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National audience; Permettant de mesurer simultanément les positions 3D, les tailles et les caractéristiques morphogéométriques d’un champ de particules, l’holographie numérique en ligne est une méthode optique de référence pour la caractérisation des écoulements polyphasiques. Elle reste aujourd’hui considérée comme une technique pour la R&D mais sa simplicité expérimentale et son succès grandissant la rendent de plus en plus accessible. Cet article décrit et formalise les principes optiques à la base de cette technique de mesure et de visualisation. Il présente les aspects expérimentaux et numériques de sa mise en œuvre, des montages courants aux différentes méthodes de reconstruction, et en précise les limites. Enfin, le potentiel de la technique est illustré à travers plusieurs cas applicatifs.

Journée technique ²RM, Drones et manipulation, Compiègne, FRANCE, 30-/08/2018 - 30/08/2018; Présentation donnée à la journée technique ²RM du 30/08/2018 au laboratoire Heudiasyc de Compiègne (UTC): «Démarche de conception mécatronique de drones avec systèmes de préhension et main dextres»

An approach combining numerical simulations and experimental techniques is developed to model complex microcracking in heterogeneous cementitious materials. The proposed numerical model allowed us to predict accurately in 3D the initiation and the propagation of microcracks at the scale of the actual microstructure of a real sample subjected to compression. Its predictions have been validated by a direct comparison with the actual crack network characterized by 3D imaging techniques. In a first part, the numerical simulation tools are developed and tested. More specifically, the phase-field method is applied to microcracking simulations in highly heterogeneous microstructures and its advantages for such simulations are discussed. Then, the technique is extended to account for interfacial cracking, possibly occurring at inclusion/matrix interfaces. In a second part, the experimental methods used and developed in this work are described. The procedures to obtain the evolution of the 3D crack network within the samples by means of X-rays computed microtomography and in-situ mechanical testing are presented. Then, we focus on the developed image processing tools based on digital volume correlation to extract with good accuracy the cracks from the grey level images. In a third part, we compare the predictions of the numerical model with experimental results obtained, first, with a model material made of expanded polystyrene beads embedded in a plaster matrix, and second, to a more complex lightweight concrete. More precisely, we use the experimental data to identify by inverse approaches the local microstructural parameters, and use the experimental displacements measured by digital volume correlation to define boundary conditions to be applied on sub-domains within the sample for the simulations. The obtained direct comparisons of 3D microcrack networks and their evolutions demonstrate the very good predictive capability of the numerical model, Une approche combinant simulation numérique et expérimentation est développée pour modéliser la microfissuration complexe dans des matériaux hétérogènes cimentaires. Le modèle numérique proposé a permis de prévoir précisément en 3D l'initiation et la propagation des microfissures à l'échelle de la microstructure réelle d'un échantillon soumis à un chargement de compression. Ses prévisions ont été validées par une comparaison directe avec le réseau de fissures réel caractérisé par des techniques d'imagerie 3D. Dans une première partie, nous développons et testons les outils de simulation numérique. Plus précisément, la méthode de champ de phase est appliquée pour simuler la microfissuration dans des milieux fortement hétérogènes et ses avantages pour ce type de modélisation sont discutés. Ensuite, une extension de cette méthode est proposée pour tenir compte d'un endommagement interfacial, notamment aux interfaces inclusion/matrice. Dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales utilisées et développées au cours de cette thèse sont décrites. Les procédures utilisées pour obtenir l'évolution du réseau de fissures 3D dans les échantillons à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ sont présentées. Ensuite, les outils de traitement d'image utilisant la corrélation d'images volumiques, pour extraire les fissures des images en niveaux de gris avec une bonne précision, sont détaillés. Dans une troisième partie, les prévisions du modèle numérique sons comparées avec les données expérimentales d'un matériau modèle en billes de polystyrène expansé intégrées dans une matrice de plâtre dans un premier temps, et, dans un second temps, d'un béton léger plus complexe. Plus précisément, nous utilisons les données expérimentales pour identifier les paramètres microscopiques inconnus par une approche inverse, et utilisons les déplacements expérimentaux déterminés par corrélation d'images volumiques pour définir des conditions limites à appliquer sur les bords de sous-domaines dans l'échantillon pour les simulations. Les comparaisons directes de réseaux de microfissures 3D et de leur évolution montrent une très bonne capacité prédictive du modèle numérique

