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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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19019
23/01/2019

Conception et Développement de Composants Logiciels et Matériels pour un Dispositif Ophtalmique

J.COMBIER

RAP

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2019, 223p., Président: F.BERRY, Rapporteurs: A.IZAGUIRRE ALTUNA, , Examinateurs: A.BOUCHIER, O.MOREL, Directeurs de thèse: P.DANES, B.VANDEPORTAELE , N° 19019

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Résumé

Les recherches menées au cours de cette thèse de Doctorat s’inscrivent dans les activités du laboratoire commun OPERA (OPtique EmbaRquée Active) impliquant ESSILOR-LUXOTTICA et le CNRS. L’objectif est de contribuer au développement des “lunettes du futur” intégrant des fonctions d’obscurcissement, de focalisation ou d’affichage qui s’adaptent en permanence à la scène et au regard de l’utilisateur. Ces nouveaux dispositifs devront être dotés de capacités de perception, de décision et d’action, et devront respecter des contraintes d’encombrement, de poids, de consommation énergétique et de temps de traitement. Ils présentent par conséquent des connexions évidentes avec la robotique. Dans ce contexte, les recherches ont consisté à investiguer la structure et la construction de tels systèmes afin d’identifier leurs enjeux et difficultés. Pour ce faire, la première tâche a été de mettre en place des émulateurs de divers types de lunettes actives, qui permettent de prototyper et d’évaluer efficacement diverses fonctions. Dans cette phase de prototypage et de test, ces émulateurs s’appuient naturellement sur une architecture logicielle modulaire typique de la robotique. La seconde partie de la thèse s’est focalisée sur le prototypage d’un composant clé des lunettes du futur, qui implique une contrainte supplémentaire de basse consommation : le système de suivi du regard, aussi appelé oculomètre. Le principe d’un assemblage de photodiodes et d’un traitement par réseau de neurones a été proposé. Un simulateur a été mis au point, ainsi qu’une étude de l’influence de l’agencement des photodiodes et de l’hyper-paramétrisation du réseau sur les performances de l’oculomètre.

146315
18420
04/12/2018

Modélisation 3D et suivi visuel pour caractériser le phénotype de variétés de tournesol

W.GELARD

RAP

Doctorat : 4 Décembre 2018, 153p., Président: F.BARET, Rapporteurs: D.ROUSSEAU, G.RABATEL, Examinateurs: M.DEVY, Directeurs de thèse: A.HERBULOT, P.DEBAEKE , N° 18420

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Abstract

The constant increasing food and energy demand in the world associated to global warming and climate change issues, pushed the researchs in plant breeding to move towards the improvement of crops performance and development of a more sustainable agriculture. To meet these demands, the effort made by the researchers were focused on the development of high-throughput genotyping methods (i.e., the study of genome sequence of plants) and allowed the biologists to indentified the genotypes of a large amount of plants. Moreover, understanding the relationships that link the genotypes (DNA) to the phenotypes (visual characteristics) that evolve according environmental conditions like : light, water, drought, heat, etc. has become a main issue in agricultural research. While the genotyping methods were rapidly improved and automatized during the last decade, the phenotyping methods remain manual, sometimes destructive and non-replicable. The usual phenotyping methods consist to measure certain visual parameters of a plant such as : main stem heigh, number of leaves, leaf initiation angle or leaf area, but more importantly, be able to follow these parameters along the plant growth. Consequently, the number of plants to harvest is very important and the measurements are extremely time-consuming. The emergence and reliability of new technologies in computer vision and robotic have led the researchers to take an interest in them and to seek how they can be used in plant science. The thesis is focused on the design, development and validation of a high-throughput phenotyping method design for sunflower plant with an eye to amplify phenotyping capacities by Agronomists and Geneticists (and later varieties evaluators and seed producers). The aim is to improve, modernize and automatize the current phenotyping methods as a way to help the plant scientists to collect a large amount of data. Motivated by the wish to perform high-throughput plant phenotyping, we propose a 3D approach to automatically extract visual characteristics of sunflower plants grown in pot. First, a 3D point cloud of a plant is acquired with classical SfM techniques. A segmentation step is then proceeded to retrieve the main stem and the leaves. With the intention of following the visual characteristics during the plant growth, especially, the leaf area expansion rate of each leaf, a labelling step relying on the botanical model of a plant is performed to affect them a unique label that will not change over time. Finally, the visual characteristics are extracted and results obtained on sunflower plants demonstrate the efficiency of our method and make it an encouraging step toward high-throughput plant phenotyping.

