Méthode de Fast Marching pour des équations de HJB:



Documents pareils
Synthèse d'images I. Venceslas BIRI IGM Université de Marne La

Théorèmes de Point Fixe et Applications 1

Reconnaissance de visages 2.5D par fusion des indices de texture et de profondeur ICI 12/12/12

Mathématique et Automatique : de la boucle ouverte à la boucle fermée. Maïtine bergounioux Laboratoire MAPMO - UMR 6628 Université d'orléans

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

La programmation linéaire : une introduction. Qu est-ce qu un programme linéaire? Terminologie. Écriture mathématique

Programmation linéaire

3 Approximation de solutions d équations

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Continuité et dérivabilité d une fonction

Baccalauréat ES/L Métropole La Réunion 13 septembre 2013 Corrigé

Chapitre 4: Dérivée d'une fonction et règles de calcul

I Stabilité, Commandabilité et Observabilité Introduction Un exemple emprunté à la robotique Le plan Problème...

Optimisation et programmation mathématique. Professeur Michel de Mathelin. Cours intégré : 20 h

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

IFT3355: Infographie Sujet 6: shading 7 (illumination globale 4)

Chp. 4. Minimisation d une fonction d une variable

Master IMA - UMPC Paris 6 RDMM - Année Fiche de TP

Chapitre 7 : Intégration sur un intervalle quelconque

Rappels sur les suites - Algorithme

Correction du baccalauréat ES/L Métropole 20 juin 2014

LE PROBLEME DU PLUS COURT CHEMIN

Les indices à surplus constant

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Projet de Traitement du Signal Segmentation d images SAR

BACCALAUREAT GENERAL MATHÉMATIQUES

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

Baccalauréat ES/L Amérique du Sud 21 novembre 2013

Groupe Eyrolles, 2006, ISBN :

Modélisation intégrée des écoulements pour la gestion en temps réel d'un bassin versant anthropisé

La tarification d options

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Application de K-means à la définition du nombre de VM optimal dans un cloud

TD1 PROPAGATION DANS UN MILIEU PRESENTANT UN GRADIENT D'INDICE

Comment tracer une droite représentative d'une fonction et méthode de calcul de l'équation d'une droite.

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

AOMS : UN NOUVEL OUTIL DE PHOTOGRAMMÉTRIE

6 Equations du première ordre

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Baccalauréat ES Pondichéry 7 avril 2014 Corrigé

MATHS FINANCIERES. Projet OMEGA

Nouvelles propositions pour la résolution exacte du problème de sac à dos bi-objectif unidimensionnel en variables binaires

Commun à tous les candidats

La méthode des éléments finis et le contrôle des calculs

G.P. DNS02 Septembre Réfraction...1 I.Préliminaires...1 II.Première partie...1 III.Deuxième partie...3. Réfraction

Sommaire. Bertrand PECUCHET

Relation d ordre. Manipulation des relations d ordre. Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 Feuille d exercices

Introduction à l analyse numérique : exemple du cloud computing

Programmation linéaire

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

Projet de traitement d'image - SI 381 reconstitution 3D d'intérieur à partir de photographies

Le théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche

ANALYSE GÉNÉRALE - PROPOSITION DE CORRIGÉ. Exercice 1

Etude de fonctions: procédure et exemple

10ème Congrès Français d'acoustique Lyon, Avril 2010

Dualité dans les espaces de Lebesgue et mesures de Radon finies

Formation à la C F D Computational Fluid Dynamics. Formation à la CFD, Ph Parnaudeau

L analyse d images regroupe plusieurs disciplines que l on classe en deux catégories :

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

aux différences est appelé équation aux différences d ordre n en forme normale.

Modélisation prédictive et incertitudes. P. Pernot. Laboratoire de Chimie Physique, CNRS/U-PSUD, Orsay

Analyse stochastique de la CRM à ordre partiel dans le cadre des essais cliniques de phase I

Détection et suivi d'objets dans une séquence d'images par contours actifs

Programmation Linéaire - Cours 1

Contrôle stochastique d allocation de ressources dans le «cloud computing»

Exercice 3 (5 points) A(x) = 1-e -0039' e- 0,039x A '() -'-,..--,-,--,------:-- X = (l_e-0,039x)2

Quantification Scalaire et Prédictive

LES MÉTHODES DE POINT INTÉRIEUR 1

Agrégation des portefeuilles de contrats d assurance vie

La fonction exponentielle

Apprentissage incrémental par sélection de données dans un flux pour une application de sécurité routière

RO04/TI07 - Optimisation non-linéaire

Etude comparative de différents motifs utilisés pour le lancé de rayon

Polynômes à plusieurs variables. Résultant

Élue Correspondant le 25 avril 1994, puis Membre le 30 novembre 2004 dans la section Sciences mécaniques et informatiques

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

de calibration Master 2: Calibration de modèles: présentation et simulation d


Dentiste Numérique Zfx. Un cabinet dentaire certifié avec la technologie innovante signée Zfx

Les travaux doivent être remis sous forme papier.

