Traitement du signal Alexandre Krupa Contributions à l'asservissement visuel écho

130 Pages·2013·27.04 MB·French

HABILITATION À DIRIGER DES RECHERCHES
présentéedevant
L’Université de Rennes 1
Spécialité : Traitement du signal
par
Alexandre Krupa
Contributions à l’asservissement visuel échographique
soutenuele21décembre2012devantlejurycomposéde
Mme. Jocelyne Troccaz Rapporteur
M. Philippe Poignet Rapporteur
M. Seth Hutchinson Rapporteur
M. Michel deMathelin Examinateur
M. Nicolas Andreff Examinateur
M. Christian Barillot Examinateur
M. François Chaumette Examinateur

Table des matières
Avant-proposetremerciements 7
Notationsutilisées 9
1 Introduction 11
1.1 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Applicationsmédicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Organisationdudocument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 L’asservissementvisueléchographique 19
2.1 Particularitésducapteuretdel’imageéchographique . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 Différencesdemodèleentrecaméraetsondeéchographique . . . . . . 20
2.1.2 Formationdel’imageéchographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.3 Différentstypesdesonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Techniquesd’asservissementvisuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Uneclassificationselontroiscritères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Formalismedelafonctiondetâche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Matriced’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4 Commandecinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.5 Tâcheshybrides:leformalismedelaredondance . . . . . . . . . . . . 34
2.2.6 Choixdesgrandeursasservies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.7 Casdel’imagerieéchographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Asservissementsvisuelsutilisantlamodalitééchographique:étatdel’art . . . 38
2.3.1 Pourleguidagedelasonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Pourleguidaged’unoutil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Positionnementdel’étude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3 Approchesutilisantdesinformationsgéométriques 47
3.1 Approchepourl’informationdetype«point» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.1 Modélisationdel’interactiondelacoupeavecunedroite3D . . . . . . 48
3.1.2 Applicationàuneprocédured’étalonnagedelasonde . . . . . . . . . 49
3.2 Approcheutilisantlecontourdelasectionobservée . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Approchebaséesurlesmoments2Ddelasectionobservée . . . . . . . . . . . 54
3.3.1 Modélisationdelamatriced’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 Interactionavecunobjetdeformeellipsoïdale . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.3 Interactionavecunobjetdeformequelconque . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Approchetri-plansutilisantlesmoments2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Choixdes6primitivesvisuellesetmodélisationdel’interaction . . . . 62
3.4.2 Applicationaurecalageparasservissementvirtuel . . . . . . . . . . . 65
3.5 ContouractifbasésurlesdescripteursdeFourier . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1 Formulationgénériqued’uncontouractifparamétrique . . . . . . . . . 69
3.5.2 FormulationbaséesurlesdescripteursdeFourier . . . . . . . . . . . . 70
3.5.3 Initialisationducontouractifetchangementdetopologie . . . . . . . . 72
3.6 Applicationàlatélé-échographierobotisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6.1 Tâchederécupérationdesection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.2 Maintienautomatiquedelavisibilitélorsdelatélé-opération . . . . . . 79
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Approchesutilisantl’informationdense 85
4.1 Approchebaséesurlacorrélationspatialedu«speckle»échographique . . . . 86
4.1.1 Estimationdumouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.2 Asservissementvisuel2D-3Dpourunetâchedesuivi . . . . . . . . . . 91
4.2 Approcheutilisantdirectementl’intensitédespixels . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1 Modélisationdel’informationvisuelleetdesoninteraction. . . . . . . 93
4.2.2 Déterminationdugradient3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.3 Applicationaupositionnementdesondes2D,3Detbi-plans . . . . . . 96
4.2.4 Applicationàlastabilisationdel’imageéchographique . . . . . . . . . 101
