Contribution à la modélisation de l'articulation du genou : outils géométriques et cinématiques

Ce travail de thèse s'inscrit dans un projet transdisciplinaire visant à la mise en place d'un système d'aide à la rééducation de l'articulation du genou. Je devais fournir, à partir de données géométriques réelles, des courbes d'évolution cinématique de l'articulation. De plus, ce travail s'insère dans un projet plus vaste d'animation réaliste d'un humain virtuel. Dans cette optique j ai cherché à modéliser une articulation (le genou) pour valider une méthodologie générale applicable au reste du squelette humain. J'ai ainsi mis en place des outils, tant géométriques que cinématiques, pour la modélisation d une articulation. La modélisation géométrique des surfaces osseuses s'effectue à l'aide de surfaces continues à paramétrage global : les surfaces à base radiale. Celles-ci sont construites en deux étapes, à partir des données géométriques du maillage triangulaire issu d'un scanner : une paramétrisation du maillage, puis une interpolation. Pour pallier au problème de dimensionnalité, nous proposons une amélioration reposant sur les partitions de l'unité. Je définis ainsi une surface paramétrique continue à paramétrage global sur un maillage sans trou, ouvert ou fermé. A partir de cette description mathématique des surfaces osseuses appropriée à la simulation en mécanique lagrangienne, nous définissons alors un ensemble de contraintes afin d'exprimer le contact glissant entre deux surfaces osseuses. Ces nouvelles contraintes nécessitent l'introduction de nouvelles variables au sein des équations du mouvement. Enfin, nous revenons sur le problème de la gestion des contraintes simultanées en proposant une amélioration d'une méthode classique de gestion des contraintesREIMS-BU Sciences (514542101) / SudocSudocFranceF

Reconstruction du relief et mixage réel/virtuel par caméras relief multi-points de vues

L'affichage en relief, avec ou sans lunettes, est de plus en plus populaire. Les écrans auto-stéréoscopiques comportent un nombre d'images compris, à ce jour, entre 2 et 9. La création, la transmission ou encore la diffusion d'un tel nombre d'images correspondent à autant de verrous scientifiques. En effet la transmission des images impose le développement de méthodes de compression qui exploitent la redondance d'information entre les vues. La diffusion nécessite qu'un même contenu puisse être visible sur un maximum d'écrans, ce qui n'est possible en pratique que grâce à des méthodes de synthèse de vues intermédiaires. Enfin le contexte multi-vues ouvre à de nouvelles perspectives en réalité augmentée, comme la projection d'ombres et l'occultation entre contenu réel et virtuel. Tous ces exemples ont pour point commun de pouvoir être obtenus par le calcul des profondeurs de la scène. Les méthodes de stéréovision sont donc incontournables, mais, génériques, elles ne sont adaptées ni au contexte multi-vues, ni aux besoins des applications citées précédemment. Nous proposons dans ce mémoire un pipeline de reconstruction des profondeurs dédié au contexte multi-vues. Au travers d'une nouvelle expression de la mise en correspondance multi-vues, qui consiste à regrouper les pixels représentant un même point de la scène en " match " et ainsi former un partitionnement de l'ensemble des pixels, notre pipeline tire profit de la redondance des informations afin d'obtenir une estimation robuste des profondeurs. Cette expression définit exactement les redondances et occlusions de la scène, ce qui lève une grande partie des ambiguïtés lors de la compression des images et de la synthèse de vues intermédiaires. Nous présentons également une nouvelle contrainte, intégrée à notre pipeline, qui assure la cohérence géométrique des profondeurs reconstruites. Cette contrainte, essentielle pour un mélange entre réel et virtuel cohérent, s'avère également très utile pour les méthodes de synthèse de vues intermédiaires. Notre pipeline est composé de quatre modules : " génération du nuage de points ", " reconstruction de la surface ", " affinement des profondeurs " et " suivi temporel ". Mis à part le premier module cité, les autres sont facultatifs, et leur utilisation dépend des besoins et des applications visées. Ainsi, les résultats de notre pipeline sont les cartes de profondeurs, un nuage de points, ou un maillage représentant la scène.Afin de prouver la faisabilité du pipeline, nous présentons deux implémentations de celui-ci.La première, dite locale, se base sur des méthodes rapides afin de reconstruire la scène en temps réel. La seconde implémentation vise une application en post-production et génère des profondeurs de meilleure qualité, au détriment de temps de calcul plus longs. Nous démontrons également la pertinence de notre pipeline en proposant de nouvelles méthodes de compression d'images multi-vues, de synthèse de vues intermédiaires et de réalité augmentée multi-vues.The display in 3D, with or without glasses, becomes more and more popular. The auto-stereoscopic displays contain between 2 and 9 images. The creation, transmission or display of such images correspond to scientific obstacles. Indeed the transmission of the images needs compression methods that exploit information redundancy between frames. The display requires that the same content can be viewed on all screens, which is possible only by using methods of intermediate views rendering. Finally the context of multi-view brings new perspectives in augmented reality, like the projection of shadows and occlusion between real and virtual content. All these applications can be obtained by computing the depths of the scene. Stereovision methods allow depth estimation, but are generic and not well suited to the context of multi-view images or the application mentioned above. We propose in this thesis a pipeline dedicated to the depth reconstruction of a scene in a multi-view context.Through a new expression of the multi-view matching, which involves grouping the pixels representing the same point of the scene in "match" and thus form a partitioning of all pixels, our pipeline finds information redundancies in order to obtain a robust estimation of depths. This expression defines exactly occlusions in the scene, which raises much of the ambiguity in image compression and intermediate views rendering. We also present a new constraint, integrated in our pipeline, which ensures the geometric consistency of the reconstructed depths. This constraint is essential for a consistent mix between virtual and real objects, and is also very useful for intermediate views rendering. Our pipeline consists of four modules : " point cloud generation ", "surface reconstruction ", depth refinement " and " time tracking ".Apart from the first module city, others are optional and their use depends on needs and target applications. Thus, the results of our pipeline are depth maps, a point cloud or a mesh representing the scene. As a proof of the pipeline, we present two implementations of it. The first, called local, is based on fast algorithms to reconstruct the scene in real time. The second implementation is dedicated to post-production applications and generates better quality depth at the expense of longer computation time. We also demonstrate the relevance of our pipeline by providing new methods of multi-view image compression, intermediate views rendering and augmented reality.REIMS-SCD-Bib. electronique (514549901) / SudocSudocFranceF

