Estimation de l'échelle absolue par vision passive monofocale et application à la mesure 3D de néoplasies en imagerie coloscopique

Vision-based metrology devices generally embed stereoscopic sensors or active measurement systems. Most of the passive 3D reconstruction techniques (Structure-from-Motion, Shape from-Shading) adapted to monocular vision suffer from scale ambiguity. Because the processing of image acquisition implies the loss of the depth information, there is an ambiguous relationship between the depth of a scene and the size of an imaged object. This study deals with the estimation of the absolute scale of a scene using passive monofocal vision. Monofocal vision describes monocular system for which optical parameters are fixed. Such optical systems are notably embedded within endoscopic systems used in colonoscopy. This minimally invasive technique allows endoscopists to explore the colon cavity and remove neoplasias (abnormal growths of tissue). Their size is an essential diagnostic criterion for estimating their rate of malignancy. However, it is difficult to estimate and erroneous visual estimations lead to neoplasias surveillance intervals being inappropriately assigned. The need to design a neoplasia measurement system is the core motivation for our study. In the first part of this manuscript, we review state-of-the-art vision-based metrology devices to provide context for our system. We then introduce monofocal optical systems and the specific image formation model used in our study. The second part deals with the main contribution of our work. We first review in detail state of the art DfD (Depth-from-Defocus) and DfF (Depth-from-Defocus) approaches. They are passive computer vision techniques that enable us to resolve scale ambiguity. Our core contribution is introduced in the following chapter. We define the Infocus-Breakpoint (IB) that allows us to resolve scale from a regular video. The IB is the lower limit of the optical system’s depth of field. Our system relies on two novel technical modules: Blur-Estimating Tracking (BET) and Blur-Model Fitting (BMF). BET allows us to simultaneously track an area of interest and estimate the optical blur information. BMF allows us to robustly extract the IB by fitting an optical blur model to the blur measurement estimated by the BET module. For the optical system is monofocal, the IB corresponds to a reference depth that can be calibrated. In the last chapter, we evaluate our method and propose a neoplasia measurement system adapted to the constraints in colonoscopy examination. The last part of this manuscript is dedicated to a prospect of extension of our method by a generative approach. We present, as a preliminary study, a new NRSfM (Non-Rigid Structure-from-Motion) method allowing the scaled Euclidean 3D reconstruction of deformable surfaces. This approach is based on the simultaneous estimation of dense depth maps corresponding to a set of deformations as well as the in-focus color map of the flattened surface. We first review state-of-the-art methods for 3D reconstruction of deformable surfaces. We then introduce our new generative model as well as an alternation method allowing us to infer it.

La majorité des dispositifs de métrologie basés vision sont équipés de systèmes optiques stéréo ou de systèmes de mesure externes dits actifs. Les méthodes de reconstruction tridimensionnelle (Structure-from-Motion, Shape-from-Shading) applicables à la vision monoculaire souffrent généralement de l’ambiguïté d’échelle. Cette dernière est inhérente au processus d’acquisition d’images qui implique la perte de l’information de profondeur de la scène. La relation entre la taille des objets et la distance de la prise de vue est équivoque.Cette étude a pour objet l’estimation de l’échelle absolue d’une scène par vision passive monofocale. Elle vise à apporter une solution à l’ambiguïté d’échelle uniquement basée vision, pour un système optique monoculaire dont les paramètres internes sont fixes. Elle se destine plus particulièrement à la mesure des lésions en coloscopie. Cette procédure endoscopique (du grec endom : intérieur et scopie : vision) permet l’exploration et l’intervention au sein du côlon à l’aide d’un dispositif flexible (coloscope) embarquant généralement un système optique monofocal. Dans ce contexte, la taille des néoplasies (excroissances anormales de tissu) constitue un critère diagnostic essentiel. Cette dernière est cependant difficile à évaluer et les erreurs d’estimations visuelles peuvent conduire à la définition d’intervalles de temps de surveillance inappropriés. La nécessité de concevoir un système d’estimation de la taille des lésions coloniques constitue la motivation majeure de cette étude. Nous dressons dans la première partie de ce manuscrit un état de l’art synoptique des différents systèmes de mesure basés vision afin de positionner notre étude dans ce contexte. Nous présentons ensuite le modèle de caméra monofocal ainsi que le modèle de formation d’image qui lui a été associé. Ce dernier est la base essentielle des travaux menés dans le cadre de cette thèse. La seconde partie du manuscrit présente la contribution majeure de notre étude. Nous dressons tout d’abord un état de l’art détaillé des méthodes de reconstruction 3D basées sur l’analyse de l’information de flou optique (DfD (Depth-from-Defocus) et DfF (Depth-from-Defocus)). Ces dernières sont des approches passives permettant, sous certaines contraintes d’asservissement de la caméra, de résoudre l’ambiguïté d’échelle. Elles ont directement inspiré le système de mesure par extraction du point de rupture de netteté présenté dans le chapitre suivant. Nous considérons une vidéo correspondant à un mouvement d’approche du système optique face à une région d’intérêt dont on souhaite estimer les dimensions. Notre système de mesure permet d’extraire le point de rupture nette/flou au sein de cette vidéo. Nous démontrons que, dans le cas d’un système optique monofocale, ce point unique correspond à une profondeur de référence pouvant être calibrée. Notre système est composé de deux modules. Le module BET (Blur EstimatingTracking) permet le suivi et l’estimation conjointe de l’information de mise au point d’une région d’intérêt au sein d’une vidéo. Le module BMF (Blur Model Fitting) permet d’extraire de façon robuste le point de rupture de netteté grâce à l’ajustement d’un modèle de flou optique. Une évaluation de notre système appliqué à l’estimation de la taille des lésions coloniques démontre sa faisabilité. Le dernier chapitre de ce manuscrit est consacré à une perspective d’extension de notre approche par une méthode générative. Nous présentons, sous la forme d’une étude théorique préliminaire, une méthode NRSfM (Non-Rigid Structure-from-Motion) permettant la reconstruction à l’échelle de surfaces déformables. Cette dernière permet l’estimation conjointe de cartes de profondeurs denses ainsi que de l’image de la surface aplanie entièrement mise au point. (...)