• Plug im!

Logiciel en libre accès pour le traitement des signaux et des images (https://www.plugim.fr/)

L'IFPEN met sa plate-forme interne de traitement des signaux et des images à la disposition de ceux qui souhaitent bénéficier des fonctionnalités les plus avancées combinées à une interface utilisateur simple et compréhensible.

Les travaux de la thèse "Caractérisation morphologique efficace de matériaux par cartes de distances" (descripteurs numériques de microstructures) sont déjà disponibles, ou seront prochainement disponibles, en tant que module sous plug im!.
Les modules développés, en lien direct avec les publications, ainsi que d'autres opérateurs numériques, sont détaillés en-dessous. Tous sont disponibles sous plug im!, ainsi que bien d'autres modules pour les signaux, les images et/ou les volumes.

Note pour les lecteurs :

Ci-dessous, des modules disponibles sous plug im! sont détaillés; le module est défini brièvement, puis une aide est donnée quant à son utilisation (n'hésitez-pas à me contacter pour toutes questions et/ou remarques).
Les modules peuvent être modifiés pour diverses raisons : debug, optimisation, ajout de paramètres ... Les dernières modifications en date seront indiquées en gras.

Bientôt disponibles :

A-protocole :

...

Disponibles :

H-tortuosité :

Entrée :

  • une image binaire 2D ou 3D, la partie blanche représente la microstructure à analyser, OU une image triphasique 2D ou 3D, avec des intensités spécifiques : 0 pour le vide autour, sans signification, 255 pour la phase solide, et le reste est considéré comme la phase poreuse.
                L'image triphasique peut être la sortie du module "Extraction of porosity". Cette option est originellement ajoutée pour considérer des images réelles acquises avec un matériel spécifique.

Sorties :

  • les valeurs de la H-tortuosité, les H-scalaires
  • la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes.

Sorties optionnelles :

  • les cartes 2D ou 3D de tortuosités morphologiques pour chaque point source.

Paramètres :

  • le choix de la méthode d'échantillonnage (échantillonnage 1D ou échantillonnage stratifié),
  • la valeur de la distance maximale Dmax (variations de tortuosité estimées entre 1 et Dmax),
  • le nombre de points aléatoires (N),
  • un booléen 'Save Data', pour sauvegarder la carte de tortuosités morphologiques de chaque point source en tant que fichier *.fda. Paramètre additionnel (si coché) :
  1.     '...': sélection du répertoire de sauvegarde.

Article associé : Chaniot J., Moreaud M., Sorbier L., Jeulin D., Becker J.-M. and Fournel T. (2020). "Heterogeneity assessment based on average variations of morphological tortuosity for complex porous structures characterization", Image Analysis & Stereology 39(1):111-128

