This thesis describes the development of methods for automatically obtaining coarse gaze direction estimates for pedestrians in surveillance video. Gaze direction estimates are beneficial in the context of surveillance as an indicator of an individual's intentions and their interest in their surroundings and other people. The overall task is broken down into two problems. The first is that of tracking large numbers of pedestrians in low resolution video, which is required to identify the head regions within video frames. The second problem is to process the extracted head regions and estimate the direction in which the person is facing as a coarse estimate of their gaze direction. The first approach for head tracking combines image measurements from HOG head detections and KLT corner tracking using a Kalman filter, and can track the heads of many pedestrians simultaneously to output head regions with pixel-level accuracy. The second approach uses Markov-Chain Monte-Carlo Data Association (MCMCDA) within a temporal sliding window to provide similarly accurate head regions, but with improved speed and robustness. The improved system accurately tracks the heads of twenty pedestrians in 1920x1080 video in real-time and can track through total occlusions for short time periods. The approaches for gaze direction estimation all make use of randomised decision tree classifiers. The first develops classifiers for low resolution head images that are invariant to hair and skin colours using branch decisions based on abstract labels rather than direct image measurements. The second approach addresses higher resolution images using HOG descriptors and novel Colour Triplet Comparison (CTC) based branches. The final approach infers custom appearance models for individual scenes using weakly supervised learning over large datasets of approximately 500,000 images. A Conditional Random Field (CRF) models interactions between appearance information and walking directions to estimate gaze directions for head image sequences.

Le présent travail porte sur la localisation incrémentale et absolue d'un robot mobile dans un environnement d'intérieur partiellement modélisé en utilisant la vision monoculaire. L'environnement de navigation du robot est à base de primitives géométriques (segments). Il intègre la notion d'occultation grâce à un découpage de l'espace 2-D navigable en Régions d'Invariance Visuelle. Le modèle de caméra à perspective pleine est obtenu grâce au calibrage par la méthode de Zhang. L'approche adoptée est composée de quatre étapes : acquisition d'une image à partir de la position courante du robot, extraction des primitives observées, mise en correspondance des primitives de l'image avec celles du modèle et calcul de la position et de l'orientation de la caméra. Deux méthodes numériques de calcul de la position et de l'orientation de la caméra grâce à des correspondances de droites sont présentées est adaptées au cas spécifique de la robotique mobile. Enfin, un algorithme de mise en correspondance des segments de l'image avec ceux du modèle est défini. Il est basé sur la recherche dans un arbre d'interprétation. Les Régions d'Invariance Visuelle et la configuration du système sont utilisées pour réduire l'espace des correspondances. Des contraintes géométriques d'ordre un et deux sont définies pour assurer l'élagage rapide de l'arbre. Une nouvelle fonction de vérification de la cohérence globale permet de sélectionner l'hypothèse de correspondance la plus cohérente.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un algorithme générique permettant de résoudre le problème de calcul de pose et le problème de reconstruction avec un modèle perspectif de caméra. Étant donnés une image et un modèle 3D de la scène (ou objet) visible dans l'image, le calcul de pose consiste à calculer la position et l'orientation de la caméra par rapport à la scène. Nous étudions successivement le cas de correspondances 2D 3D de points, et le cas des droites. La méthode proposée améliore de manière itérative la pose calculée avec un modèle affine de caméra (orthographique à l'échelle ou paraperspectif) pour converger, à la limite, vers une estimation de la pose calculée avec un modèle perspectif de caméra. Nous étudions les relations mathématiques et géométriques existant entre les modèles orthographique à l'échelle, paraperspectif et perspectif de caméra. Nous introduisons une façon simple de prendre en compte la contrainte d'orthogonalité associée à une matrice de rotation. Nous analysons la sensibilité de la méthode par rapport aux erreurs d'étalonnage de la caméra et nous définissons les conditions expérimentales optimales par rapport à un étalonnage imprécis. Nous étudions la convergence de la méthode sur la base de considérations numériques et expérimentales et nous testons son efficacité avec des données synthétiques et réelles. Dans un second temps, nous étendons les algorithmes de calcul de pose précédents au problème de la reconstruction euclidienne avec un modèle perspectif de caméra, à partir d'une séquence d'images. La méthode proposée converge en quelques itérations, est efficace du point de vue calculatoire, et ne souffre pas de la nature non linéaire du problème traité. Comparativement à des méthodes telles que la factorisation ou les invariants affines, notre méthode résout le problème de l'ambiguïté de signe d'une façon très simple et fournit des résultats bien plus précis. Nous décrivons la nouvelle méthode en détail, et comparons la complexité de la méthode proposée avec une méthode de minimisation non linéaire. Nous présentons ensuite une seconde approche du problème de reconstruction euclidienne en considérant un modèle affine de caméra non étalonnée montée sur le bras d'un robot. Nous montrons comment utiliser l'information euclidienne fournie par le déplacement du robot afin d'obtenir une reconstruction euclidienne, et expliquons comment obtenir l'étalonnage du modèle affine de caméra ainsi que l'étalonnage caméra-pince. Afin de pouvoir utiliser en pratique ces algorithmes de reconstruction, nous présentons une méthode de poursuite de points caractéristiques sur une séquence monoculaire d'images, puis sur une séquence stéréoscopique. Nous proposons également une méthode pour obtenir une précision sous-pixellique des positions des points dans les images pour un faible coût calculatoire.

