La capacité à détecter des objets dans une scène et à estimer leur pose constitue un préalable essentiel à l'automatisation d'un grand nombre de tâches, qu'il s'agisse d'analyser automatiquement une situation, de proposer une expérience de réalité augmentée, ou encore de permettre à un robot d'interagir avec son environnement.Dans cette thèse, nous nous intéressons à cette problématique à travers le scénario du dévracage industriel, dans lequel il convient de détecter des instances d'un objet rigide au sein d'un vrac et d'estimer leur pose -- c'est-à-dire leur position et orientation -- à des fins de manipulation robotisée.Nous développons pour ce faire une méthode basée sur l'exploitation d'une image de profondeur, procédant par agrégation d'hypothèses générées par un ensemble d'estimateurs locaux au moyen d'une forêt de décision.La pose d'un objet rigide est usuellement modélisée sous forme d'une transformation rigide 6D dans la littérature. Cette représentation se révèle cependant inadéquate lorsqu'il s'agit de traiter des objets présentant des symétries, pourtant nombreux parmi les objets manufacturés.Afin de contourner ces difficultés, nous introduisons une formulation de la notion de pose compatible avec tout objet rigide physiquement admissible, et munissons l'espace des poses d'une distance quantifiant la longueur du plus petit déplacement entre deux poses. Ces notions fournissent un cadre théorique rigoureux à partir duquel nous développons des outils permettant de manipuler efficacement le concept de pose, et constituent le socle de notre approche du problème du dévracage.Les standards d'évaluation utilisés dans l'état de l'art souffrant de certaines limitations et n'étant que partiellement adaptés à notre contexte applicatif, nous proposons une méthodologie d'évaluation adaptée à des scènes présentant un nombre variable d'instances d'objet arbitraire, potentiellement occultées. Nous mettons celle-ci en œuvre sur des données synthétiques et réelles, et montrons la viabilité de la méthode proposée, compatible avec les problématiques de temps de cycle, de performance et de simplicité de mise en œuvre du dévracage industriel. / Visual object detection and estimation of their poses -- i.e. position and orientation for a rigid object -- is of utmost interest for automatic scene understanding.In this thesis, we address this topic through the bin-picking scenario, in which instances of a rigid object have to be automatically detected and localized in bulk, so as to be manipulated by a robot for various industrial tasks such as machine feeding, assembling, packing, etc.To this aim, we propose a novel method for object detection and pose estimation given an input depth image, based on the aggregation of local predictions through an Hough forest technique, that is suitable with industrial constraints of performance and ease of use.Overcoming limitations of existing approaches that assume objects not to have any proper symmetries, we develop a theoretical and practical framework enabling us to consider any physical rigid object, thanks to a novel definition of the notion of pose and an associated distance.This framework provides tools to deal with poses efficiently for operations such as pose averaging or neighborhood queries, and is based on rigorous mathematical developments.Evaluation benchmarks used in the literature are not very representative of our application scenario and suffer from some intrinsic limitations, therefore we formalize a methodology suited for scenes in which many object instances, partially occluded, in arbitrary poses may be considered. We apply this methodology on real and synthetic data, and demonstrate the soundness of our approach compared to the state of the art.