TP Blender n 2 : Importation d un modèle SketchUp et animation

Examen optimisation Centrale Marseille (2008) et SupGalilee (2008)

Image d un intervalle par une fonction continue

Complexité. Licence Informatique - Semestre 2 - Algorithmique et Programmation

Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007

Résolution d équations non linéaires

Les algorithmes de base du graphisme

Simulation de point de vue pour la localisation d une caméra à partir d un modèle non structuré

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

NOTATIONS PRÉLIMINAIRES

I. Ensemble de définition d'une fonction

Leçon 01 Exercices d'entraînement

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Baccalauréat ES Polynésie (spécialité) 10 septembre 2014 Corrigé

C f tracée ci- contre est la représentation graphique d une

Contrôle par commande prédictive d un procédé de cuisson sous infrarouge de peintures en poudre.

Développements limités. Notion de développement limité

Transcription:

Méthode de Fast Marching pour des équations de HJB: - dépendance en u, - fonction coût de signe arbitraire, - Application au Shape From Shading. Emmanuel Prados SÉMINAIRE DE CALCUL SCIENTIFIQUE DU CERMICS 07 Mars 2006, Champs sur Marne 1

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 2

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative 3

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative FMM 4

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative FMM 5

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative FMM 6

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative FMM 7

Méthode de Fast Marching (FMM) Résolution numérique d'edp (différences finies), Méthode à passage unique méthodes itératives: schéma d'approximation => mise à jour des valeurs de la solution Chemin => ordre de balayage des points. méthode Iterative method iterative FMM Avantages de la FMM: Absence de seuil (critère d'arrêt) Nombre de mises à jour optimal coût CPU faible Directement reliée à la propagation de front. 8

Méthode de Fast Marching (FMM) Applications (initiales déjà) nombreuses: Planification de trajectoires [KimmelSethian:01] Optique géométrique [WenwangBenamou:03] Traitement d'images et vision par ordinateur [L.Cohen:05] Liste exhaustive [Sethian:99]. 9

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 10

Equations considérées Méthode basique [Sethian:99, Dijkstra:59] u = g(x), (équation eikonale) Récente extension: OUM [Sethian-Vladimirsky:03] supa { f(x,a) a. u -1} = 0, (2) Nouvelle extension [Prados-Soatto:RFIA'06-VLSM'05] λ u +sup { f(x,a). u -l(x,a)} = 0, (3) a avec l(x,a) de signe quelconque; λ F(u) + H(x, u) = 0, (4) avec F strictement croissante* et H convexe*. Transformée de Legendre 11

Equations considérées Nouvelle extension [Prados-Soatto:RFIA'06-VLSM'05] λ u +supa { f(x,a). u -l(x,a)} = 0 [Sethian-Vladimirsky:03] supa { f(x,a) a. u -1} = 0, λ=0. l(x,a)=1 ne dépend pas de a et est positive. Positivité de l(x,a) H(x,0) 0. comportement de monotonie de la solution: croissance le long des trajectoires optimales. 12

Equations considérées Nouvelle extension [Prados-Soatto:RFIA'06-VLSM'05] λ u +supa { f(x,a). u -l(x,a)} = 0 [Sethian-Vladimirsky:03] supa { f(x,a) a. u -1} = 0, λ=0.... e é ax l e r l(x,a)=1 ne dépend pas de a et est positive. e t n i a Positivité detrl(x,a) n o C H(x,0) 0. comportement de monotonie de la solution: croissance le long des trajectoires optimales. 13

Equations considérées Nouvelle extension [Prados-Soatto:RFIA'06-VLSM'05] λ u +supa { f(x,a). u -l(x,a)} = 0. Élargissement des applications potentielles: Finance [Trojani-Vanini:02,Naicker-Andriopoulos:05], Animation [Amos:02], Vision par ordinateur: Shape From Shading [Prados-Soatto:RFIA'06]. 14

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 15

Description de la méthode [Prados-Soatto:RFIA'06] 1. Nouvelle causalité 2. Schéma numérique 3. Algorithme 16

Nouvelle causalité et réinterprétation Point clé : Distinction entre la causalité : propagation théorique de l'information solution calculée = solution de viscosité l'intégration simultanée stabilité numérique. 17