Calcul de l'estimateur de la H-tortuosité : un descripteur topologique évolutif fournissant une carte 3D des tortuosités relatives moyennes, un ensemble de H-coefficients, chacun pour un point de départ et une échelle donnés, dont les histogrammes pourraient être significatifs, et une courbe finale, les valeurs de la H-tortuosité, appelées les H-scalaires, en fonction de l'échelle, évaluant les variations moyennes de la tortuosité morphologique périphérique.
Le descripteur, basé sur un processus de Monte Carlo, gère les déconnexions et est applicable à des microstructures multi-échelles complexes, en particulier lorsque les entrées et les sorties sont délicates à imposer. Les différentes étapes sont similaires à celles de l'estimateur de la M-tortuosité.
  1. Étape optionnelle : Une étape optionnelle est la squelettisation. Nous recommandons le calcul d'un squelette homotopique de la microstructure interconnectée à analyser. Le squelette homotopique est théoriquement le plus petit sous-ensemble de la microstructure conservant le degré de connectivité. En d'autres termes, la topologie est inchangée. 
    Diverses méthodes de calcul sont proposées dans l'état de l'art. Des modules seront disponibles pour l'étape de squelettisation, différents algorithmes seront proposés selon l'application, c'est-à-dire la nature de l'image.
  2. Échantillonnage : La première étape est l'échantillonnage d'un nombre choisi de points N. Soit N est le nombre exact de points échantillonnés, si la méthode d'échantillonnage 1D (a) est choisie, soit N est une valeur approximative, si la méthode d'échantillonnage stratifié (b) est choisie. La figure montre la différence entre les deux méthodes d'échantillonnage (a) et (b). 
    Une sous-étape supplémentaire est imposée, en particulier dans le cas des modèles stochastiques où la moyenne des différentes réalisations est calculée. Afin d'éviter les problèmes de limites, une zone d'échantillonnage (c) est imposée, comme le montre la figure de droite (c). 
  3. Calcul des cartes de distances : La carte de distances et la carte de distances géodésiques sont calculées. À cette étape, la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes est évaluée.  
  4. H-coefficients : Comme pour la M-tortuosité, les H-coefficients peuvent être considérés comme un ensemble de tortuosités morphologiques, chacune d'entre elles selon un point aléatoire spécifique, c'est-à-dire " un point de vue " de la microstructure d'intérêt. Contrairement à la M-tortuosité, un H-coefficient n'est pas seulement lié à une localisation, c'est-à-dire un point, mais aussi à une échelle, c'est-à-dire une distance euclidienne, comme le montre la figure (d). Par conséquent, le processus de calcul doit être adapté.
    Un H-coefficient, lié à une position spécifique et une échelle donnée, est la tortuosité estimée à ce point et cette distance. Il peut être vu comme un point de vue de la microstructure depuis cette position et cette échelle, ou comme l'accessibilité moyenne de ce point pour n'importe quel point aléatoire de la microstructure situé à la distance donnée du point courant.
  5. Les H-scalaires : Les valeurs de la H-tortuosité, appelées les H-scalaires, sont un ensemble de points de vue selon une échelle donnée. Contrairement à la M-tortuosité qui fournit un point de vue global de la microstructure dans son ensemble, la H-tortuosité se concentre sur les caractéristiques locales en les quantifiant grâce aux variations locales de la tortuosité morphologique.
    Un H-scalaire, lié à une position spécifique, est la tortuosité moyenne estimée d'une paire de points aléatoires avec la distance donnée comme seule contrainte.

H-tortuosité-par-érosions-itératives :

Entrée :

    H-tortuosity-by-iterative-erosions
  • une image binaire 2D ou 3D, la partie blanche représente la microstructure à analyser, OU une image triphasique 2D ou 3D, avec des intensités spécifiques : 0 pour le vide autour, sans signification, 255 pour la phase solide, et le reste est considéré comme la phase poreuse.
                L'image triphasique peut être la sortie du module "Extraction of porosity". Cette option est originellement ajoutée pour considérer des images réelles acquises avec un matériel spécifique.

Entrée optionnelle :
  • le squelette homotopique de la microstructure (la microstructure est chargée en tant que fichier additionnel). 

Sorties : 

  • les valeurs de la H-tortuosité, les H-scalaires, en fonction du rayon et de l'échelle,
  • la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes.

Paramètres : 

  • le choix de la méthode d'échantillonnage (échantillonnage 1D ou échantillonnage stratifié),
  • la valeur de la distance maximale Dmax (variations de tortuosité estimées entre 1 et Dmax),
  • le nombre de points aléatoires (N),
  • un booléen pour l'utilisation du squelette ou non (si le squelette est choisi, il doit être chargé par le bouton "Ouvrir", et la microstructure doit être chargée en utilisant le bouton "Sélectionner un fichier supplémentaire" (' ... ')).

Article associé : Chaniot J., Moreaud M., Sorbier L., Jeulin D., Becker J.-M. and Fournel T. (2020). "Heterogeneity assessment based on average variations of morphological tortuosity for complex porous structures characterization", Image Analysis & Stereology 39(1):111-128

La H-tortuosité-par-érosions-itératives est le calcul de l'estimateur de la H-tortuosité de la microstructure, vue par une particule sphérique de taille donnée. En plus de conserver les propriétés de la H-tortuosité, ce descripteur est lié à la notion de constrictivité, caractérisant l'effet de goulot d'étranglement.
Les étapes précédentes, définissant la H-tortuosité, sont appliquées à la microstructure, qui est érodée étape par étape. Les érosions itératives, utilisant une sphère unitaire, permettent de considérer un grand intervalle de rayons, représentant la taille de la sphère de percolation hypothétique.

