Les travaux proposés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre des projets ANR-Cam-Relief et du CPER-CREATIS soutenus par l’Agence Nationale de la Recherche, la région Champagne-Ardenne et le FEDER. Ces études s'inscrivent également dans le cadre d’une collaboration avec la société 3DTV-Solutions et deux groupes du CReSTIC (AUTO et SIC). L’objectif de ce projet est ,entre autre, de concevoir par analogie aux systèmes 2D grands publics actuels, des systèmes de prise de vue 3D permettant de restituer sur écrans reliefs (auto-stéréoscopiques) visibles sans lunettes, des images 3D de qualité. Notre intérêt s’est porté particulièrement sur les systèmes de prise de vue à configuration parallèle et décentrée. Les travaux de recherche menés dans cette thèse sont motivés par l’incapacité des configurations statiques de ces systèmes de prise de vue de capturer correctement des scènes dynamiques réelles pour une restitution autostéréoscopique correcte. Pour surmonter cet obstacle, un schéma d’adaptation de laconfiguration géométrique du système de prise de vue est proposé. Afin de déterminer les paramètres devant être concernés par cette adaptation, une étude de l’effet de la constance de chaque paramètre sur la qualité du rendu relief est menée. Les répercussions des contraintes dynamiques et mécaniques sur le relief restitué sont ensuite examinées. La précision de positionnement des paramètres structurels est abordée à travers la proposition de deux méthodes d’évaluation de la qualité du rendu relief, pour déterminer les seuils d’erreur de positionnement des paramètres structurels du système de prise de vue. Enfin, le problème de la calibration est abordée, où l’on propose une méthode basée sur la méthode de transformation linéaire directe DLT, et des perspectives sont envisagées pour l’asservissement de ces systèmes de prise de vue par asservissement classique ou par asservissement visuel. / The works proposed in this thesis are part of the projects ANR-Cam-Relief and CPER-CREATIS supported by the National Agency of Research, the Champagne-Ardenne region and the FEDER.These studies also join within the framework of a collaboration with the 3DTV-Solutions society and two groups of the CReSTIC (AUTO and SIC).The objective of this project is, among others, to design by analogy to the current 2D popularized systems, 3D shooting systems allowing to display on 3D screens (auto-stereoscopic) visible without glasses, 3D quality images. Our interest has focused particularly on shooting systems with parallel and decentred configuration. There search works led in this thesis are motivated by the inability of the static configurations of these shooting systems to capture correctly real dynamic scenes for a correct auto-stereoscopic endering. To overcome this drawback, an adaptation scheme of the geometrical configuration of the shooting system is proposed. To determine the parameters to be affected by this adaptation,the effect of the constancy of each parameter on the rendering quality is studied. The repercussions of the dynamic and mechanical constraints on the 3D rendering are then examined. Positioning accuracy of the structural parameters is approached through two methods proposed for the rendering quality assessment, to determine the thresholds of positioning error of the structural parameters of the shooting system. Finally, the problem of calibration is discussed where we propose an approach based on the DLT method, and perspectives are envisaged to automatic control of these shooting systems by classical approaches or by visual servoing.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le domaine de l'automobile, Peugeot-Citroën, Renault et Daimler-Benz ainsi que de nombreux laboratoires ont fortement contribué à l'étude et à la recherche de systèmes de sécurité active. Ainsi, grâce au programme EUREKA Prometheus, ils ont pu présenter des prototypes capables de reconnaître les différentes composantes d'un environnement routier (obstacles, véhicules, piétons, panneaux routiers).