22nd ITS World Congress, Bordeaux, France, 05-/10/2015 - 09/10/2015; Most of the Intelligent Transport Systems rely on GNSS positioning information. Unfortunately, most of the vehicles circulate in dense urban areas where the GNSS signals are affected by multipath caused by the buildings surrounding the antenna. The CAPLOC project deals with inaccuracy by associating image processing techniques and signal propagation knowledge to understand and reduce GNSS inaccuracy. Our solution embeds fisheye cameras located on the roof of a vehicle and oriented upwards to capture images of the sky. Our approach consists in processing the images to 1/ determine whether satellites are located in a sky or non-sky region and 2/ construct a 3D model around the camera/antenna in order to estimate the pseudo-range delays caused by the close propagation effects. This knowledge allows us to propose several strategies of exclusion/weighting or correction of these pseudoranges for a better accuracy.

Urban positioning using the Global Positioning System (GPS) is challenging because of multipath. Urban canyons limit open sky visibility, and cause signal reflection and diffraction, resulting in significant satellite range measurement errors. The investigations reported here have been carried out in a French project calledInturb(an acronym derived from integrity and urban positioning). So far, the project has had two phases: first, a simple Three-Dimensional (3D) geometrical city modelling, called “Urban Trench”, has been developed and engineered manually from data sets collected in different cities. Positioning improvement in terms of accuracy was quantified where the model could be applied. Second, this modelling has been automated, based on the standard national BD Topo ® map database for France, with promising results. This geometrical modelling makes it possible to distinguish between line-of-sight satellite signals and those from non-line-of-sight. The latter, apparentlybona fide, signals are caused by strong reflections, usually from buildings with a lot of steel and glass in their construction. A correction of the pseudo-range measurements of the latter is also computed and applied in the position estimator. Positioning accuracy is improved, whilst availability is kept at its maximum. In the study both manual and automatic 3D models are used in extensive experimental campaigns. Results are: first, the possibility to cover entirely any urban area in the country; second, the reduction of the median error in 3D by more than 50% on data collected in Nantes, Paris and Toulouse for a total duration of nearly ten hours; third, the compliance with standards used in most embedded maps and geographical information systems, including an assessment of the trade-off between the model simplicity and the positioning improvement.

European Navigation Conference 2015, BORDEAUX, FRANCE, 07-/04/2015 - 10/04/2015; GNSS positioning in the urban environment remains challenging, because of the occurrence of many satellite signal reflection and diffraction, also called multipath, that, in the best case, combine with the direct signal, but - in the worst case when the direct signal is obscured - make signal tracking drift unboundedly. Recent research investigations carried out in the GEOLOC laboratory of the Ifsttar (the French institute of science and Technology for transport, development and network) with the SCM (Société de Calcul Mathématique) have shown that a simplified 3D modelling of buildings at both sides of streets, named 'urban trench' for that reason, can benefit in the process of satellite visibility check and GNSS positioning. These urban trenches can be computed from 3D-city-model using road and buildings layers. Initially, the rover is assumed to occupy the arc segment that represents the street. That way, only left and right distance and height attributes depict any urban trench section, which has the advantage of being easily compliant with the existing formats of navigable maps. Using the satellite positions in azimuth and elevation, our algorithm determinates whether their signal is in Line-Of- Sight or Not (NLOS), with respect to the modelled facades all around. In case of NLOS, a correction of the pseudorange measurement is made. The geometry of this model being simplified, and the initial position approximated, the first deterministic approach has been modified: a probabilistic approach is proposed. From this second approach, an urban trench protection level can be computed (UTPL), which provides an integrity indicator adapted to the urban environment. This article is divided into 2 main parts: the first part gives an overview of the deterministic approach, whilst the second part concerns the probabilistic approach. Afterward experimental results are presented, with improvement not only in terms of accuracy, but also in terms of accuracy.

