Le système LiDAR mobile (SLM) est une technologie d'acquisition de données de pointe qui permet de cartographier les scènes du monde réel en nuages de points 3D. Les applications du SLM sont très vastes, de la foresterie à la modélisation 3D des villes, en passant par l'évaluation de l'inventaire routier et la cartographie des infrastructures portuaires. Le SLM peut également être monté sur diverses plateformes, telles que des plateformes aériennes, terrestres, marines, etc. Indépendamment de l'application et de la plateforme, pour s'assurer que le SLM atteigne sa performance optimale et sa meilleure précision, il est essentiel de traiter correctement les erreurs systématiques du système, spécialement l'erreur des angles de visée à laquelle on s'intéresse particulièrement dans cette thèse. L'erreur des angles de visée est définie comme le désalignement rotationnel des deux parties principales du SLM, le système de positionnement et d'orientation et le scanneur LiDAR, introduit par trois angles de visée. En fait, de petites variations angulaires dans ces paramètres peuvent causer des problèmes importants d'incertitude géométrique dans le nuage de points final et il est vital d'employer une méthode d'alignement pour faire face à la problématique de l'erreur des angles de visée de ces systèmes. La plupart des méthodes existantes d'alignement des angles de visée qui ont été principalement développées pour les SLM aériens et terrestres, tirent profit d'éléments in-situ spécifiques et présents sur les sites de levés et adéquats pour ces méthodes. Par exemple, les éléments linéaires et planaires extraits des toits et des façades des maisons. Cependant, dans les environnements sans présence de ces éléments saillants comme la forêt, les zones rurales, les ports, où l'accès aux éléments appropriées pour l'alignement des angles de visée est presque impossible, les méthodes existantes fonctionnent mal, voire même pas du tout. Par conséquent, cette recherche porte sur l'alignement des angles de visée d'un SLM dans un environnement complexe. Nous souhaitons donc introduire une procédure d'acquisition et traitement pour une préparation adéquate des données, qui servira à la méthode d'alignement des angles de visée du SLM. Tout d'abord, nous explorons les différentes possibilités des éléments utilisés dans les méthodes existantes qui peuvent aider à l'identification de l'élément offrant le meilleur potentiel pour l'estimation des angles de visée d'un SLM. Ensuite, nous analysons, parmi un grand nombre de possibles configurations d'éléments (cibles) et patrons de lignes de balayage, celle qui nous apparaît la meilleure. Cette analyse est réalisée dans un environnement de simulation dans le but de générer différentes configurations de cibles et de lignes de balayage pour l'estimation des erreurs des angles de visée afin d'isoler la meilleure configuration possible. Enfin, nous validons la configuration proposée dans un scénario réel, soit l'étude de cas du port de Montréal. Le résultat de la validation révèle que la configuration proposée pour l'acquisition et le traitement des données mène à une méthode rigoureuse d'alignement des angles de visée qui est en même temps précise, robuste et répétable. Pour évaluer les résultats obtenus, nous avons également mis en œuvre une méthode d'évaluation de la précision relative, qui démontre l'amélioration de la précision du nuage de points après l'application de la procédure d'alignement des angles de visée. / A Mobile LiDAR system (MLS) is a state-of-the-art data acquisition technology that maps real-world scenes in the form of 3D point clouds. The MLS's list of applications is vast, from forestry to 3D city modeling and road inventory assessment to port infrastructure mapping. The MLS can also be mounted on various platforms, such as aerial, terrestrial, marine, and so on. Regardless of the application and the platform, to ensure that the MLS achieves its optimal performance and best accuracy, it is essential to adequately address the systematic errors of the system, especially the boresight error. The boresight error is the rotational misalignment offset of the two main parts of the MLS, the positioning and orientation system (POS) and the LiDAR scanner. Minor angular parameter variations can cause important geometric accuracy issues in the final point cloud. Therefore, it is vital to employ an alignment method to cope with the boresight error problem of such systems. Most of the existing boresight alignment methods, which have been mainly developed for aerial and terrestrial MLS, take advantage of the in-situ tie-features in the environment that are adequate for these methods. For example, tie-line and tie-plane are extracted from building roofs and facades. However, in low-feature environments like forests, rural areas, ports, and harbors, where access to suitable tie-features for boresight alignment is nearly impossible, the existing methods malfunction or do not function. Therefore, this research addresses the boresight alignment of a marine MLS in a low-feature maritime environment. Thus, we aim to introduce an acquisition procedure for suitable data preparation, which will serve as input for the boresight alignment method of a marine MLS. First, we explore various tie-features introduced in the existing ways that eventually assist in the identification of the suitable tie-feature for the boresight alignment of a marine MLS. Second, we study the best configuration for the data acquisition procedure, i.e., tie-feature(s) characteristics and the necessary scanning line pattern. This study is done in a simulation environment to achieve the best visibility of the boresight errors on the selected suitable tie-feature. Finally, we validate the proposed configuration in a real-world scenario, which is the port of Montreal case study. The validation result reveals that the proposed data acquisition and processing configuration results in an accurate, robust, and repeatable rigorous boresight alignment method. We have also implemented a relative accuracy assessment to evaluate the obtained results, demonstrating an accuracy improvement of the point cloud after the boresight alignment procedure.