<br /><br />Mon souhait est de développer un système d'assistance à la conduite permettant de détecter, de reconnaître et de localiser des panneaux routiers par vision monoculaire en étant capable de répondre aux contraintes temps réel de l'environnement dynamique. Cette thèse propose quelques contributions notamment une méthode de calibration de caméra complémentaire aux méthodes classiques permettant d'estimer les paramètres intrinsèques de la caméra.<br /><br />La localisation tridimensionnelle des formes polyédriques à partir de leurs projections sur un plan image est présentée au travers de deux contributions, l'une basée sur la résolution d'un système non linéaire par des techniques d'optimisation, l'autre basée sur la rétroprojection par géométrie projective inverse.<br /><br />Nous aborderons ensuite les traitements d'images utilisés afin d'extraire de l'image brute des informations qualitatives et quantitatives avec une contribution sur la segmentation des images<br />couleurs en temps réel.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire s'intéresse à la vision par ordinateur appliquée à des projets d'art technologique. Le sujet traité est la calibration de systèmes de caméras et de projecteurs dans des applications de suivi et de reconstruction 3D en arts visuels et en art performatif. Le mémoire s'articule autour de deux collaborations avec les artistes québécois Daniel Danis et Nicolas Reeves. La géométrie projective et les méthodes de calibration classiques telles que la calibration planaire et la calibration par géométrie épipolaire sont présentées pour introduire les techniques utilisées dans ces deux projets. La collaboration avec Nicolas Reeves consiste à calibrer un système caméra-projecteur sur tête robotisée pour projeter des vidéos en temps réel sur des écrans cubiques mobiles. En plus d'appliquer des méthodes de calibration classiques, nous proposons une nouvelle technique de calibration de la pose d'une caméra sur tête robotisée. Cette technique utilise des plans elliptiques générés par l'observation d'un seul point dans le monde pour déterminer la pose de la caméra par rapport au centre de rotation de la tête robotisée. Le projet avec le metteur en scène Daniel Danis aborde les techniques de calibration de systèmes multi-caméras. Pour son projet de théâtre, nous avons développé un algorithme de calibration d'un réseau de caméras wiimotes. Cette technique basée sur la géométrie épipolaire permet de faire de la reconstruction 3D d'une trajectoire dans un grand volume à un coût minime. Les résultats des techniques de calibration développées sont présentés, de même que leur utilisation dans des contextes réels de performance devant public. / This thesis focuses on computer vision applications for technological art projects. Camera and projector calibration is discussed in the context of tracking applications and 3D reconstruction in visual arts and performance art. The thesis is based on two collaborations with québécois artists Daniel Danis and Nicolas Reeves. Projective geometry and classical camera calibration techniques, such as planar calibration and calibration from epipolar geometry, are detailed to introduce the techniques implemented in both artistic projects. The project realized in collaboration with Nicolas Reeves consists of calibrating a pan-tilt camera-projector system in order to adapt videos to be projected in real time on mobile cubic screens. To fulfil the project, we used classical camera calibration techniques combined with our proposed camera pose calibration technique for pan-tilt systems. This technique uses elliptic planes, generated by the observation of a point in the scene while the camera is panning, to compute the camera pose in relation to the rotation centre of the pan-tilt system. The project developed in collaboration with Daniel Danis is based on multi-camera calibration. For this studio theatre project, we developed a multi-camera calibration algorithm to be used with a wiimote network. The technique based on epipolar geometry allows 3D reconstruction of a trajectory in a large environment at a low cost. The results obtained from the camera calibration techniques implemented are presented alongside their application in real public performance contexts.

