Non-parametric synthesis of laminar volumetric texture

International audienceThe goal of this paper is to evaluate several extensions of Wei and Levoy's algorithm for the synthesis of laminar volumetric textures constrained only by a single 2D sample. Hence, we shall also review in a unified form the improved algorithm proposed by Kopf et al. and the particular histogram matching approach of Chen and Wang. Developing a genuine quantitative study we are able to compare the performances of these algorithms that we have applied to the synthesis of volumetric structures of dense carbons. The 2D samples are lattice fringe images obtained by high resolution transmission electronic microscopy (HRTEM)

Algorithmes non paramétriques pour la synthèse de textures volumiques à partir d'un exemple 2D

National audienceCet article traite de synthèse non paramétrique de textures volumiques anisotropes à partir d'une observation 2D unique. Nous proposons différentes variantes originales d'un algorithme non paramétrique et multiéchelle de synthèse de textures. L'originalité réside d'une part dans le fait que le processus de synthèse 3D s'appuie sur l'échantillonnage d'une seule image 2D d'entrée en garantissant la cohérence selon deux des trois vues de la texture 3D de sortie et, d'autre part, dans les stratégies de parcours 3D et d'optimisation utilisées. Les différentes variantes algorithmiques proposées sont appliquées à la synthèse de textures volumiques de matériaux carbonés, à partir d'une observation 2D unique obtenue par Microscopie Electronique en Transmission (MET). Nous développons une étude qualitative et quantitative des résultats de synthèse qui permet d'une part d'identifier les stratégies les plus pertinentes pour la synthèse et d'autre part de les comparer de façon objective à certains algorithmes de la littérature

Transient grating spectroscopy on a DyCo5_5 thin film with femtosecond extreme ultraviolet pulses

Surface acoustic waves (SAWs) are excited by femtosecond extreme ultraviolet (EUV) transient gratings (TGs) in a room-temperature ferrimagnetic DyCo$_5$ alloy. TGs are generated by crossing a pair of EUV pulses from a free electron laser (FEL) with the wavelength of 20.8\,nm matching the Co $M$-edge, resulting in a SAW wavelength of $\Lambda=44$\,nm. Using the pump-probe transient grating scheme in a reflection geometry the excited SAWs could be followed in the time range of -10 to 100\,ps in the thin film. Coherent generation of TGs by ultrafast EUV pulses allows to excite SAW in any material and to investigate their couplings to other dynamics such as spin waves and orbital dynamics

Non-parametric synthesis of volumetric textures from a 2D sample

Ce mémoire traite de synthèse de textures volumiques anisotropes à partir d’une observation 2D unique. Nous présentons différentes variantes d’algorithmes non paramétriques et multi-échelles. Leur principale particularité réside dans le fait que le processus de synthèse 3D s’appuie sur l’échantillonnage d’une seule image 2D d’entrée, en garantissant la cohérence selon les différentes vues de la texture 3D. Deux catégories d’approches sont abordées, toutes deux multi-échelles et basées sur une hypothèse markovienne. La première catégorie regroupe un ensemble d’algorithmes dits de recherche de voisinages fixes, adaptés d’algorithmes existants de synthèses de textures volumiques à partir de sources 2D multiples. Le principe consiste, à partir d’une initialisation aléatoire, à modifier les voxels un par un, de façon déterministe, en s’assurant que les configurations locales de niveaux de gris sur des tranches orthogonales contenant le voxel sont semblables à des configurations présentes sur l’image d’entrée. La deuxième catégorie relève d’une approche probabiliste originale dont l’objectif est de reproduire, sur le volume texturé, les interactions entre pixels estimées sur l’image d’entrée. L’estimation est réalisée de façon non paramétrique par fenêtrage de Parzen. L’optimisation est gérée voxel par voxel, par un algorithme déterministe de type ICM. Différentes variantes sont proposées, relatives aux stratégies de gestion simultanée des tranches orthogonales contenant le voxel. Ces différentes méthodes sont d’abord mises en œuvre pour la synthèse d’un jeu de textures structurées, de régularité et d’anisotropie variées. Une analyse comparée et une étude de sensibilité sont menées, mettant en évidence les atouts et faiblesses des différentes approches. Enfin, elles sont appliquées à la simulation de textures volumiques de matériaux composites carbonés, à partir de clichés obtenus à l’échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission. Le schéma expérimental proposé permet d’évaluer quantitativement et de façon objective les performances des différentes méthodes.This thesis deals with the synthesis of anisotropic volumetric textures from a single 2D observation. We present variants of non parametric and multi-scale algorithms. Their main specificity lies in the fact that the 3D synthesis process relies on the sampling of a single 2D input sample, ensuring consistency in the different views of the 3D texture. Two types of approaches are investigated, both multi-scale and based on markovian hypothesis. The first category brings together a set of algorithms based on fixed-neighbourhood search, adapted from existing algorithms of texture synthesis from multiple 2D sources. The principle is that, starting from a random initialisation, the 3D texture is modified, voxel by voxel, in a deterministic manner, ensuring that the grey level local configurations on orthogonal slices containing the voxel are similar to configurations of the input image. The second category points out an original probabilistic approach which aims at reproducing in the textured volume the interactions between pixels learned in the input image. The learning is done by non-parametric Parzen windowing. Optimization is handled voxel by voxel by a deterministic ICM type algorithm. Several variants are proposed regarding the strategies used for the simultaneous handling of the orthogonal slices containing the voxel. These synthesis methods are first implemented on a set of structured textures of varied regularity and anisotropy. A comparative study and a sensitivity analysis are carried out, highlighting the strengths and the weaknesses of the different algorithms. Finally, they are applied to the simulation of volumetric textures of carbon composite materials, on nanometric scale snapshots obtained by transmission electron microscopy. The proposed experimental benchmark allows to evaluate quantitatively and objectively the performances of the different methods

