Calibración geométrica de cámaras no métricas. Estudio de metodologías y modelos matemáticos de distorsión

La Fotogrametría, como ciencia y técnica de obtención de información tridimensional del espacio objeto a partir de imágenes bidimensionales, requiere de medidas de precisión y en ese contexto, la calibración geométrica de cámaras ocupa un lugar importante. El conocimiento de la geometría interna de la cámara es fundamental para lograr mayor precisión en las medidas realizadas. En Fotogrametría Aérea se utilizan cámaras métricas (fabricadas exclusivamente para aplicaciones cartográficas), que incluyen objetivos fotográficos con sistemas de lentes complejos y de alta calidad. Pero en Fotogrametría de Objeto Cercano se está trabajando cada vez con más asiduidad con cámaras no métricas, con ópticas de peor calidad que exigen una calibración geométrica antes o después de cada trabajo. El proceso de calibración encierra tres conceptos fundamentales: modelo de cámara, modelo de distorsión y método de calibración. El modelo de cámara es un modelo matemático que aproxima la transformación proyectiva original a la realidad física de las lentes. Ese modelo matemático incluye una serie de parámetros entre los que se encuentran los correspondientes al modelo de distorsión, que se encarga de corregir los errores sistemáticos de la imagen. Finalmente, el método de calibración propone el método de estimación de los parámetros del modelo matemático y la técnica de optimización a emplear. En esta Tesis se propone la utilización de un patrón de calibración bidimensional que se desplaza en la dirección del eje óptico de la cámara, ofreciendo así tridimensionalidad a la escena fotografiada. El patrón incluye un número elevado de marcas, lo que permite realizar ensayos con distintas configuraciones geométricas. Tomando el modelo de proyección perspectiva (o pinhole) como modelo de cámara, se realizan ensayos con tres modelos de distorsión diferentes, el clásico de distorsión radial y tangencial propuesto por D.C. Brown, una aproximación por polinomios de Legendre y una interpolación bicúbica. De la combinación de diferentes configuraciones geométricas y del modelo de distorsión más adecuado, se llega al establecimiento de una metodología de calibración óptima. Para ayudar a la elección se realiza un estudio de las precisiones obtenidas en los distintos ensayos y un control estereoscópico de un panel test construido al efecto. ABSTRACT Photogrammetry, as science and technique for obtaining three-dimensional information of the space object from two-dimensional images, requires measurements of precision and in that context, the geometric camera calibration occupies an important place. The knowledge of the internal geometry of the camera is fundamental to achieve greater precision in measurements made. Metric cameras (manufactured exclusively for cartographic applications), including photographic lenses with complex lenses and high quality systems are used in Aerial Photogrammetry. But in Close Range Photogrammetry is working increasingly more frequently with non-metric cameras, worst quality optical components which require a geometric calibration before or after each job. The calibration process contains three fundamental concepts: camera model, distortion model and method of calibration. The camera model is a mathematical model that approximates the original projective transformation to the physical reality of the lenses. The mathematical model includes a series of parameters which include the correspondents to the model of distortion, which is in charge of correcting the systematic errors of the image. Finally, the calibration method proposes the method of estimation of the parameters of the mathematical modeling and optimization technique to employ. This Thesis is proposing the use of a pattern of two dimensional calibration that moves in the direction of the optical axis of the camera, thus offering three-dimensionality to the photographed scene. The pattern includes a large number of marks, which allows testing with different geometric configurations. Taking the projection model perspective (or pinhole) as a model of camera, tests are performed with three different models of distortion, the classical of distortion radial and tangential proposed by D.C. Brown, an approximation by Legendre polynomials and bicubic interpolation. From the combination of different geometric configurations and the most suitable distortion model, brings the establishment of a methodology for optimal calibration. To help the election, a study of the information obtained in the various tests and a purpose built test panel stereoscopic control is performed.

Do cyanobacteria swim using traveling surface waves?

Bacteria that swim without the benefit of flagella might do so by generating longitudinal or transverse surface waves. For example, swimming speeds of order 25 microns/s are expected for a spherical cell propagating longitudinal waves of 0.2 micron length, 0.02 micron amplitude, and 160 microns/s speed. This problem was solved earlier by mathematicians who were interested in the locomotion of ciliates and who considered the undulations of the envelope swept out by ciliary tips. A new solution is given for spheres propagating sinusoidal waveforms rather than Legendre polynomials. The earlier work is reviewed and possible experimental tests are suggested.

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

The statistics of refractive error maps : managing wavefront aberration analysis without Zernike polynomials

The refractive error of a human eye varies across the pupil and therefore may be treated as a random variable. The probability distribution of this random variable provides a means for assessing the main refractive properties of the eye without the necessity of traditional functional representation of wavefront aberrations. To demonstrate this approach, the statistical properties of refractive error maps are investigated. Closed-form expressions are derived for the probability density function (PDF) and its statistical moments for the general case of rotationally-symmetric aberrations. A closed-form expression for a PDF for a general non-rotationally symmetric wavefront aberration is difficult to derive. However, for specific cases, such as astigmatism, a closed-form expression of the PDF can be obtained. Further, interpretation of the distribution of the refractive error map as well as its moments is provided for a range of wavefront aberrations measured in real eyes. These are evaluated using a kernel density and sample moments estimators. It is concluded that the refractive error domain allows non-functional analysis of wavefront aberrations based on simple statistics in the form of its sample moments. Clinicians may find this approach to wavefront analysis easier to interpret due to the clinical familiarity and intuitive appeal of refractive error maps.