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Incremental Dynamic Analysis (IDA) procedures are advanced and then applied to a quantitative risk assessment for bridge structures. This is achieved by combining IDA with site-dependent hazard-recurrence relations and damage outcomes. The IDA procedure is also developed as a way to select a critical earthquake motion record for a one-off destructive experiment. Three prototype bridge substructures are designed according to the loading and detailing requirements of New Zealand, Japan and Caltrans codes. From these designs 30 percent reduced scale specimens are constructed as part of an experimental investigation. The Pseudodynamic test is then to control on three specimens using the identified critical earthquake records. The results are presented in a probabilistic riskbased format. The differences in the seismic performance of the three different countries' design codes are examined. Each of these current seismic design codes strive for ductile behaviour of bridge substructures. Seismic response is expected to be resulting damage on structures, which may threaten post-earthquake serviceability. To overcome this major performance shortcoming, the seismic behaviour under bi-directional lateral loading is investigated for a bridge pier designed and constructed in accordance with Damage Avoidance principles. Due to the presence of steel armoured rocking interface at the base, it is demonstrated that damage can be avoided, but due to the lack of hysteresis it is necessary to add some supplemental damping. Experimental results of the armoured rocking pier under bi-directional loading are compared with a companion ductile design specimen.

Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à l'analyse visuelle du comportement humain à partir de l'information du regard. A l'inverse des caméras statiques et externes, nous adoptons un point de vue subjectif, ce qui permet de placer le contexte d'étude au centre de l'être humain et de ses interactions avec l'environnement. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé un eye-tracker porté, ainsi que des outils d'analyse associés, en particulier la reconnaissance d'attention dans le cadre d'interactions sociales et la reconnaissance d'activités subjectives. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons un eye-tracker binoculaire tête porté à partir duquel nous estimons le regard du sujet. Contrairement à la plupart des systèmes basés sur l'éclairage infrarouge, notre approche fonctionne en éclairage visible. Pour cela, nous nous inspirons des méthodes basées apparence qui, au lieu, d'extraire des caractéristiques géométriques (par exemple, la pupille), exploitent l'image de l'oeil dans sa globalité et elles permettent donc de prendre en compte toutes les caractéristiques de l'oeil. Pour apprendre la relation entre les caractéristiques d'apparence et les coordonnées du point de regard dans l'image de la caméra scène, deux modèles de régression sont comparés : le Support Vector Regression et le Relevance Vector Regression. Nous proposons, ensuite, une nouvelle méthode de reconnaissance d'attention en vue subjective. Le regard subjectif est obtenu à l'aide de notre eye-tracker, tandis que le regard d'autrui est construit à partir de l'estimation de l'orientation de la tête par régression à noyaux multiples localisés. En combinant ces deux types de regard, nous calculons alors des scores d'attention qui permettent d'identifier des motifs attentionnels dyadiques tels que le regard mutuel, mais aussi des motifs d'ordre supérieur émanant de la nature triadique de notre expérience. Notre outil final d'analyse concerne la reconnaissance d'activités basée sur le regard et l'égo-mouvement. Ces mouvements sont quantifiés en fonction de leur direction et de leur amplitude et encodés sous forme de symboles. Des caractéristiques statistiques sont alors extraites via un codage multi-échelle et un partitionnement temporel. Pour la classification et la segmentation d'activités, nous décrivons une approche par apprentissage contextuel en intégrant des scores de prédiction d'un voisinage à longue portée. Une étude détaillée permet également de comprendre quelles caractéristiques jouent un rôle prédominant dans la représentation d'une activité.

