Superquadric representation of scenes from multi-view range data

Object representation denotes representing three-dimensional (3D) real-world objects with known graphic or mathematic primitives recognizable to computers. This research has numerous applications for object-related tasks in areas including computer vision, computer graphics, reverse engineering, etc. Superquadrics, as volumetric and parametric models, have been selected to be the representation primitives throughout this research. Superquadrics are able to represent a large family of solid shapes by a single equation with only a few parameters. This dissertation addresses superquadric representation of multi-part objects and multiobject scenes. Two issues motivate this research. First, superquadric representation of multipart objects or multi-object scenes has been an unsolved problem due to the complex geometry of objects. Second, superquadrics recovered from single-view range data tend to have low confidence and accuracy due to partially scanned object surfaces caused by inherent occlusions. To address these two problems, this dissertation proposes a multi-view superquadric representation algorithm. By incorporating both part decomposition and multi-view range data, the proposed algorithm is able to not only represent multi-part objects or multi-object scenes, but also achieve high confidence and accuracy of recovered superquadrics. The multi-view superquadric representation algorithm consists of (i) initial superquadric model recovery from single-view range data, (ii) pairwise view registration based on recovered superquadric models, (iii) view integration, (iv) part decomposition, and (v) final superquadric fitting for each decomposed part. Within the multi-view superquadric representation framework, this dissertation proposes a 3D part decomposition algorithm to automatically decompose multi-part objects or multiobject scenes into their constituent single parts consistent with human visual perception. Superquadrics can then be recovered for each decomposed single-part object. The proposed part decomposition algorithm is based on curvature analysis, and includes (i) Gaussian curvature estimation, (ii) boundary labeling, (iii) part growing and labeling, and (iv) post-processing. In addition, this dissertation proposes an extended view registration algorithm based on superquadrics. The proposed view registration algorithm is able to handle deformable superquadrics as well as 3D unstructured data sets. For superquadric fitting, two objective functions primarily used in the literature have been comprehensively investigated with respect to noise, viewpoints, sample resolutions, etc. The objective function proved to have better performance has been used throughout this dissertation. In summary, the three algorithms (contributions) proposed in this dissertation are generic and flexible in the sense of handling triangle meshes, which are standard surface primitives in computer vision and graphics. For each proposed algorithm, the dissertation presents both theory and experimental results. The results demonstrate the efficiency of the algorithms using both synthetic and real range data of a large variety of objects and scenes. In addition, the experimental results include comparisons with previous methods from the literature. Finally, the dissertation concludes with a summary of the contributions to the state of the art in superquadric representation, and presents possible future extensions to this research

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