Ce projet se déroule dans le cadre du projet ICIS-DP (3d Intelligent and Configurable Inspection System for Deformable Parts) et il s'agit d'une collaboration entre Creaform inc., l'Université de l'Alberta et l'Université Laval. Le sous-objectif discuté dans ce mémoire est le système de positionnement. Le système retenu est le HiBall de la compagnie 3rdTech. Ce système fonctionne avec une caméra multivue et un ensemble de DEL disposées au plafond. Suite à une étude réalisée par Y. Martin [14] ce système ne satisfait pas les caractéristiques voulues avec une erreur maximale en position de 7 mm. Le système doit avoir une erreur maximale en position inférieure à 500 fim et à 0,1 "en orientation. Une nouvelle procédure pour l'étalonnage des positions des DEL a donc été développée. Cette nouvelle méthode est basée sur le "bundle adjustment" ce qui permet d'étalonner les DEL même si les poses du HiBall ne sont pas parfaitement connues. Une barre, appelée barre de calibrage, est utilisée afin d'ajouter davantage de contraintes au système et afin de valider l'étalonnage. Cette barre permet de déplacer le HiBall selon une translation pure de norme connue. Dans le but de mieux analyser les résultats, un simulateur a été créé. La méthode initiale a été révisée afin de diminuer davantage l'erreur maximale en position pour atteindre 1,2 mm. Il resterait une étape supplémentaire pour atteindre l'objectif.

Suite au développement récent des méthodes de production, les lentilles à forme libre sont de plus en plus utilisées dans les designs optiques. Néanmoins, leurs définitions mathématiques et leurs formes particulières rendent leur tolérancement et leurs réactions aux perturbations d’alignement difficilement prévisibles. Par conséquent, les outils à la portée des concepteurs optiques, tels que les logiciels de conception optique, ne sont pas toujours en mesure de fournir l’aide nécessaire. Dans ce mémoire, nous présentons d’abord les concepts théoriques et les récents développements relatifs à ces notions. Par la suite, l’analyse d’une lentille panomorphe dont la première surface est une lentille à forme libre nous révèle nombres de comportements particuliers mettant en évidence des relations entre l’empreinte du faisceau et la courbure de champ. Finalement, une nouvelle technique de tolérancement est présentée. Via une analyse en perturbative nécessitant peu de temps de calcul, il est possible de réduire les marges d’erreur allouées sur certaines variables, tout en maximisant l’effet sur la qualité d’image. Cette technique s’est avérée particulièrement efficace dans le cas où l’ajustement de la mise au point (mise au foyer) est limité spatialement. / In light of the new development of the production methods, free-form lens are used more frequently in optical design. However, their mathematical definitions as well as their specific shapes tend to make their tolerancing and reactions to perturbations hardly predictable. In consequence, the tools used by optical designers, like optical design programs, are not always able to help as they should. First, this document presents the recent developments and the theoretical concepts concerning these subjects. Thereafter, the analysis of a panomorph lens which has a free-form lens as a first surface reveals numbers of particular behavior showing relations between the field curvature and the footprint. Finally, a new tolerancing technique is presented. Using a perturbative analysis requiring a minimum of computing power, it is possible to reduce the allowed margins of error of certain variables while maximising the gain in image quality. This technique was particularly efficient in cases where the adjustment of the focus was spatially limited.

L'un des plus grands défis de la réalité augmentée consiste à aligner parfaitement les informations réelles et virtuelles pour donner l'illusion que ces informations virtuelles font partie intégrante du monde réel. Pour ce faire, il faut estimer avec précision la position et l'orientation de l'utilisateur, et ce, en temps réel. L'augmentation de scènes extérieures est particulièrement problématique, car il n'existe pas de technologie suffisamment précise pour permettre d'assurer un suivi de la position de l'utilisateur au niveau de qualité requis pour des applications en ingénierie. Pour éviter ce problème, nous nous sommes attardés à l'augmentation de panoramas omnidirectionnels pris à une position fixe. L'objectif de ce projet est de proposer une méthode robuste et automatique d'initialisation permettant de calculer la pose de panoramas omnidirectionnels urbains pour ainsi obtenir un alignement parfait des panoramas et des informations virtuelles. / One of the greatest challenges of augmented reality is to perfectly synchronize real and virtual information to give the illusion that virtual information are an integral part of real world. To do so, we have to precisely estimate the user position and orientation and, even more dificult, it has to be done in real time. Augmentation of outdoor scenes is particularly problematic because there are no technologies accurate enough to get user position with the level of accuracy required for application in engineering. To avoid this problem, we focused on augmenting panoramic images taken at a fixed position. The goal of this project is to propose a robust and automatic initialization method to calculate the pose of urban omnidirectional panoramas to get a perfect alignment between panoramas and virtual information.

Le contrôle de l'alignement des molécules de cristal liquide a une grande importance technique dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides. Ce contrôle passe par une programmation des interactions de surface entre les cristaux liquides et le substrat. Nous proposons une étude du contrôle optique de l'alignement des cristaux liquides grâce à un substrat de mésogène réactif dopé par un colorant azobenzène et traité par un laser argon de polarisation circulaire. Nous nous intéressons également au cours de cette étude à la mouillabilité des cristaux liquides sur le substrat ayant subi le traitement optique. Nous montrons que ce mouillage peut être contrôlé par une exposition laser adéquate. Notre étude met en lumière les interactions à une interface liquide anisotrope-solide anisotrope qui sont d'un grand intérêt aussi bien théorique que pratique.