The art to keep in touch: The ''good use'' of Lagrange multipliers

Physically-based modeling for computer animation allows to produce more realistic motions in less time without requiring the expertise of skilled animators. But, a computer animation is not only a numerical simulation based on classical mechanics since it follows a precise story-line. One common way to define aims in an animation is to add geometric constraints. There are several methods to manage these constraints within a physically-based framework. In this paper, we present an algorithm for constraints handling based on Lagrange multipliers. After few remarks on the equations of motion that we use, we present a first algorithm proposed by Platt. We show with a simple example that this method is not reliable. Our contribution consists in improving this algorithm to provide an efficient and robust method to handle simultaneous active constraints

An Occlusion Approach with Consistency Constraint for Multiscopic Depth Extraction

This is a new approach to handle occlusions in stereovision algorithms in the multiview context using images destined for autostereoscopic displays. It takes advantage of information from all views and ensures the consistency of their disparity maps. We demonstrate its application in a correlation-based method and a graphcuts-based method. The latter uses a new energy, which merges both dissimilarities and occlusions evaluations. We discuss the results on real and virtual images

Dynamic animation of n-dimensional deformable objects

This paper presents a new, accurate, efficient and unified method for dynamic animation of one, two or three-dimensional deformable objects. The objects are modelled as d-dimensional juxtapositions of ddimensional patches defined as parametric blending of a common d-dimensional mesh of 3D control points. Animation of the object is achieved by dynamic animation of its control points. This ensures that at each time step the object shape conforms to its patches definitions, and, thus, that every property implied by the nature of the blending functions is verified. Dynamic animation of these continuous models implies no “matter discretising” as the control points are not considered as material points but moreover as the degrees of freedom of the continuous object. A generic (both for blending functions nature and object intrinsic dimension d) mechanical model reflecting this idea is proposed. Then, according to this modelling idea, a convenient generic dynamic animation engine is built from Lagrangian Equations. This engine relies upon an accurate and very efficient linear system. Forces and constraints handling as well as numerical resolution process are then briefly discussed in this scheme

Towards Mechanical Level of Detail for Knitwear Simulation

This paper introduces the foundations of a new mechanical level of detail method dedicated to knitted fabric simulation. This method consists as a reduction of the knitted cloth parameters number, decreasing the configurations space dimension of the studied cloth. We stress the importance of the choice of an efficient parameters reduction function in order to make the method usable. The consequences of this reduction on the underlying equations of motion are then detailed. Finally, we present some numerical results and animation snapshots that illustrate the advantages of this new level of detail scheme

Chapter 3 Multiview acquisition systems

3.1 Introduction: what is a multiview acquisition system? Multiview acquisition, the focus of this chapter, relates to the capture of synchronized video data representing different viewpoints of a single scene. In contrast to video surveillance systems, which deploy multiple cameras to visually cover a large scale environment to be monitored with little redundancy, the materials, devices or systems used in multiview acquisition are designed t

3D METAMORPHOSIS FOR VOXEL-BASED MODELING IN BIOMEDICAL IMAGING

To perform computer animation, it is often necessary to interpolate between existing data, i. e. to fill the gap between two stages of the evolving structure. The metamorphosis technique is one of the most widely used techniques for this purpose. Originally developed in the context of 2D graphism, morphing has also been extended to 3D animation. However, most of the extensions concern synthesized data sets. In this paper, we investigate the extension of morphing techniques to 3D real (voxel-based) data sets, as those recorded in 3D medical and biomedical imaging. More specifically, we show how the segment warping algorithm can be extended for interpolation between 3D voxel data sets. The technique, which is composed of three modules (tweening, warping and dissolving) is first described. Then, some examples of applications to synthesized and to real data sets (cell nuclei at different stages of cell mitosis) recorded by confocal microscopy are presented. Finally, the limits of the present implementation and future expected improvements are discussed