M-tortuosité déterministe :

Entrées :

    • une image binaire 2D ou 3D, la partie blanche représente la microstructure à analyser, OU une image triphasique 2D ou 3D, avec des intensités spécifiques : 0 pour le vide autour, sans signification, 255 pour la phase solide, et le reste est considéré comme la phase poreuse.

                    L'image triphasique peut être la sortie du module "Extraction of porosity". Cette option est originellement ajoutée pour considérer des images réelles acquises avec un matériel spécifique.

    • un fichier texte OU une image binaire 2D ou 3D, correspondant aux positions imposées, les points de départ donnés.

    Sorties :

    • la valeur de la M-tortuosité déterministe, le M-scalaire
    • l'ensemble des M-coefficients
    • la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes.

    Sorties optionnelles :

    • la paire "distance géodésique/tortuosité morphologique" pour chaque paire de points sources,
    • les cartes de tortuosités  morphologiques pour chaque point source,
    • les chemins géodésiques pour chaque paire de points (une carte par point source), combinés ou non à la carte de tortuosités morphologiques correspondante.

    Paramètres :

    • le bouton 'Sélectionner fichier additionnel' (' ... ') pour les points sources imposés, un fichier texte (*.txt) OU une image (*.tif ou *.fda)
    • un booléen 'Image' pour l'utilisation d'un fichier image pour la définition des points sources donnés (si une image est choisie, le booléen 'Image' doit être coché). Paramètres additionnels (si coché):
    1.     un booléen 'Center of Mass' (calcul si coché): dans le cas de particules réelles en tant que positions de départ, les particules (objets plus gros que 1 voxel) doivent être réduites à un unique voxel, leur centre de masse,
    2.    un booléen 'Orth. Projection' (calcul si coché): dû aux approximations, segmentation manuelle et/ou calcul du centre de masse, par exemple, certains points sources pourraient ne plus appartenir à la microstructure d'intérêt. La projection orthogonale sur la microstructure d'intérêt peut résoudre ce problème en sélectionnant le point caractéristique (point à l'intérieur de la microstructure) le plus proche de chaque point source.

                     'Center of Mass' et 'Orth. Projection' peuvent être utilisés combinés, premièrement le calcul du centre de masse puis de la projection orthogonale, ou séparément, centre de masse ou projection orthogonale.

    • un booléen 'Save Dist/Tor' correspondant à une sortie optionnelle; sauvegarder toutes les paires "distance géodésique/tortuosité morphologique" pour chaque paire de points sources,
    • un booléen 'Save Data' correspondant aux deux autres sorties optionnelles. Paramètres additionnels (si coché) :
    1.     un booléen 'Maps' (sauvegarde si coché): la carte de tortuosités morphologiques de chaque point source est sauvegardée en tant que fichier *.fda,
    2.     un booléen 'Paths' (sauvegarde si coché): les chemins géodésiques pour chaque point source sont sauvegardés en tant que fichier *.fda,
    3.     '...': sélection du répertoire de sauvegarde.

                    'Maps' et 'Paths' peuvent être utilisés combinés, si c'est le cas, les chemins géodésiques sont affichés sur les cartes de tortuosités morphologiques, ou séparément, les cartes de tortuosités morphologiques ou les chemins géodésiques.

    Article associé : Batista A.T.F., Baaziz W., Taleb A.-L., Chaniot J., Ersen O., Moreaud M., Legens C., Aguilar-Tapia A., Proux O., Hazemann J.-L., Diehl F., Chizallet C., Gay A.-S. and Raybaud P. (2020)."Atomic scale insight into the formation, size and location of platinum nanoparticles supported on γ-alumina", ACS Catalysis

    La M-tortuosité déterministe est le calcul de l'estimateur de la M-tortuosité de la microstructure, mais avec un ensemble de points sources donné. Les propriétés de la M-tortuosité sont considérées. De plus, des images réelles peuvent être désormais traitées. Pour être plus précis, des images acquises avec la tomographie électronique peuvent être considérées comme des images triphasiques : le volume poreux, la phase solide, et le vide autour. Cette dernière phase est sans signification.