Causalité: L' information se propage le long de courbes spécifiques: les trajectoires optimales (1) A- Fonction valeur EDP λ u +supa { f(x,a). u -l(x,a)} = 0, u(x)= (x), x x Une dynamique : y'(t) = f(y(t), (t)), t>0, yx = trajectoire solution (x, )= 1ere instant où la trajectoire atteinte y(0)= x, Proposition: (x, ) u(x) = 0 l(yx(t), (t)) e-λt dt + (yx( (x, ))) est solution de l'équation (1). ( cas singularités + (x ) : cf. [Prados-Camilli-Faugeras:M2AN'06] ) 18

Causalité: L' information se propage le long de courbes spécifiques: les trajectoires optimales A- Trajectoires optimales: Proposition: (x, ) u(x) = inf 0 l(yx (t), (t)) e-λt dt + (yx ( (x, ))) (2) est solution de l'équation (1). Notations: * contrôle réalisant l'inf de (2) y*x = trajectoire associée à * contrôle optimal trajectoire optimale Solution calculable par une intégration directe le long de ces courbes: u(x) = 0 (x, *) l(y*x (t), *(t)) e-λt dt + (y*x( (x, *))) 19

Causalité: L' information se propage le long de courbes spécifiques: les trajectoires optimales Solution calculable par une intégration directe le long de ces courbes: (x, *) u(x) = 0 l(y*x (t), *(t)) e-λt dt + (y*x( (x, *))) Idée suggérée: intégration de la solution courbe après courbe [Horn:85] instabilités numériques Idée: intégration simultanée... 20

Intégration simultanée: garanti la stabilité numérique 21

Intégration simultanée: garanti la stabilité numérique Propagation de fronts ; 22

Intégration simultanée: garanti la stabilité numérique 23

Intégration simultanée: garanti la stabilité numérique Problèmes: 1) Plusieurs front de propagation suivent les trajectoires optimales. Comment choisir ce front? 24

Intégration simultanée: garantit la stabilité numérique Problèmes: 2) Comment définir ces fronts de propagation? 25

Intégration simultanée: garantit la stabilité numérique Problèmes: 2) Comment définir ces fronts de propagation? introduction d'un coût C tel que les lignes de niveaux de C correspondent au front propagé. 26

Trajectoire optimale Méthodes précédentes de FMM C=u ( u = solution) incohérent avec la causalité pour solution non croissante le long des trajectoires optimales! Ligne de niveau de u Nous montrons comment définir un coût approprié C : - toujours cohérent avec les trajectoires optimales, - induit un ordre de mise à jour efficace et simple... Coût C basé sur la notion de sous solutions: ψ 27

Soit une sous-solution de l'équation (x, *) u(x) = (x) + 0 où (p,q) 0 (yx(t), *(t)) dt + (yx( (x, *)))- (yx( (x, *))) c.f. [prados-soatto:rfia'06] C(x) = u(x) - (x) (x, *) = 0 (yx(t), *(t)) dt. + (yx( (x, *)))- (yx( (x, *))). C(x) est donc croissant le long des trajectoires optimales. 28

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 29

Schéma numérique Approximation t u(x) si {+1, -1} Choix des (s1,..,sn) : simplexe qui contient la trajectoire optimale si = si(x,a) := sign fi(x,a), Schéma numérique: λ F(t) + 30

Schéma numérique Schéma consistent (cohérent) et monotone, Peut être aussi retrouvé par: [Prados:PhD'04] Programmation dynamique... Monotonie... Dépendance en u. 31

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 32

Méthode de Fast Marching Divise l'espace en trois sous ensembles: F = points éloignés C = points considérés A = points acceptés 33

Initialisation Algorithme A = points acceptés F = points éloignés C = points considérés (V est une super-solution; cf. article). numérique., 34

Initialisation Algorithme A = points acceptés F = points éloignés C = points considérés (V est une super-solution; cf. article). Lié à la présence du terme en u dans l'équation! numérique., 35

Initialisation Algorithme A = points acceptés F = points éloignés C = points considérés (V est une super-solution; cf. article). Aussi lié à la présence du terme en u... numérique., 36

Initialisation Algorithme A = points acceptés F = points éloignés C = points considérés (V est une super-solution; cf. article). numérique. Corrige la causalité quand, la fonction coût est de signe arbitraire. 37

Méthode de Fast Marching Choix du pixel causalité points adjacents + points éloignés et V Calcul des valeurs de mise à jour schéma numérique Domaine où la solution est connue 38

Plan de la présentation I. Introduction II. Equations considérées III. Causalité IV. Schéma numérique V. Algorithme VI. Application au Shape From Shading 39