Transport Research Arena TRA 2014, PARIS, FRANCE, 14-/04/2014 - 17/04/2014; Mobility pricing based on GNSS is bound to become a significant tool for both traffic control and infrastructure funding, compared to geofencing road-side technologies. But GNSS positioning in cities remains challenging, because of the poor satellite visibility and of the occurrence of many satellite signal reflections (multipath), that in the best case combine with the direct signal, but, when the direct signal is obscured, create significant biases of several tens of meter in the pseudo-range measurements and consequently on the computed position.The method proposed here is based on a simplified 3D model of buildings at both sides of streets, named 'Urban Trench' for that reason, which can benefit in the process of satellite visibility check and GNSS positioning. Homogeneous street sections are described with three parameters: width, building height and transversal position of the vehicle. These parameters allow to identify the satellites in direct visibility and to compute the estimated additional range brought by the reflections. It has been proved that, in some environments such as the Grands Boulevards in Paris, the position computed by a least squares method can be improved by a factor of 70% after application of our visibility check and multipath bias correction, without degrading the availability.

GNSS positioning in the urban environment remains challenging, because of the occurrence of many satellite signal reflection and diffraction; also called multipath, that, in the best case, combine with the direct signal, but – if the worst case when the direct signal is obscured – make signal tracking drift unboundedly. Recent research investigations carried out in the Geolocalization lab of the Ifsttar have shown that a simplified 3D modelling of buildings at both sides of streets, named “urban trench” for that reason, can benefit in the process of satellite visibility check and GNSS positioning. This model applies to street sections where the width between buildings and their height is homogenous. That way, two geometrical attributes only depict any urban trench section, which has the advantage of being easily compliant with the existing formats of navigable maps. Another parameter in the satellite visibility problem is obviously the lateral position of the rover. Our algorithm makes a hypothesis on the lateral position of the rover in a modelled street, and, using the satellite positions in azimuth and elevation, determinates whether their signal is in Line-Of-Sight or Not (NLOS), with respect to the modelled facades all around. The key problem resides in the initial hypothesis of lateral position. The research development presented in this communication consists in using a set of possible positions where one may drive on. Instead of checking a large set, which has a certain computation cost, the algorithm will just consider a set that corresponds here to the multiple lanes of the street. To deal with this set of lane candidates, an efficient solution consists in computing NLOS satellites detection and exclusion and the corresponding positioning solution for each lane separately. Finally, one will select among the possible positioning solutions the one that best matches the initial lane hypothesis. In addition to testing the coherence between hypotheses and solutions, the list of actually received satellites can also be examined and compared to that of theoretically received ones, similarly as “shadow masking” proceeds. Once NLOS satellites detection and exclusion have been made, the constellation of LOS satellites should optimally correspond to the occupied position of the roved if the best hypothesis is considered, whereas another hypothesis, less favourable, may exhibit mismatching in satellite direct visibility. This article gives also global results, not only on the part of the trajectory where the urban trench model applies, i.e. half in space in a city centre like Paris, but also anywhere else. That way, it has been checked that the most difficult areas have actually been modelled, whilst those un-modelled do not exhibit environmental singularities and let standard solutions relatively acceptable.

Technological solutions for obstacle-detection systems have been proposed to prevent accidents in safety-transport applications. In order to avoid the limits of these proposed technologies, an obstacle-detection system utilizing stereo cameras is proposed to detect and localize multiple objects at level crossings. Background subtraction is first performed using the color independent component analysis technique, which has proved its performance against other well-known object-detection methods. The main contribution is the development of a robust stereo-matching algorithm which reliably localizes in 3D each segmented object. A standard stereo dataset and real-world images are used to test and evaluate the performances of the proposed algorithm to prove the efficiency and the robustness of the proposed video-surveillance system.