Résumé

L’augmentation constante de la demande alimentaire et énergétique dans le monde associée au réchauffement et changements climatiques ont poussé les recherches en agronomie vers le développement d’une agriculture plus durable et l’amélioration de la performance des cultures. Pour répondre à ces demandes, les chercheurs ont concentré leurs efforts sur le développement de méthodes de génotypage à haut débit (l’étude de la séquence génomique des plantes) et ont permis aux biologistes d’identifier les génotypes d’une grande quantité de plantes. De plus, comprendre les relations qui lient les génotypes (ADN) aux phénotypes (caractéristiques visuelles) qui évoluent en fonction des conditions d’irrigation, d’illumination ou de température est devenu un enjeu majeur dans la recherche agricole. Alors que les méthodes de génotypage ont été rapidement améliorées et automatisées au cours de la dernière décennie, les méthodes de phénotypage restent manuelles et parfois destructrices. Ces méthodes consistent à mesurer certains paramètres visuels d’une plante telle que : la hauteur de la tige principale, le nombre de feuilles, les angles d’initiation des feuilles ou la surface foliaire et plus important encore, à suivre ces paramètres tout au long de la croissance des plantes. Par conséquent, le nombre de plantes à cultiver est très important et les mesures prennent beaucoup de temps. Avec l’émergence des nouvelles technologies en vision par ordinateur et en robotique, les chercheurs en agronomie y ont vu un intérêt certain en vue d’automatiser la collecte et les mesures des données visuelles sur les plantes. La thèse porte sur la conception, le développement et la validation de traitements haut débit à exécuter automatiquement sur des images acquises sur des plantes de tournesol, en vue d’amplifier les capacités de phénotypage par les chercheurs en agronomie (et ultérieurement les évaluateurs de variétés et les semenciers). L’objectif est la mise au point d’un protocole d’acquisition d’images (en plante isolée) depuis un robot mobile (ou un système d’acquisition autonome) permettant d’améliorer, de moderniser et d’automatiser les méthodes de phénotypage actuelles afin d’aider les chercheurs en agronomie à collecter une grande quantité de données. Motivés par le souhait d’effectuer un phénotypage à haut débit, nous proposons une approche 3D pour extraire automatiquement les caractéristiques visuelles des plantes de tournesol cultivées en pot. Tout d’abord, un nuage de points 3D d’une plante est acquis avec des techniques classiques de SfM. Une étape de segmentation est ensuite effectuée pour extraire la tige principale et les feuilles. Dans le but de suivre les caractéristiques visuelles pendant la croissance des plantes, en particulier, suivre l’expansion foliaire de chaque feuille, une étape de labellisation basée sur le modèle botanique d’une plante est appliquée pour leur affecter une étiquette unique qui ne changera pas avec le temps. Enfin, les caractéristiques visuelles sont extraites et les résultats obtenus sur les plantes de tournesol démontrent l’efficacité de notre méthode et en font une étape encourageante vers le phénotypage haut débit.

Mots-Clés / Keywords
Phénotypage 3D; Tournesols; Reconstruction et Segmentation 3D; 3D Phenotyping; Sunflower plant; 3D Reconstruction and Segmentation;

145595
18334
26/10/2018

Hyper-parameter optimization tools comparison for Multiple Object Tracking applications

J.MADRIGAL DIAZ, C.MAURICE, F.LERASLE

RAP

Revue Scientifique : Machine Vision and Applications, 16p., Octobre 2018, doi 10.1007/s00138-018-0984-1 , N° 18334

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01897032

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Abstract

Commonly, when developing an algorithm it is necessary to define a certain number of variables that control its behavior. Optimal parameters result in better performance that could translate into profits for companies, stand out among similar applications or better ranking on algorithm competitions. However, it is not a simple task to find the combination of parameters that provides the best results. Manual tuning could be a stressful and difficult task even for expert users. In this paper we present, evaluate and compare several tools in the literature for hyper-parameter optimization. We focus on 4 tools that have been selected due to their number of citations, code availability and impact on literature: MCMC, SMAC, TPE and Spearmint. We analyze these tools in the context of Multi Object Tracking (MOT) that have not been well studied in the literature. MOT itself has been well-studied topic with multiple parameters to be tuned. We evaluate these tools using public benchmarks such as PETS09 or ETH and using the publicly available source code provided by the authors. We analyze the impact of these tools in terms of stability, performance, and usabil-ity, among others. Our results show how the use of these tools change the performance of the application and how this would affect the results of real ranked competitions. Our goal is (1) to encourage the reader to use these tools and (2) to provide a guide that helps to choose the most pertinent tool.