Le dévracage robotisé est une tâche industrielle en forte croissance visant à automatiser le déchargement par unité d’une pile d’instances d'objet en vrac pour faciliter des traitements ultérieurs tels que la formation de kits ou l’assemblage de composants. Cependant, le modèle explicite des objets est souvent indisponible dans de nombreux secteurs industriels, notamment alimentaire et automobile, et les instances d'objet peuvent présenter des variations intra-classe, par exemple en raison de déformations élastiques.Les techniques d’estimation de pose, qui nécessitent un modèle explicite et supposent des transformations rigides, ne sont donc pas applicables dans de tels contextes. L'approche alternative consiste à détecter des prises sans notion explicite d’objet, ce qui pénalise fortement le dévracage lorsque l’enchevêtrement des instances est important. Ces approches s’appuient aussi sur une reconstruction multi-vues de la scène, difficile par exemple avec des emballages alimentaires brillants ou transparents, ou réduisant de manière critique le temps de cycle restant dans le cadre d’applications à haute cadence.En collaboration avec Siléane, une entreprise française de robotique industrielle, l’objectif de ce travail est donc de développer une solution par apprentissage pour la localisation des instances les plus prenables d’un vrac à partir d’une seule image, en boucle ouverte, sans modèles d'objet explicites. Dans le contexte du dévracage industriel, notre contribution est double.Premièrement, nous proposons un nouveau réseau pleinement convolutionnel (FCN) pour délinéer les instances et inférer un ordre spatial à leurs frontières. En effet, les méthodes état de l'art pour cette tâche reposent sur deux flux indépendants, respectivement pour les frontières et les occultations, alors que les occultations sont souvent sources de frontières. Plus précisément, l'approche courante, qui consiste à isoler les instances dans des boîtes avant de détecter les frontières et les occultations, se montre inadaptée aux scénarios de dévracage dans la mesure où une région rectangulaire inclut souvent plusieurs instances. A contrario, notre architecture sans détection préalable de régions détecte finement les frontières entre instances, ainsi que le bord occultant correspondant, à partir d'une représentation unifiée de la scène.Deuxièmement, comme les FCNs nécessitent de grands ensembles d'apprentissage qui ne sont pas disponibles dans les applications de dévracage, nous proposons une procédure par simulation pour générer des images d'apprentissage à partir de moteurs physique et de rendu. Plus précisément, des vracs d'instances sont simulés et rendus avec les annotations correspondantes à partir d'ensembles d'images de texture et de maillages auxquels sont appliquées de multiples déformations aléatoires. Nous montrons que les données synthétiques proposées sont vraisemblables pour des applications réelles au sens où elles permettent l'apprentissage de représentations profondes transférables à des données réelles. A travers de nombreuses expériences sur une maquette réelle avec robot, notre réseau entraîné sur données synthétiques surpasse la méthode industrielle de référence, tout en obtenant des performances temps réel. L'approche proposée établit ainsi une nouvelle référence pour le dévracage orienté-objet sans modèle d'objet explicite. / Referred to as robotic random bin-picking, a fast-expanding industrial task consists in robotizing the unloading of many object instances piled up in bulk, one at a time, for further processing such as kitting or part assembling. However, explicit object models are not always available in many bin-picking applications, especially in the food and automotive industries. Furthermore, object instances are often subject to intra-class variations, for example due to elastic deformations.Object pose estimation techniques, which require an explicit model and assume rigid transformations, are therefore not suitable in such contexts. The alternative approach, which consists in detecting grasps without an explicit notion of object, proves hardly efficient when the object geometry makes bulk instances prone to occlusion and entanglement. These approaches also typically rely on a multi-view scene reconstruction that may be unfeasible due to transparent and shiny textures, or that reduces critically the time frame for image processing in high-throughput robotic applications.In collaboration with Siléane, a French company in industrial robotics, we thus aim at developing a learning-based solution for localizing the most affordable instance of a pile from a single image, in open loop, without explicit object models. In the context of industrial bin-picking, our contribution is two-fold.First, we propose a novel fully convolutional network (FCN) for jointly delineating instances and inferring the spatial layout at their boundaries. Indeed, the state-of-the-art methods for such a task rely on two independent streams for boundaries and occlusions respectively, whereas occlusions often cause boundaries. Specifically, the mainstream approach, which consists in isolating instances in boxes before detecting boundaries and occlusions, fails in bin-picking scenarios as a rectangle region often includes several instances. By contrast, our box proposal-free architecture recovers fine instance boundaries, augmented with their occluding side, from a unified scene representation. As a result, the proposed network outperforms the two-stream baselines on synthetic data and public real-world datasets.Second, as FCNs require large training datasets that are not available in bin-picking applications, we propose a simulation-based pipeline for generating training images using physics and rendering engines. Specifically, piles of instances are simulated and rendered with their ground-truth annotations from sets of texture images and meshes to which multiple random deformations are applied. We show that the proposed synthetic data is plausible for real-world applications in the sense that it enables the learning of deep representations transferable to real data. Through extensive experiments on a real-world robotic setup, our synthetically trained network outperforms the industrial baseline while achieving real-time performances. The proposed approach thus establishes a new baseline for model-free object-oriented bin-picking.