We focus on the detection and tracking of various biological objects (cells, nuclei, etc.) in 3D images and sequences acquired in fluorescence microscopy. With the growing importance of in situ observation of biological phenomena, it is necessary to provide efficient and intuitive 3D visualization of the scene in addition to its quantitative analysis. Moreover, the automatization of the image aquisition process requires a high level of reproducibility from the algorithms, and often induces time constraints that we strive to take into account.Deformable models, also known as active contours, are currently among the cutting edge techniques in image analysis for segmentation and tracking tasks, thanks to their robustness, flexibility and high level of semantic description of the target entities. In order to adapt these techniques to our context, we must face various difficulties. First, exisiting methods generally rely on local intensity variations (i.e. gradients) of the image in order to detect the boundary of the target. This approach is inefficient in 3D fluorescence microscopy, where gradients are very weak along the depth axis of the images. Then, we must deal with the simultaneous tracking of multiple objects that may touch each other through time while avoiding their confusion. Finally, we must set up a system allowing an efficient visualization of the contours during their deformation without altering computation times.In the first part of this work, we strive to solve these problems by proposing a multi-object segmentation and tracking model based on the level set formalism and exploiting the Mumford and Shah functional. The method gives satisfying results, however it is not suitable for efficient 3D rendering of the scene, for which we must rely on 3D reconstruction techniques (e.g. the "Marching Cubes" method). Such algorithms yield heavy memory and time consumptions. Moreover, they may induce approximation errors, thereby resulting in a wrong interpretation of the results.In the second part, we propose a variation of the previous method by replacing the level set formalism by that of triangular meshes, very popular in the field of computer assisted design (CAD) for their fast and efficient 3D rendering. This new approach produces similar results, however the triangular mesh formalism allows to considerably reduce the algorithm complexity, while allowing a precise 3D rendering of the scene parallely to the segmentation process, which further reduces computation times.The performance of both methods are first evaluated and compared on a set of simulated data, reproducing as best as possible the characteristics of real images. Then, we focus more particularly on the evaluation of the triangular mesh method on real data. We perform this evaluation on trial high-thoughput screnning experiments using a small set of shape descriptors. Finally, we present practical applications of the method to real biological problems, performed in collaboration with other teams of the Institut Pasteur Korea.; Nous nous intéressons à la détection et au suivi d'objets biologiques divers (cellules, noyaux, etc.) dans des images et séquences tri-dimensionnelles acquises en microscopie par fluorescence. L'observation de phénomènes biologiques in situ étant de plus en plus cruciale pour les experts, il est nécessaire, en plus de l'analyse quantitative, d'effectuer un rendu volumique 3D de la scène et des objets qui y évoluent. De plus, l'automatisation des techniques d'acquisition d'images requiert un haut niveau de reproductibilité des algorithmes et induit souvent des contraintes de temps de calcul que nous nous efforçons de prendre en compte.Les modèles déformables, également connus sous le nom de contours actifs, font actuellement partie des méthodes de pointe en analyse d'images pour la segmentation et le suivi d'objets grâce à leur robustesse, leur flexibilité et leur représentation à haut niveau sémantique des entités recherchées. Afin de les adapter à notre problématique, nous devons faire face à diverses difficultés. Tout d'abord, les méthodes existantes se réfèrent souvent aux variations locales d'intensité (ou gradients) de l'image pour détecter le contour des objets recherchés. Cette approche est inefficace en microscopie tridimensionnelle par fluorescence, où les gradients sont très peu prononcés selon l'axe de profondeur de l'image. Ensuite, nous devons gérer le suivi d'objets multiples susceptibles d'entrer en contact en évitant leur confusion. Enfin, nous devons mettre en place un système permettant de visualiser efficacement les contours durant leur déformation sans altérer les temps de calcul.Dans la première partie de ce travail, nous pallions à ces problèmes en proposant un modèle de segmentation et de suivi multi-objets basé sur le formalisme des lignes de niveaux (ou level sets) et exploitant la fonctionnelle de Mumford et Shah. La méthode obtenue donne des résultats quantitatifs satisfaisants, mais ne se prête pas efficacement au rendu 3D de la scène, pour lequel nous sommes tributaires d'algorithmes dédiés à la reconstruction 3D (e.g. la méthode des "Marching Cubes"), souvent coûteux en mémoire et en temps de calcul. De plus, ces algorithmes peuvent induire des erreurs d'approximation et ainsi entraîner une mauvaise interprétation des résultats.Dans la seconde partie, nous proposons une variation de la méthode précédente en remplaçant le formalisme des lignes de niveaux par celui des maillages triangulaires, très populaire dans le domaine de la conception assistée par ordinateur (CAO) pour leur rendu 3D rapide et précis. Cette nouvelle approche produit des résultats quantitatifs équivalents, en revanche le formalisme des maillages permet d'une part de réduire considérablement la complexité du problème et autorise d'autre part à effectuer un rendu 3D précis de la scène parallèlement au processus de segmentation, réduisant d'autant plus les temps de calculs.Les performances des deux méthodes proposées sont d'abord évaluées puis comparées sur un jeu de données simulées reproduisant le mieux possible les caractéristiques des images réelles. Ensuite, nous nous intéressons plus particulièrement à l'évaluation de la méthode par maillages sur des données réelles, en évaluant la robustesse et la stabilité de quelques descripteurs de forme simples sur des expériences d'imagerie haut-débit. Enfin, nous présentons des applications concrètes de la méthode à des problématiques biologiques réelles, réalisées en collaboration avec d'autres équipes de l'Institut Pasteur de Corée.