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The market for unmanned aerial vehicles (UAVs) is growing rapidly. In order to meet the demand for marine applications CybAero AB has recently started a project named Mobile Automatic Launch and Landing Station (MALLS). MALLS enables the uav to land on moving targets such as ships. This thesis studies a system that estimates the pose of a helicopter in order to land on a moving target. The main focus has been on developing a pose estimation system using computer vision. Two different methods for estimating the pose have been studied, one using homography and one using an Extended Kalman Filter (ekf). Both methods have been tested on real flight data from a camera mounted on a RC-helicopter. The accuracy of the pose estimation system has been verified with data from a test with the camera mounted on an industrial robot. The test results show that the ekf-based system is less sensitive to noise than the homography-based system. The ekf-based system however requires initial values which the homography-based system does not. The accuracy of both systems is found to be good enough for the purpose. A novel control system with control rules for performing an autonomous landing on a moving target has been developed. The control system has not been tested during flight. / Marknaden for obemannade autonoma luftburna farkoster (UAV:er) växer snabbt. För att möta behovet av marina tillämpningar har CybAero AB nyligen startat ett projekt som kallas Mobil Automatisk Start- och Landningsstation (MALLS). Syftet med malls är att möjliggöra autonom start och landning på objekt i rörelse, som till exempel ett fartyg. I det här examensarbetet studeras ett system för att bestämma position och attityd för en helikopter relativt en helikopterplatta, för att möjliggöra landning på ett ojekt i rörelse. Fokus har främst legat på att utveckla ett positionerings- och attitydbestämningssystem. Ett datorseende positionerings- och attitydbestämningssystem har utvecklats. Två olika metoder har undersökts, ett system som bygger på homografi och ett annat som bygger på Extended Kalman Filter (EKF). Båda metoderna har testats med verklig data från en kamera monterad på en RC helikopter. Noggrannheten i positionsbestämmelsen har undersökts med hjälp av data från en industrirobot. Testresultaten visar att det EKF-baserade systemet är mindre bruskänsligt än det homografibaserade systemet. En nackdel med det ekf-baserade systemet är däremot att det kräver initialvillkor vilket det homografibaserade systemet inte gör. Noggrannheten på båda systemen finner vi tillfredsställande för syftet. Ett enkelt styrsystem med styrlagar för att genomföra landningar på ett rörligtobjekt har utvecklats. Styrsystemet har dock inte testats under verklig flygning.

Bien que constitué anatomiquement et physiologiquement pour la course d’endurance, l’Homme est considérablement exposés à diverses blessures musculo-squelettiques liées à la répétition de contraintes mécaniques. Le coureur de trail running par exemple est soumis à de nombreux impacts ainsi qu’à une fatigue et des dommages musculaires sévères. Ces chocs répétitifs et dommages musculaires réduiraient la tolérance du coureur face aux contraintes mécaniques le poussant ainsi à altérer sa cinématique de course. Par conséquent, minimiser les dommages musculo-squelettiques serait déterminant pour la performance en trail running. Des évidences montrent que la pose de pied altère la localisation et l’intensité des contraintes appliquées au système musculo-squelettique. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’influence du pattern de pose de pied sur l’impact et la fatigue neuromusculaire en trail running. Les phases de descente ont été tout particulièrement étudiées du fait qu’elles sont les plus traumatisantes. En effet, ce travail de thèse a mis en évidence qu’en situation de trail running, l’intensité de l’impact augmente lorsque la pente diminue, et que la fatigue neuromusculaire périphérique est aussi sévère à la suite d’une descente isolée qu’après un ultra-trail de plusieurs heures. En étudiant l’influence de la pose de pied adoptée au cours d’une descente en situation de trail running, il a été observé qu’attaquer le sol par l’avant du pied augmentait la fatigue neuromusculaire aux extenseurs du genou. Cependant, une importante variabilité dans les patterns de pose de pied adoptés au cours de la descente a été associée à une baisse de la fatigue neuromusculaire aux extenseurs du genou et fléchisseurs plantaires. L’influence de la pose de pied sur l’intensité du choc et le contenu vibratoire le long des axes axial et transversal a également été démontrée : adopter une attaque talon diminue la sévérité du choc axial mais réduit l’intensité du choc transversal. La principale conclusion est qu’aucun pattern de course ne saurait être universellement recommandé du fait que « changer de pose de pied » est synonyme de « changer la localisation et la magnitude des contraintes appliquées au système musculo-squelettique ». En ce sens, alterner entre différents patterns de course serait une stratégie efficiente en trail running / Although Humans are “born” anatomically and physiologically adapted to long distances run, they are substantially exposed to various musculoskeletal overuse injuries. Trail