peu différentes. A l'opposé, l'emploi de descripteurs discriminants peut rendre les correspondances éparses très robustes. Nous proposons de combiner les avantages des deux approches par l'intégration d'un coût basé sur des correspondances éparses de primitives à une méthode d'estimation variationnelle dense. Cela permet d'empêcher l'optimisation de tomber dans un minimum local sans dégrader la précision. Notre terme basé correspondances éparses est adapté aux primitives à coordonnées non entières, et peut exploiter des correspondances de points ou de segments tout en filtrant implicitement les correspondances erronées. Nous proposons aussi une détection et gestion complète des occultations pour pouvoir mettre en correspondance des images éloignées. Nous avons adapté et généralisé une méthode locale de détection des auto-occultations. Notre méthode produit des résultats compétitifs avec l'état de l'art, tout en étant plus simple et plus rapide, pour les applications de flot optique 2D et de stéréo à large parallaxe. Nos contributions permettent d'appliquer les méthodes variationnelles à de nouvelles applications sans dégrader leur performance. Le faible couplage des modules permet une grande flexibilité et généricité. Cela nous permet de transposer notre méthode pour le recalage de surfaces déformables avec des résultats surpassant l'état de l'art, ouvrant de nouvelles perspectives.Augmented reality is the process of inserting virtual elements into a real scene, observed through a screen. Augmented Reality systems can take different forms to get the desired balance between three criteria: accuracy, latency and robustness. Three main components can be identified: localization, reconstruction and display. The contributions of this thesis are focused on display and reconstruction. Most augmented reality systems use non-transparent screens as they are widely available. However, for critical applications such as surgery or driving assistance, the user cannot be ever isolated from reality. We answer this problem by proposing a new “augmented tablet” system with a semi-transparent screen. Such a system needs a suitable calibration scheme:to correctly align the displayed augmentations and reality, one need to know at every moment the poses of the user and the observed scene with regard to the screen. Two tracking devices (user and scene) are thus necessary, and the system calibration aims to compute the pose of those devices with regard to the screen. The calibration process set up in this thesis is as follows: the user indicates the apparent projections in the screen of reference points from a known 3D object ; then the poses to estimate should minimize the 2D on-screen distance between those projections and the ones computed by the system. This is a non-convex problem difficult to solve without a sane initialization. We develop a direct estimation method by computing the extrinsic parameters of virtual cameras. Those are defined by their optical centers which coincide with user positions, and their common focal plane consisting of the screen plane. The user-entered projections are then the 2D observations of the reference points in those virtual cameras. A symmetrical thinking allows one to define virtual cameras centered on the reference points, and “looking at” the user positions. Those initial estimations can then be refined with a bundle adjustment. Meanwhile, 3D reconstruction is based on the triangulation of matches between images. Those matches can be sparse when computed by detection and description of image features or dense when computed through the minimization of a cost function of the whole image. A dense correspondence field is better because it makes it possible to reconstruct a 3D surface, useful especially for realistic handling of occlusions for augmented reality. However, such a field is usually estimated thanks to variational methods, minimizing a convex cost function using local information. Those methods are accurate but subject to local minima, thus limited to small deformations. In contrast, sparse matches can be made very robust by using adequately discriminative descriptors. We propose to combine the advantages of those two approaches by adding a feature-based term into a dense variational method. It helps prevent the optimization from falling into local minima without degrading the end accuracy. Our feature-based term is suited to feature with non-integer coordinates and can handle point or line segment matches while implicitly filtering false matches. We also introduce comprehensive handling of occlusions so as to support large deformations. In particular, we have adapted and generalized a local method for detecting selfocclusions. Results on 2D optical flow and wide-baseline stereo disparity estimation are competitive with the state of the art, with a simpler and most of the time faster method. This proves that our contributions enables new applications of variational methods without degrading their accuracy. Moreover, the weak coupling between the components allows great flexibility and genericness. This is the reason we were able to also transpose the proposed method to the problem of non-rigid surface registration and outperforms the state of the art methods