Zernike radial slope polynomials for wavefront reconstruction and refraction

Ophthalmic wavefront sensors typically measure wavefront slope, from which wavefront phase is reconstructed. We show that ophthalmic prescriptions (in power-vector format) can be obtained directly from slope measurements without wavefront reconstruction. This is achieved by fitting the measurement data with a new set of orthonormal basis functions called Zernike radial slope polynomials. Coefficients of this expansion can be used to specify the ophthalmic power vector using explicit formulas derived by a variety of methods. Zernike coefficients for wavefront error can be recovered from the coefficients of radial slope polynomials, thereby offering an alternative way to perform wavefront reconstruction.

Spectral approximations to the fractional integral and derivative

In this paper, the spectral approximations are used to compute the fractional integral and the Caputo derivative. The effective recursive formulae based on the Legendre, Chebyshev and Jacobi polynomials are developed to approximate the fractional integral. And the succinct scheme for approximating the Caputo derivative is also derived. The collocation method is proposed to solve the fractional initial value problems and boundary value problems. Numerical examples are also provided to illustrate the effectiveness of the derived methods.

Permutation polynomials of the form (xp −x +δ)s +L(x)

Recently, several classes of permutation polynomials of the form (x2 + x + δ)s + x over F2m have been discovered. They are related to Kloosterman sums. In this paper, the permutation behavior of polynomials of the form (xp − x + δ)s + L(x) over Fpm is investigated, where L(x) is a linearized polynomial with coefficients in Fp. Six classes of permutation polynomials on F2m are derived. Three classes of permutation polynomials over F3m are also presented.

Revisiting Polya's summation techniques using a spreadsheet : from addition tables to Bernoulli polynomials

Recurrence relations in mathematics form a very powerful and compact way of looking at a wide range of relationships. Traditionally, the concept of recurrence has often been a difficult one for the secondary teacher to convey to students. Closely related to the powerful proof technique of mathematical induction, recurrences are able to capture many relationships in formulas much simpler than so-called direct or closed formulas. In computer science, recursive coding often has a similar compactness property, and, perhaps not surprisingly, suffers from similar problems in the classroom as recurrences: the students often find both the basic concepts and practicalities elusive. Using models designed to illuminate the relevant principles for the students, we offer a range of examples which use the modern spreadsheet environment to powerfully illustrate the great expressive and computational power of recurrences.

A dual-slope analogue-to-digital converter for generating polynomials

A new digital polynomial generator using the principle of dual-slope analogue-to-digital conversion is proposed. Techniques for realizing a wide range of integer as well as fractional coefficients to obtain the desired polynomial have been discussed. The suitability of realizing the proposed polynomial generator in integrated circuit form is also indicated.

Application of ultraspherical polynomials to forced oscillations of a third-order non-linear system

In this paper the method of ultraspherical polynomial approximation is applied to study the steady-state response in forced oscillations of a third-order non-linear system. The non-linear function is expanded in ultraspherical polynomials and the expansion is restricted to the linear term. The equation for the response curve is obtained by using the linearized equation and the results are presented graphically. The agreement between the approximate solution and the analog computer solution is satisfactory. The problem of stability is not dealt with in this paper.

Ultraspherical polynomials approach to the study of third-order non-linear systems

In this study, the Krylov-Bogoliubov-Mitropolskii-Popov asymptotic method is used to determine the transient response of third-order non-linear systems. Instead of averaging the non-linear functions over a cycle, they are expanded in ultraspherical polynomials and the constant term is retained. The resulting equations are solved to obtain the approximate solution. A numerical example is considered and the approximate solution is compared with the digital solution. The results show that there is good agreement between the two values.

Application of ultraspherical polynomials to non-linear autonomous systems

This paper deals with the approximate solutions of non-linear autonomous systems by the application of ultraspherical polynomials. From the differential equations for amplitude and phase, set up by the method of variation of parameters, the approximate solutions are obtained by a generalized averaging technique based on the ultraspherical polynomial expansions. The method is illustrated with examples and the results are compared with the digital and analog computer solutions. There is a close agreement between the analytical and exact results.

Fast computation of Legendre and Zernike moments

This paper presents recursive algorithms for fast computation of Legendre and Zernike moments of a grey-level image intensity distribution. For a binary image, a contour integration method is developed for the evaluation of Legendre moments using only the boundary information. A method for recursive calculation of Zernike polynomial coefficients is also given. A square-to-circular image transformation scheme is introduced to minimize the computation involved in Zernike moment functions. The recursive formulae can also be used in inverse moment transforms to reconstruct the original image from moments. The mathematical framework of the algorithms is given in detail, and illustrated with binary and grey-level images.