En médecine, le rôle de l'image est primordial. Depuis la renaissance, l'image a été un des vecteurs principaux de la transmission du savoir. Plus récemment, l'essor des techniques d'imageries tridimensionnelles n'a fait qu'étendre l'importance de l'image à la plupart des disciplines et des procédures médicales. Tout naturellement donc, la médecine a représenté un des domaines d'application privilégiés de la visualisation scientifique. Mes travaux de recherche s'inscrivent directement dans cette discipline de la visualisation scientifique et se présentent sous la forme de solutions de représentations originales apportées et associées à certaines problématiques médicales.Pour cela, une réflexion sur l'outil de visualisation a été menée afin de proposer un cadre bien défini qui puisse guider l'élaboration d'un outil de représentation répondant à une discipline et à une problématique particulière. Le point le plus original de cette réflexion concerne un essai de formalisation de l'évaluation de la performance des outils de visualisation.Deux grands domaines d'application ont justement permis de démontrer la pertinence de ce cadre général de la visualisation :- La visualisation générale de l'anatomie avec, dans un premier temps, la conception d'un outil générique de visualisation de données médicale, le lancer de rayons multifonctions. Cet outil a été ensuite étendu selon deux axes de recherche, d'une part l'intégration de modèles de connaissances dans la procédure de synthèse d'images et d'autre part, l'imagerie interventionnelle et plus particulièrement des applications en urologie.- Les apports de la visualisation pour l'interprétation des données recueillies sur le patient épileptique et plus particulièrement l'élaboration d'outils complémentaires permettant une analyse progressive des mécanismes et structures impliqués dans la crise.

En médecine, le rôle de l'image est primordial. Depuis la renaissance, l'image a été un des vecteurs principaux de la transmission du savoir. Plus récemment, l'essor des techniques d'imageries tridimensionnelles n'a fait qu'étendre l'importance de l'image à la plupart des disciplines et des procédures médicales. Tout naturellement donc, la médecine a représenté un des domaines d'application privilégiés de la visualisation scientifique. Mes travaux de recherche s'inscrivent directement dans cette discipline de la visualisation scientifique et se présentent sous la forme de solutions de représentations originales apportées et associées à certaines problématiques médicales.Pour cela, une réflexion sur l'outil de visualisation a été menée afin de proposer un cadre bien défini qui puisse guider l'élaboration d'un outil de représentation répondant à une discipline et à une problématique particulière. Le point le plus original de cette réflexion concerne un essai de formalisation de l'évaluation de la performance des outils de visualisation.Deux grands domaines d'application ont justement permis de démontrer la pertinence de ce cadre général de la visualisation :- La visualisation générale de l'anatomie avec, dans un premier temps, la conception d'un outil générique de visualisation de données médicale, le lancer de rayons multifonctions. Cet outil a été ensuite étendu selon deux axes de recherche, d'une part l'intégration de modèles de connaissances dans la procédure de synthèse d'images et d'autre part, l'imagerie interventionnelle et plus particulièrement des applications en urologie.- Les apports de la visualisation pour l'interprétation des données recueillies sur le patient épileptique et plus particulièrement l'élaboration d'outils complémentaires permettant une analyse progressive des mécanismes et structures impliqués dans la crise.

27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation, TAMPA, ETATS-UNIS, 08-/09/2014 - 12/09/2014; GNSS localization in urban environment remains a key issue that must be solved in order to enable innovative driver assistance systems or cooperative applications. This positioning key issue exists not only in terms of accuracy, but also in terms of integrity. Actually, one aims at reducing as much as possible the error mainly due to multipath on buildings, and provide in the mean time a certain guarantee on the user position exactness. This communication shows how a simple geometrical modeling, named 'Urban Trench', of the city environment can improve significantly the positioning accuracy. Authors also propose an algorithm for computing in this context an urban trench protection level, with a much higher reliability compared to standard protection level whose open sky assumption is violated. Preliminary results are given in the city of Nantes, France. One of the most interesting feature of the model is that it complies with the existing digital road map features and does not cause data storage or computational throughput problems.