Cette thèse aborde le problème de la calibration d’un ensemble de capteurscomposé d’une centrale inertielle, d’un magnétomètre et d’une caméra, avecpour objectif leur intégration sur un système très compact : un mini-drone.Cette étude expose tout d’abord les contraintes imposées par l’application surle choix des capteurs et les solutions envisagées notamment pour résoudre leproblème de la synchronisation des mesures. Après avoir étudié les techniquesde calibration existantes, une méthode permettant la calibration de l’ensembledes capteurs (accéléromètre, gyromètre, magnétomètre et caméra) est présentée.La solution proposée permet également d’estimer les changements de repèresentre les différents capteurs. Elle a la particularité de ne nécessiter l’emploid’aucun matériel particulier. D’autre part, l’intégration de ces capteurs dans unsystème aussi compact soulève de nouvelles difficultés. Dans ces conditions, leschamps magnétiques créés par les actionneurs du drone perturbent les mesuresdu magnétomètre se trouvant à proximité. Une nouvelle méthode est proposéeafin d’estimer et de compenser dynamiquement ces perturbations magnétiquesen fonction de l’état des actionneurs du drone. Enfin, deux applications dusystème comprenant une centrale inertielle et une caméra sont présentées :la construction de mosaïques d’images géo-référencées et la stabilisation devidéos. Ces deux applications exploitent les mesures des capteurs inertiels afind’effectuer un traitement en temps réel pour un coût calculatoire très faible. / This thesis deal with the issue of the calibration of a group of sensor composedof an inertial unit, a magnetometer and a camera. It aims at integratingthem into a very compact system : a mini-drone. First of all, this study outlinesthe constraints imposed by the application on the choice of the sensors andthe solutions considered to solve the measures synchronization issue. Afterstudying existing calibration techniques, a method for the calibration of allthe sensors (accelerometer, gyroscope, magnetometer and camera) is presented.The proposed solution allows to estimate the frame transformation between thedifferent sensors. It has the advantage of not requiring the use of any specialequipment. Furthermore, the integration of these sensors into a compact systemraises new difficulties. Under these conditions, the magnetic fields created bythe drone actuators disrupt magnetometer measurements. A new method isproposed to estimate and compensate for these magnetic disturbances. Thecompensation is dynamically adapted based on the state of the drone actuators.Finally, two applications of the system including an inertial unit and a cameraare presented : the construction of geo-referenced images mosaic and videostabilization. Both applications use measurements of inertial sensors and precisecalibration to perform a real-time processing for a very low computational cost.

Ce mémoire s'intéresse à la vision par ordinateur appliquée à des projets d'art technologique. Le sujet traité est la calibration de systèmes de caméras et de projecteurs dans des applications de suivi et de reconstruction 3D en arts visuels et en art performatif. Le mémoire s'articule autour de deux collaborations avec les artistes québécois Daniel Danis et Nicolas Reeves. La géométrie projective et les méthodes de calibration classiques telles que la calibration planaire et la calibration par géométrie épipolaire sont présentées pour introduire les techniques utilisées dans ces deux projets. La collaboration avec Nicolas Reeves consiste à calibrer un système caméra-projecteur sur tête robotisée pour projeter des vidéos en temps réel sur des écrans cubiques mobiles. En plus d'appliquer des méthodes de calibration classiques, nous proposons une nouvelle technique de calibration de la pose d'une caméra sur tête robotisée. Cette technique utilise des plans elliptiques générés par l'observation d'un seul point dans le monde pour déterminer la pose de la caméra par rapport au centre de rotation de la tête robotisée. Le projet avec le metteur en scène Daniel Danis aborde les techniques de calibration de systèmes multi-caméras. Pour son projet de théâtre, nous avons développé un algorithme de calibration d'un réseau de caméras wiimotes. Cette technique basée sur la géométrie épipolaire permet de faire de la reconstruction 3D d'une trajectoire dans un grand volume à un coût minime. Les résultats des techniques de calibration développées sont présentés, de même que leur utilisation dans des contextes réels de performance devant public. / This thesis focuses on computer vision applications for technological art projects. Camera and projector calibration is discussed in the context of tracking applications and 3D reconstruction in visual arts and performance art. The thesis is based on two collaborations with québécois artists Daniel Danis and Nicolas Reeves. Projective geometry and classical camera calibration techniques, such as planar calibration and calibration from epipolar geometry, are detailed to introduce the techniques implemented in both artistic projects. The project realized in collaboration with Nicolas Reeves consists of calibrating a pan-tilt camera-projector system in order to adapt videos to be projected in real time on mobile cubic screens. To fulfil the project, we used classical camera calibration techniques combined with our proposed camera pose calibration technique for pan-tilt systems. This technique uses elliptic planes, generated by the observation of a point in the scene while the camera is panning, to compute the camera pose in relation to the rotation centre of the pan-tilt system. The project developed in collaboration with Daniel Danis is based on multi-camera calibration. For this studio theatre project, we developed a multi-camera calibration algorithm to be used with a wiimote network. The technique based on epipolar geometry allows 3D reconstruction of a trajectory in a large environment at a low cost. The results obtained from the camera calibration techniques implemented are presented alongside their application in real public performance contexts.