144949
18499
10/10/2018

3D Leaf Tracking for Plant Growth Monitoring

W.GELARD, A.HERBULOT, M.DEVY, P.CASADEBAIG

RAP, INRA Castanet

Manifestation avec acte : IEEE International Conference on Image Processing ( ICIP ) 2018 du 07 octobre au 10 octobre 2018, Athènes (Grece), Octobre 2018, 5p. , N° 18499

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01957628

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Abstract

This article presents a 3D approach in plant growth monitoring and deals with the tracking of leaves of sunflower plants. Our aim is to compute time-series of individual leaf area, under water stress and control conditions. These data will then be used by biologists to study the drought resistance of various sunflower species. Our method to track the leaves in 3D has been evaluated on a set of 132 point clouds obtained via classical structure-from-motion techniques and multi-view stereo software. These 3D acquisitions have been performed on 12 sunflower plants (6 water-stressed, 6 well-watered) during a period of one month (11 measurement dates per sunflower plant). This method gives promising results for both conditions (water-stressed and well-watered), for different species and is able to follow the growth of the plants, as well as to detect new leaf emergence and leaf decay.

146053
18498
05/10/2018

Tree detection with low-cost 3D sensors for autonomous navigation in orchards

A.DURAND PETITEVILLE, E.LE FLECHER, V.CADENAT, T.SENTENAC, S.VOUGIOUKAS

Univ. of California, Davis, RAP

Manifestation avec acte : IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ( IROS ) 2018 du 01 octobre au 05 octobre 2018, Madrid (Espagne), Octobre 2018, 8p. , N° 18498

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01963150

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Abstract

This paper deals with autonomous farming and with the autonomous navigation of an agricultural robot in orchards. These latter are typical semi-structured environments where the dense canopy prevents from using GPS signal and embedded sensors are often preferred to localize the vehicle. To move safely in such environments, it is necessary to provide the robot the ability of detecting and localizing trees. This paper focuses on this problem. It presents a low cost but efficient vision-based system allowing to detect accurately, quickly and robustly the trees. It is made of four stereo cameras which provide a point cloud characterizing the environment. The key idea is to find the tree trunks by detecting their shadows which are materialized by concavities in the obtained point cloud. In this way, branches and leaves are not taken into account, improving the detection robustness and therefore the navigation strategy. The method has been implemented using ROS and validated using data sequences taken in several different orchards. The obtained results definitely validate the approach and its performances show that the processing time (around 1ms) is sufficiently short for the data to be used at the control level. A comparison with other approaches from the literature is also provided.

146039
18184
01/10/2018

Automated thermal 3 D reconstruction based on a robot equipped with uncalibrated infrared stereovision cameras

T.SENTENAC, F.BUGARIN, B.DUCAROUGE, M.DEVY

RAP, ICA

Revue Scientifique : Advanced Engineering Informatics, Vol.38, pp.203-215, Octobre 2018 , N° 18184

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01829409

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Abstract

In many industrial sectors, Non Destructive Testing (NDT) methods are used for the thermomechanical analysis of parts in assemblies of engines or reactors or for the control of metal forming processes. This article suggests an automated multi-view approach for the thermal 3D reconstruction required in order to compute 3D surface temperature models. This approach is based only on infrared cameras mounted on a Cartesian robot. The low resolution of these cameras associated to a lack of texture to infrared images require to use a global approach based first on an uncalibrated rectification and then on the simultaneous execution, in a single step, of the dense 3D reconstruction and of an extended self-calibration. The uncalibrated rectification is based on an optimization process under constraints which calculates the homographies without prior calculation of the Fundamental Matrix and which minimizes the projective deformations between the initial images and the rectified ones. The extended self-calibration estimates both the parameters of virtual cameras that could provide the rectified images directly, and the parameters of the robot. It is based on two criteria evaluated according to the noise level of the infrared images. This global approach is validated through the reconstruction of a hot object against a reference reconstruction acquired by a 3D scanner.

143998
18497
01/10/2018

Tree Detection With Low-Cost Three-Dimensional Sensors for Autonomous Navigation in Orchards

A.DURAND PETITEVILLE, E.LE FLECHER, V.CADENAT, T.SENTENAC, S.VOUGIOUKAS

Univ. of California, Davis, RAP

Revue Scientifique : IEEE Robotics and Automation Letters, Vol.3, N°4, pp.3876-3883, Octobre 2018 , N° 18497

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01963173

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Abstract

This paper deals with autonomous farming and with the autonomous navigation of an agricultural robot in orchards. These latter are typical semi-structured environments where the dense canopy prevents from using GPS signal and embedded sensors are often preferred to localize the vehicle. To move safely in such environments, it is necessary to provide the robot the ability of detecting and localizing trees. This paper focuses on this problem. It presents a low cost but efficient vision-based system allowing to detect accurately, quickly and robustly the trees. It is made of four stereo cameras which provide a point cloud characterizing the environment. The key idea is to find the tree trunks by detecting their shadows which are materialized by concavities in the obtained point cloud. In this way, branches and leaves are not taken into account, improving the detection robustness and therefore the navigation strategy. The method has been implemented using ROS and validated using data sequences taken in several different orchards. The obtained results definitely validate the approach and its performances show that the processing time (around 1ms) is sufficiently short for the data to be used at the control level. A comparison with other approaches from the literature is also provided.