4.2.5 Applicationausuivid’unoutil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3 Approche3Davecpriseencomptedesdéformationsdestissus . . . . . . . . . 107
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5 Conclusionetperspectives 111
5.1 Contributions:primitivesvisuellesgéométriques . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2 Contributions:informationdense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 Versunepriseencomptedesdéformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Bibliographie 129
6
Avant-propos et remerciements
Cedocumentprésenteunaperçudestravauxderecherchequej’aimenésetencadrésdans
l’équipe Lagadic depuis mon recrutement en 2004 en tant que chargé de recherche à l’Inria
jusqu’en 2012. Il présente également certains travaux que j’ai conduits lors de ma mise à dis-
positionàTheJohnsHopkinsUniversitydurantl’année2006.
Jetienstoutd’abordàremercierlesmembresdemonjuryquiontévalué,critiquéetcom-
mentéletravailaccompli.J’adressemesremerciementstoutparticulièrementàmesrapporteurs
Jocelyne Troccaz (directeur de recherche CNRS, TIMC-IMAG, Grenoble), Seth Hutchinson
(professeuràUniversityofIllinois,UrbanaChampaign),PhilippePoignet(professeuràl’uni-
versité de Montpellier 2, LIRMM) qui ont pris le temps de lire en profondeur ce manuscrit.
Je remercie également Michel de Mathelin (professeur à l’université de Strasbourg, ICUBE)
et Nicolas Andreff (professeur à l’université de Franche-Comté, FEMTO-ST) d’avoir parti-
cipé à mon jury de soutenance. Je tiens également à remercier Christian Barillot (directeur de
rechercheCNRS,équipeVisagesdeInria/Irisa,Rennes)quiaprésidémonjury.
JeremerciesincèrementFrançoisChaumettedem’avoiraccueillien2004danssonéquipe
pourdémarrerunenouvelleactivitéderecherchesurlarobotiquemédicaleguidéeparl’image-
rie échographique. Je lui suis reconnaissant de m’avoir confié la conduite de cette thématique
sipassionnanteetsiinnovante.
Je remercie également très amicalement, l’ensemble de mes collègues de travail et plus
particulièrement Fabien Spindler qui m’a démontré expérimentalement qu’il était possible de
manger une excellente choucroute Alsacienne en Bretagne. Un grand merci également à Eric
Marchandpourlesdiscussionsenrichissantesquenousavonseuescontinuellementdepuisces
8dernièresannéeslorsducafédumatinoudesdéjeunerslemidi.Jesouhaiteégalementremer-
cierMarieBabeletCélineGharsallipourleurbonnehumeuretlesmomentsderiresquenous
partageons au quotidien. Merci également à Maud Marchal et Christophe Collewet pour les
collaborationsmenéessurRennesetàmescollègueshorsBretagnedesprojetsANRUSComp
etProsit.
Bienévidemment,lesrésultatsdestravauxderechercheréalisésnepourraientêtreobtenus
8
sans l’implication des 3 thésards que j’ai encadrés durant cette période. Je remercie donc très
chaleureusementRafikMebarki,CarolineNadeauetTaoLipourlestravauxqu’ilsontaccom-
plis. Je remercie également Deukhee Lee d’avoir choisi d’effectuer un séjour post-doctoral à
mescôtés.Jen’oubliepaslesdifférentsstagiairesquej’aiencadréslorsdecettepériodeetqui
ontdébroussailléungrandnombredesujets.
Enfin,jeterminecesremerciementsenexprimanttoutemareconnaissanceàmafamilleet
dédiecettehabilitationàmesenfantsetmonépouse.
Notations utilisées
Notationsgénérales
– a,λ:scalairenotéenminuscule.
– v:vecteurnotéenminusculegras,v désignelai-èmecomposanteduvecteurv.
i
– M : matrice notée en majuscule gras, M désigne l’élément situé à l’intersection de la
ij
i-èmeligneetdelaj-èmecolonnedelamatriceM.
– [v] matricedepréproduitvectorielassociéeauvecteurv.
– M+×pseudo-inversedelamatriceM.
– L’estimationd’unegrandeur(scalaireoumatricielle)estindiquéegrâceausymboleˆ,par
exempleaˆindiqueuneestimationdelagrandeura.
Changementsderepère–transformations–coordonnées
– aM :matricehomogènedéfiniepar
b
aR at
aM = b b
b 0 1
1 3
(cid:18) × (cid:19)
où aR et at sont respectivement la matrice de rotation et le vecteur de translation
b b
exprimant la transformation entre les repères et . aM décrit la localisation du
a b b
R R
repère exprimédanslerepère .
b a
R R
– sM : cas particulier de la matrice de pose sM qui décrit la localisation du repère
o o o
R
d’unobjetdanslerepèredelasonde .
s
R
– bx = (bx , by , bz ):coordonnées3DdupointnomméAexpriméesdanslerepère
A A A A
.
b
R
Asservissementvisuel
– v:vitessedelasondeexpriméedanssonrepère,v = (v,ω)où
v = (v ,v ,v )estlavitessedetranslation
x y z
ω = (ω ,ω ,ω )estlavitessederotation.
x y z
– s:vecteurdesinformationsvisuellesimpliquéesdanslaloidecommande.
10
– L :matriced’interactionassociéeàs.
s
– Lesgrandeurscalculéesenpositiondésiréesontnotéesàl’aidedusymbole ,parexemple:
∗
s∗ ouLs∗.