    M-tortuosité :

    Entrée :

    • une image binaire en 2D ou 3D, la partie blanche représente la microstructure à analyser, OU une image triphasique 2D ou 3D, avec des intensités spécifiques : 0 pour le vide autour, sans signification, 255 pour la phase solide, et le reste est considéré comme la phase poreuse.

                    L'image triphasique peut être la sortie du module "Extraction of porosity". Cette option est originellement ajoutée pour considérer des images réelles acquises avec un matériel spécifique.

    Sorties : 

    • la valeur de la M-tortuosité, le M-scalaire
    • l'ensemble des M-coefficients
    • la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes.

    Sorties optionnelles :

    • la paire "distance géodésique/tortuosité morphologique" pour chaque paire de points sources,
    • les cartes de tortuosités  morphologiques pour chaque point source,
    • les chemins géodésiques pour chaque paire de points (une carte par point source), combinés ou non à la carte de tortuosités morphologiques correspondante.

    Paramètres :

    • le choix de la méthode d'échantillonnage (échantillonnage 1D ou échantillonnage stratifié), 
    • le nombre de points aléatoires (N),
    • un booléen 'Save Dist/Tor' correspondant à une sortie optionnelle; sauvegarder toutes les paires "distance géodésique/tortuosité morphologique" pour chaque paire de points sources,
    • un booléen 'Save Data' correspondant aux deux autres sorties optionnelles. Paramètres additionnels (si coché) :
    1.     un booléen 'Maps' (sauvegarde si coché): la carte de tortuosités morphologiques de chaque point source est sauvegardée en tant que fichier *.fda,
    2.     un booléen 'Paths' (sauvegarde si coché): les chemins géodésiques pour chaque point source sont sauvegardés en tant que fichier *.fda,
    3.     '...': sélection du répertoire de sauvegarde.

                    'Maps' et 'Paths' peuvent être utilisés combinés, si c'est le cas, les chemins géodésiques sont affichés sur les cartes de tortuosités morphologiques, ou séparément, les cartes de tortuosités morphologiques ou les chemins géodésiques.

    Article associé : Chaniot J., Moreaud M., Sorbier L., Fournel T. and Becker J.-M. (2019). "Tortuosimetric operator for complex porous media characterization", Image Analysis & Stereology 38(1) :25-41

    Calcul de l'estimateur de M-tortuosité : un descripteur topologique évolutif fournissant une carte 3D des tortuosités relatives moyennes, un ensemble de M-coefficients, dont l'histogramme est significatif, une valeur scalaire finale, la valeur de M-tortuosité, appelée M-scalaire, évaluant la tortuosité morphologique de l'ensemble de la microstructure.
    Le descripteur, basé sur un processus de Monte Carlo, gère les déconnexions et est applicable à des microstructures multi-échelles complexes, en particulier lorsque les entrées et les sorties sont délicates à imposer. Les différentes étapes et les paramètres associés sont exposés ci-dessous.

    1. Étape optionnelle : une étape optionnelle est la squelettisation. Nous recommandons le calcul d'un squelette homotopique de la microstructure interconnectée à analyser. Le squelette homotopique est théoriquement le plus petit sous-ensemble de la microstructure conservant le degré de connectivité. En d'autres termes, la topologie est inchangée. Un exemple est montré dans la figure de droite.
      Diverses méthodes de calcul sont proposées dans l'état de l'art. Des modules seront disponibles pour l'étape de squelettisation, différents algorithmes seront proposés selon l'application, c'est-à-dire la nature de l'image.

    2. Échantillonnage : La première étape est l'échantillonnage d'un nombre choisi de points N. Soit N est le nombre exact de points échantillonnés, si la méthode d'échantillonnage 1D (a) est choisie, soit N est une valeur approximative, si la méthode d'échantillonnage stratifié (b) est choisie. La figure suivante montre la différence entre les deux méthodes d'échantillonnage (a) et (b).