runners sustain a high number of foot-to-ground contacts and develop severe muscle fatigue and damages. Repetitive shocks and muscle damages would reduce the runners’ tolerance to mechanical strains leading to changes in running kinematics. Minimizing musculoskeletal damages is therefore considered paramount for performance in trail running. Numerous studies highlighted that the foot strike pattern alters the localization and magnitude of the mechanical strains applied on the musculoskeletal system. The main purpose of this thesis was to study the influence of the foot strike pattern on impact and neuromuscular fatigue in trail running. Downhill sections were mainly investigated since they are the most mechanically stressful. Indeed, it was observed from this thesis’ work that, in real trail running practice, the impact intensity increases as the slope decreases, and that the neuromuscular fatigue induced by a single downhill run is as severe as the one induced by an ultratrail race that lasts several hours. Investigating the effect of the foot strike pattern adopted during a downhill trail run on fatigue, it was observed that forefoot striking increases the neuromuscular fatigue at knee extensors. However, a high variability in foot strike patterns adopted was associated to a lower neuromuscular fatigue at both knee extensors and plantar flexors. The effect of the foot strike pattern on axial and transversal shock and vibration content was also demonstrated: heel striking was correlated to a lower impact severity along the axial axis of the skeleton but a greater one along its transversal axis. The main conclusion of this thesis is that no single foot strike pattern should be universally advised due to “changing of foot strike” means “changing the localization and magnitude of the mechanical stress applied on the musculoskeletal system”. Switching between different running patterns might be an efficient strategy in trail running

La thèse porte sur la sélection de poses optimales pour la calibration géométrique et élasto-statique de robots industriels utilisés pour l'usinage de pièces des grandes dimensions. Une attention particulière est accordée à l'amélioration de la précision de positionnement du robot après compensation des erreurs géométriques et élasto-statiques. Pour répondre aux exigences industrielles des opérations d’usinage, une nouvelle approche pour la définition d'essais pour la calibration de robots sériels et quasi-sériels est proposée. Cette approche est basée sur un nouveau critère de performance, orienté applications industrielles, qui évalue la qualité du plan d'essais pour la calibration via la précision de positionnement du manipulateur après compensation d'erreurs, et tient compte des spécificités de la tâche manufacturière à réaliser au moyen de configurations tests. Contrairement aux travaux précédents, l'approche développée requiert seulement une mesure des positions de points et non d’orientation de corps rigides à l’aide d’un système de mesure externe tel qu’un laser tracker. Cette méthode permet ainsi d'éviter les problèmes de non-homogénéité dans les équations d'identification. Par ailleurs, afin de prendre en compte l'impact du compensateur de gravité,qui induit une chaîne cinématique fermée, le modèle de raideur est étendu en y incluant certains paramètres élasto-statiques dont les valeurs dépendent de la configuration du robot. Une méthodologie pour la calibration des modèles de compensateurs de gravité est ainsi proposée. Les avantages des techniques développées pour la calibration de robots industriels dédiés à des opérations d’usinage sont validés et mis en évidence expérimentalement, à travers la calibration géométrique et élasto-statique du robot industriel KUKAKR-270. / The thesis deals with the optimal pose selection for geometric and elastostatic calibration for industrial robots employed in machining of large parts. Particular attention is paid to the improvement of robot positioning accuracy after compensation of the geometric and elastostatic errors. To meet the industrial requirements of machining operations, a new approach for calibration experiments design for serial and quasi-serial industrial robots is proposed. This approach is based on a new industry-oriented performance measure that evaluates the quality of calibration experiment plan via the manipulator positioning accuracy after error compensation, and takes into account the particularities of prescribed manufacturing task by introducing manipulator test-poses. Contrary to previous works, the developed approach employs an enhanced partial pose measurement method, which uses only direct position measurements from an external device and allows us to avoid the non-homogeneity of relevant identification equations. In order to consider the impact of gravity compensator that creates closed-loop chains, the conventional stiffness model is extended by including in it some configuration dependent elastostatic parameters, which are assumed to be constant for strictly serial robots. Corresponding methodology for calibration of the gravity compensator models is also proposed. The advantages of the developed calibration techniques are validated via experimental study, which deals with geometric and elastostatic calibration of a KUKA KR-270 industrial robot.