Méthodes non-paramétriques pour la synthèse de textures volumiques à partir d’un exemple 2D

This thesis deals with the synthesis of anisotropic volumetric textures from a single 2D observation. We present variants of non parametric and multi-scale algorithms. Their main specificity lies in the fact that the 3D synthesis process relies on the sampling of a single 2D input sample, ensuring consistency in the different views of the 3D texture. Two types of approaches are investigated, both multi-scale and based on markovian hypothesis. The first category brings together a set of algorithms based on fixed-neighbourhood search, adapted from existing algorithms of texture synthesis from multiple 2D sources. The principle is that, starting from a random initialisation, the 3D texture is modified, voxel by voxel, in a deterministic manner, ensuring that the grey level local configurations on orthogonal slices containing the voxel are similar to configurations of the input image. The second category points out an original probabilistic approach which aims at reproducing in the textured volume the interactions between pixels learned in the input image. The learning is done by non-parametric Parzen windowing. Optimization is handled voxel by voxel by a deterministic ICM type algorithm. Several variants are proposed regarding the strategies used for the simultaneous handling of the orthogonal slices containing the voxel. These synthesis methods are first implemented on a set of structured textures of varied regularity and anisotropy. A comparative study and a sensitivity analysis are carried out, highlighting the strengths and the weaknesses of the different algorithms. Finally, they are applied to the simulation of volumetric textures of carbon composite materials, on nanometric scale snapshots obtained by transmission electron microscopy. The proposed experimental benchmark allows to evaluate quantitatively and objectively the performances of the different methods.Ce mémoire traite de synthèse de textures volumiques anisotropes à partir d’une observation 2D unique. Nous présentons différentes variantes d’algorithmes non paramétriques et multi-échelles. Leur principale particularité réside dans le fait que le processus de synthèse 3D s’appuie sur l’échantillonnage d’une seule image 2D d’entrée, en garantissant la cohérence selon les différentes vues de la texture 3D. Deux catégories d’approches sont abordées, toutes deux multi-échelles et basées sur une hypothèse markovienne. La première catégorie regroupe un ensemble d’algorithmes dits de recherche de voisinages fixes, adaptés d’algorithmes existants de synthèses de textures volumiques à partir de sources 2D multiples. Le principe consiste, à partir d’une initialisation aléatoire, à modifier les voxels un par un, de façon déterministe, en s’assurant que les configurations locales de niveaux de gris sur des tranches orthogonales contenant le voxel sont semblables à des configurations présentes sur l’image d’entrée. La deuxième catégorie relève d’une approche probabiliste originale dont l’objectif est de reproduire, sur le volume texturé, les interactions entre pixels estimées sur l’image d’entrée. L’estimation est réalisée de façon non paramétrique par fenêtrage de Parzen. L’optimisation est gérée voxel par voxel, par un algorithme déterministe de type ICM. Différentes variantes sont proposées, relatives aux stratégies de gestion simultanée des tranches orthogonales contenant le voxel. Ces différentes méthodes sont d’abord mises en œuvre pour la synthèse d’un jeu de textures structurées, de régularité et d’anisotropie variées. Une analyse comparée et une étude de sensibilité sont menées, mettant en évidence les atouts et faiblesses des différentes approches. Enfin, elles sont appliquées à la simulation de textures volumiques de matériaux composites carbonés, à partir de clichés obtenus à l’échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission. Le schéma expérimental proposé permet d’évaluer quantitativement et de façon objective les performances des différentes méthodes

A non-parametric approach for 3D texture synthesis

International audienceThe goal of this paper is to implement an extension of the accelerated version of Wei and Levoy's algorithm [1] to the synthesis of 3D volumetric textures. This algorithm derives from Markov Random Fields texture models and generates a 3D textured block one pixel at a time with the goal of maintaining coherence of the evolving region with nearby pixels. The novelty lies in the fact that the 3D synthesis process is constrained by a single 2D sample. We accelerate the algorithm using Tree-Structured Vector Quantization, implemented for both single resolution and multiresolution texture synthesis. This approach is applied with success to the synthesis of volumetric textures from Transmission Electronic Microscopy images of dense carbons. The resulting 3D textures will be used as targets for the atomistic modelling of such materials