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Theses Year : 1997

Differential Geometry-Based Tools for Automatic CAD Modeling from Range Images

Quelques outils de géométrie différentielle pour la construction automatique de modèles CAO à partir d'images télémétriques

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François Goulette

Abstract

In the industry, there is a need for CAD models of the as-built large-scale architectures. At the present, these models may be obtained with photogrammetry, a slow and costy technology based on taking photographs of the structures from multiple view. A recent technology known as laser range sensing is able to give directly dense images of 3D points scanned on the surfaces of objects. A dedicated software is then capable to build a CAD model fitted on the measure points. The main difficulty in building a CAD model from range images lays in the ability to segment the data sets into subsets corresponding each one to a unique geometric primitive, such as cylinder, torus, sphere, cone or plane. This problem being particularly difficult to overcome, the existing software require the help of the operator to interactively do the segmentation on the screen. The goal of this thesis was to explore the automation possibilities of this process. In a first step the study focused on pipes, which represent the main part of the scenes observed. These elements may be modeled with cylinders, torii and cones. The proposed approach consists in segmenting the pipes using the local centers of curvature of the surfaces. These centers of curvature draw lines in the 3D space, easy to segment afterwards and from which it is possible to go back to the original images. To compute the centers of curvature, it has been necessary to perform a theoretical study of the algorithm giving the principal curvatures on discrete surfaces, study which lead to an improvement of the algorithm from what can be found in the litterature, and to the definition of a noise optimality criterion. The algorithms have been tested on several industrial images. The study went up to the automatic CAD reconstruction of a small pipe part, validating the approach. The original goal of the thesis, automatic CAD segmentation, has therefore been reached. However, many research topics are still to be studied and new ones came out, about improving the algorithms or studying planes in the images for example.
Au niveau des grandes architectures industrielles, il existe un besoin de plans CAO précis de l'existant. A l'heure actuelle, ces plans peuvent être construits à partir de la technologie de la photogrammétrie, technique lente et coûteuse basée sur la prise de photos de plusieurs points de vue des structures dans l'espace. Une technologie récente, la télémétrie laser, permet d'obtenir directement des images denses de points tridimensionnels scannés sur les surfaces des objets. Un logiciel permet ensuite de construire un modèle CAO plaqué au mieux sur les points de mesure. La difficulté principale de la construction du modèle CAO à partir des images télémétriques réside dans la faculté de segmenter les images de points en sous-ensembles correspondant chacun à une primitive géométrique unique (cylindre, tore, sphère, cône ou plan, principalement). Ce problème étant particulièrement difficile à résoudre, le logiciel actuel fait appel à l'opérateur qui effectue interactivement cette segmentation à l'écran. L'objectif de la thèse était d'explorer les possibilités d'automatisation de ce travail. Dans un premier temps, l'étude s'est limitée aux ensembles de tuyauteries, représentant la majeure partie des scènes observées. Ces ensembles peuvent être modélisés par les seules primitives de cylindres, tores et cônes. L'approche proposée consiste à segmenter les tuyauteries en utilisant les centres de courbure locaux des surfaces observées. Ces centres de courbure dessinent des lignes dans l'espace 3D, qu'il est facile de segmenter et à partir desquelles on peut remonter à l'image de départ. Pour calculer les centres de courbure, il a été nécessaire d'effectuer une étude théorique de l'algorithme de calcul de courbures principales sur des surfaces de points discrets dans l'espace, étude qui a mené à l'amélioration de l'algorithme par rapport à ce que l'on trouve dans la littérature, et notamment à la définition d'un critère d'optimalité en termes de bruit des résultats. Les algorithmes ont été testés sur de nombreuses images industrielles. L'étude de segmentation a été menée jusqu'à la reconstruction CAO automatique d'un bout de tuyauterie, validant ainsi l'approche proposée. L'objectif initial de la thèse de segmentation CAO automatique a donc été atteint. Ce travail a cependant ouvert plus de voies de recherches futures que n'en a fermées, en proposant des solutions intéressantes mais encore améliorables sur bien des points, et en incitant à poursuivre l'étude sur les surfaces planaires observées dans les images.
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Dates and versions

pastel-00727509 , version 1 (03-09-2012)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00727509 , version 1

Cite

François Goulette. Quelques outils de géométrie différentielle pour la construction automatique de modèles CAO à partir d'images télémétriques. Vision par ordinateur et reconnaissance de formes [cs.CV]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 1997. Français. ⟨NNT : 1997ENMP0735⟩. ⟨pastel-00727509⟩
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