Problème du «Shape From Shading» Données: une seule image. Données minimales, Problème mal posé. Information utilisée: Surface 3D observée l ombrage. Difficultés liées à la Image 2D Surface 3D reconstruite modélisation: illumination, réflectance, caméra. 40

Problème du «Shape From Shading» Ambiguités! Exemple: Changement d'éclairage... Belhumeur Et al. Ambiguité de bas-relief. Hypothèses: cadre expérimental connu: éclairage, réflectance. Problème: reconstruire la géométrie de la scène. 41

Exemple concret: Équation de Rouy/Tourin Modèle associé: [Prados:PhD'04] Réflectance Lambertienne et homogène, Source de lumière unique, éloignée et oblique Projection orthographique. EDP: I(x) = image. Fonction coût associée est de SIGNE ARBITRAIRE Solutions non croissantes le long des trajectoires optimales, Les FMM classiques ne s'appliquent pas! Sous solution: 42

Focus sur l'amélioration due à la nouvelle causalité Reconstruction avec la causalité classique Reconstruction avec la nouvelle causalité Image originale Vue oblique Vue oblique Vue de profil Vue de profil groundtruth Solution calculée groundtruth 43

SFS avec atténuation de éclairage / distance Modèle associé : [Prados-Faugeras:CVPR'05] Réflectance Lambertienne et homogène, Unique source de lumière placée au centre optique, avec atténuation de l'intensité / distance de l'objet Projection en perspective. EDP résultante: I(x) = image et f = focale. et 44

SFS avec atténuation de éclairage / distance Modèle associé : [Prados-Faugeras:CVPR'05] Réflectance Lambertienne et homogène, Unique source de lumière placée au centre optique, avec atténuation de l'intensité / distance de l'objet Projection en perspective. EDP résultante: I(x) = image et f = focale. et 45

SFS avec atténuation de éclairage / distance Modèle associé : [Prados-Faugeras:CVPR'05] Réflectance Lambertienne et homogène, Unique source de lumière placée au centre optique, avec atténuation de l'intensité / distance de l'objet Projection en perspective. EDP résultante: I(x) = image et f = focale. et Méthodes de Fast Marching classiques ne s'appliquent pas... 46

SFS avec atténuation de éclairage / distance [Prados-Faugeras:CVPR'05] Modèle associé : Réflectance Lambertienne et homogène, Unique source de lumière placée au centre optique, avec atténuation de l'intensité / distance de l'objet Projection en perspective. EDP résultante: I(x) = image et f = focale. et Méthodes de Fast Marching classiques ne s'appliquent pas... Nos résultats: image reconstruction 47

Conclusion 1) Extension des méthodes de Fast Marching à une large classe EDP: - dépendant de u, - solutions non croissantes le long des trajectoires optimales, λ F(u) + H(x, u) = 0 2) Nouvelle causalité + nouvelle interprétation, 3) Application de la méthode au SFS. Perspectives et extensions prévues 1) Preuve de convergence, 2) Présence de singularités, 3) Extension à l'équation d'isaacs. 48

Références [Kimmel-Sethian:01] R. Kimmel and J.A. Sethian. Optimal algorithm for shape from shading and path planning. JMIV, 14(2):237 244, May 2001. [L.Cohen:05] L. Cohen. Minimal paths and fast marching methods for image analysis. In Mathematical Models in Computer Vision: The Handbook, Springer, 2005. [Sethian:99] J.A. Sethian. Level Set Methods and Fast Marching Methods. Cambridge University Press,1999. [Sethian-Vladimirsky:03] J.A. Sethian and A. Vladimirsky. Ordered upwind methods for Hamilton Jacobi equations:theory and algorithms. SIAM J. on Num. Ana. 41(1), 2003 [Prados:PhD'04] E. Prados. Application of the theory of the viscosity solutions to the Shape From Shading problem. PhD thesis, 2004. [Prados-Faugeras:CVPR'05] E. Prados, O. Faugeras. Shapoe From Shading: a well-posed problem. CVPR, 2005. [Tsitsiklis:95] J.N. Tsitsiklis. Efficient algorithms for globally optimal trajectories. IEEE Trans. on Automatic Control, 40 :1528 1538, 1995. [Rouy-Tourin:92] E. Rouy and A. Tourin. A Viscosity Solutions Approach to Shape-from-Shading. SIAM Journal of Numerical Analysis, 29(3) :867 884, June 1992. POUR LES AUTRES REFERENCES, VOIR L'ARTICLE: [Prados-Soatto:RFIA06] E. Prados et S. Soatto, Méthode de ``Fast Marching'' générique pour le ``Shape From Shading'', Actes du 15ème Congrès de Reconnaissance des Formes et Intelligence Artificielle, Tours, France - RFIA 2006 49