146037
18248
31/08/2018

Toward Self-Aware Robots

R.CHATILA, E.RENAUDO, M.ANDRIES, R.O.CHAVEZ-GARCIA, P.LUCE-VEYRAC, R.GOTTSTEIN, R.ALAMI, A.CLODIC, S.DEVIN, B.GIRARD, M.KHAMASSI

ISIR, Jussieu, RIS, RAP

Revue Scientifique : Frontiers in Robotics and AI, art.88, Vol.5, 20p., Août 2018 , N° 18248

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01856931

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Abstract

Despite major progress in Robotics and AI, robots are still basically " zombies " repeatedly achieving actions and tasks without understanding what they are doing. Deep-Learning AI programs classify tremendous amounts of data without grasping the meaning of their inputs or outputs. We still lack a genuine theory of the underlying principles and methods that would enable robots to understand their environment, to be cognizant of what they do, to take appropriate and timely initiatives, to learn from their own experience and to show that they know that they have learned and how. The rationale of this paper is that the understanding of its environment by an agent (the agent itself and its effects on the environment included) requires its self-awareness, which actually is itself emerging as a result of this understanding and the distinction that the agent is capable to make between its own mind-body and its environment. The paper develops along five issues: agent perception and interaction with the environment; learning actions; agent interaction with other agents—specifically humans; decision-making; and the cognitive architecture integrating these capacities.

144414
18209
28/06/2018

Suivi de passagers de bus par apprentissage profond

C.LABIT-BONIS, J.THOMAS, F.LERASLE, J.MADRIGAL DIAZ

RAP, ACTIA

Manifestation avec acte : Congrès Reconnaissance des Formes, Image, Apprentissage et Perception ( RFIAP ) 2018 du 25 juin au 28 juin 2018, Marne-la-Vallée (France), Juin 2018, 8p. , N° 18209

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01830834

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Résumé

Cet article présente une étude comparative de suivi par détection appliqué au comptage passager dans les bus de ville. Un détecteur cible les passagers à chaque instant image, puis un traqueur reconstruit leurs trajectoires en associant ces détections. Nous comparons trois détecteurs par apprentissage profond peu explorés dans notre contexte applicatif, que nous couplons avec un traqueur temps réel pour une évaluation globale sur notre base large échelle d'images en situation réelle. Les résultats présentés sont très encourageants tant en terme de détection et de suivi que de rapidité pour nos perspectives embarquées.

144199
18202
28/06/2018

Suivi de la croissance de plantes par vision 3D

W.GELARD, A.HERBULOT, M.DEVY, P.CASADEBAIG

RAP, INRA Castanet

Manifestation avec acte : Congrès Reconnaissance des Formes, Image, Apprentissage et Perception ( RFIAP ) 2018 du 25 juin au 28 juin 2018, Marne-la-Vallée (France), Juin 2018, 8p. , N° 18202

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01828207

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Résumé

Cet article présente une approche de vision 3D permettant d’effectuer le suivi de la croissance de plantes et traite en particulier du suivi des feuilles de tournesol. Notre objectif est de calculer l’expansion foliaire sous deux conditions : plantes privées d’eau (état de stress hydrique) et plantes correctement irriguées (état de contrôle). Ces données seront ensuite exploitées par des biologistes afin d’étudier la résistance à la sécheresse de différentes variétés de tournesol. Notre méthode de suivi des feuilles par vision 3D a été évaluée sur 132 nuages de points acquis via des logiciels classiques de structure-from-motion et de stéréo multi-vues. Ces acquisitions ont été réalisées sur 12 plantes de tournesol (6 en état de stress hydrique et 6 en état de contrôle) sur une période d’un mois (11 mesures effectuées par plante). Cette méthode s’est révélée efficace sous les deux conditions (plantes irriguées et privées d’eau) afin d’effectuer le suivi de croissance d’une plante, ainsi que détecter l’apparition et la disparition de feuilles.

144154
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