    3. Calcul des cartes de distances : La carte de distances et la carte de distances géodésiques sont calculées. À cette étape, la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes est évaluée.

    4. M-coefficients : Les M-coefficients peuvent être considérés comme un ensemble de tortuosités morphologiques, chacune selon un point aléatoire spécifique, en d'autres termes " un point de vue ", de la microstructure d'intérêt. Un M-coefficient, lié à une position spécifique, est la tortuosité estimée à ce point. Il peut être vu comme un point de vue de la microstructure depuis cette position ou comme l'accessibilité moyenne de ce point pour n'importe quel point aléatoire de la microstructure.

    5. M-scalaire : La valeur de la M-tortuosité, appelée M-scalaire, est " un point de vue global "Il regroupe les informations de chaque point de vue, les M-coefficients, en une valeur scalaire unique.

    M-tortuosité-par-érosions-itératives :

    Entrée :

    • une image binaire en 2D ou 3D, la partie blanche représente la microstructure à analyser, OU une image triphasique 2D ou 3D, avec des intensités spécifiques : 0 pour le vide autour, sans signification, 255 pour la phase solide, et le reste est considéré comme la phase poreuse.

                    L'image triphasique peut être la sortie du module "Porosity extraction". Cette option est originellement ajoutée pour considérer des images réelles acquises avec un matériel spécifique.

    Entrée optionnelle :
    • le squelette homotopique de la microstructure (la microstructure est chargée en tant que fichier additionnel). 
    Sorties :
    • les valeurs de M-tortuosité, les M-scalaires, en fonction du rayon,
    • l'ensemble des M-coefficients, en fonction du rayon,
    • la carte 2D ou 3D des tortuosités relatives moyennes.
    Paramètres :
    • le choix de la méthode d'échantillonnage (échantillonnage 1D ou échantillonnage stratifié), 
    • le nombre de points aléatoires (N),
    • un booléen pour l'utilisation du squelette ou non (si le squelette est choisi, il doit être chargé par le bouton "Ouvrir", et la microstructure doit être chargée en utilisant le bouton "Sélectionner un fichier supplémentaire" (' ... ').

    Article associé : Chaniot J., Moreaud M., Sorbier L., Fournel T. and Becker J.-M. (2019). "Tortuosimetric operator for complex porous media characterization", Image Analysis & Stereology 38(1) :25-41

    La M-tortuosité-par-érosions-itératives est le calcul de l'estimateur de la M-tortuosité de la microstructure, vue par une particule sphérique de taille donnée. En plus de conserver les propriétés de la M-tortuosité, ce descripteur est lié à la notion de constrictivité, caractérisant l'effet de goulot d'étranglement.
    Les étapes précédentes, définissant la M-tortuosité, sont appliquées sur la microstructure, qui est érodée étape par étape. Les érosions itératives, utilisant une sphère unitaire, permettent de considérer un grand intervalle de rayons, représentant la taille de la sphère de percolation hypothétique.

    Le squelette homotopique permet une réduction conséquente du temps de calcul. En effet, la plus grande partie du temps de calcul total est prise par le calcul des cartes de distances géodésiques. Pour une carte de distances géodésiques, et une complexité constante, plus il y a de points caractéristiques, plus le temps de calcul est long. 
    De plus, lorsque le squelette homotopique est sélectionné, le temps de calcul de l'érosion morphologique est également réduit. L'érosion morphologique est calculée efficacement à l'aide de la transformée de la distance. L'ensemble érodé d'un ensemble original est évalué en appliquant un seuil sur la carte de distances de l'ensemble original. Au lieu de calculer une carte de distances à chaque étape, nous conservons la carte de distances originale et augmentons le seuil, à chaque étape de l'algorithme. Le squelette est utilisé pour calculer le squelette évalué ; c'est-à-dire qu'à chaque emplacement d'un point du squelette, la valeur de la carte de distances est attribuée. Cela signifie moins de points à vérifier, moins de perte de temps.

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