De nos jours, l'engouement pour la robotique autonome ne cesse d'augmenter en particulier pour les microdrones. En effet, ces aéronefs de petite taille font l'objet de nombreuses recherches afin de les miniaturiser et de rendre leur navigation plus autonome. Ainsi, cette thèse explore un système de vision parcimonieux dédié à la navigation courte portée au moyen de capteurs visuels auto-adaptatifs innovants composés de seulement 12 pixels aux propriétés optiques inspirées de celles de l'abeille. Deux algorithmes de mesure de flux optique sont ensuite comparés en conditions idéales sur 5 décades d'irradiance et 3 décades de vitesses optiques, puis testés en conditions réelles de vol. L'algorithme le plus robuste et le plus efficace, de par ses très faibles besoins calculatoires, a été embarqué à bord d'un micro quadrirotor pesant environ 400 g et équipé d'un système visuel parcimonieux de 96 pixels stabilisé via une nacelle articulée en roulis et tangage pour compenser les rotations du quadrirotor. Les stratégies de navigation observées chez l'abeille ont ensuite été simulées dans des environnements virtuels (tunnel de longueur 6 m ou 12 m pour une section minimale de 25 ou 50 cm) et la preuve de faisabilité de la détection du flux optique à bord d'un microdrone a été démontrée en conditions réelles de vol en salle expérimentale (vol de 4 m de long à une distance minimale de 50 cm). Couplé à des stratégies de navigation inspirées de l’abeille, ce système visuel innovant dédié à la perception du mouvement permettra dans un futur proche de naviguer dans des environnements encombrés ou exigus. / The interest in autonomous robotics is continually expanding, especially in the domain of micro air vehicles. Indeed, much research focuses on these small-size aircraft in order to miniaturize them and to make their navigation more autonomous. This PhD thesis explores a parsimonious vision system dedicated to short range navigation using innovative self-adaptive visual sensors composed of only 12 pixels with optical properties inspired by those of honeybees. Two optic flow measurement algorithms are first compared under ideal conditions over 5 decades of irradiance and 3 decades of optical velocity, then tested under real flight conditions. The most robust and efficient algorithm, due to its very low computing requirements, was embedded on board a micro quadrotor weighing about 400 g and equipped with a parsimonious visual system of 96 pixels stabilized via an articulated gimbal in roll and pitch to compensate the quadrotor rotations. The navigation strategies observed in honeybees were simulated in virtual environments (6 m or 12 m long tunnel for a minimum section of 25 or 50 cm) and the feasibility of the detection of the optic flow on board a micro quadrotor was demonstrated in real flight conditions in experimental room (flight of 4 m long at a minimum distance of 50 cm). Coupled with navigation strategies inspired by the honeybee, this innovative visual system dedicated to the perception of movement will in the near future allow to navigate in cluttered or cramped environments.

La hausse du taux d'occupation des routes rend nécessaire l'utilisation de dispositifs visant à surveiller et analyser la circulation des utilisateurs du réseau routier. Bien souvent, des réseaux de surveillance par caméras sont déjà en place sur les routes. L'information visuelle est donc déjà disponible, mais est peu utilisée pour l'analyse automatisée du trafic. L'objectif de ce travail est de mettre au point une méthode automatisée basée sur l'information visuelle multirésolution permettant d'évaluer la fluidité de la circulation à plusieurs niveaux de précision. En effet, si une analyse manuelle de l'information visuelle peut permettre de dégager certaines tendances sur l'état du trafic routier, une approche automatisée permettra d'évaluer plus précisément plusieurs données sur le mouvement des véhicules. En tout temps, le déplacement moyen dans la scène sera évalué, afin d'obtenir un indice de fluidité global. Tant que la circulation demeure fluide, il n'est pas nécessaire d'estimer la vitesse du trafic avec plus de précision. Toutefois, si cet indice descend sous un certain seuil, l'analyse sera raffinée pour fournir le déplacement moyen par direction, en utilisant une résolution deux fois supérieure à la précédente. Finalement, à partir des images à pleine résolution, il sera possible d'obtenir une mesure du déplacement de chaque véhicule.

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

L'objectif de cette thèse est d'étudier la désynchronisation pariétale en ciné-IRM conventionnelle. La première partie de notre travail a consisté à quantifier les mouvements de la paroi du ventricule gauche du coeur directement à partir de séquences de ciné-IRM standards, de type SSFP avec une synchronisation rétrospective, utilisées pour l'étude de la fonction cardiaque. Les méthodes développées pour mesurer les déplacements dans les images sont basées sur des techniques fréquentielles de flux optique. Ces techniques semblent particulièrement adaptées aux particularités des IRM. Nous montrons en effet leur robustesse en présence de bruit ricien et de variations d'intensité des pixels au cours du temps, variations généralement provoquées par les mouvements du coeur à travers le plan, notamment en coupe petit axe. La seconde partie de notre travail a porté sur l'évaluation de la désynchronisation en ciné-IRM en coupe petit axe. Des courbes d'évolution des déplacements et des vitesses de la paroi au cours du temps ont été obtenues par un suivi de points d'intérêt localisés sur les différents segments du ventricule gauche proches de l'endocarde. Pour calculer les délais entre ces courbes, nous nous sommes appuyés sur les études effectuées en échocardiographie et avons proposé différents paramètres de mesure de la désynchronisation pour l'IRM. Ce travail a fait l'objet d'une étude clinique préliminaire comprenant des coeurs considérés comme normaux suite à l'examen clinique et de coeurs de patients à QRS larges et fins ne présentant pas de cardiopathie ischémique. Les mesures de désynchronisation en IRM cardiaque ont été comparées aux mesures pratiquées en échocardiographie. Les premiers résultats indiquent une corrélation entre les mesures d'échographie et d'IRM. La troisième partie de notre travail a consisté à étudier les mouvements du coeur directement à partir des images brutes des antennes en IRM multicanaux. Les algorithmes de flux optique développés et testés pour ce type d'images ont montré qu'il était possible d'estimer les mouvements myocardiques. Les premiers résultats semblent encourageants. Les résultats de l'étude préliminaire de l'asynchronisme intraventriculaire gauche en IRM sont prometteurs. La ciné-IRM cardiaque pourrait être une alternative à l'échocardiographie notamment pour les patients faiblement échogènes. La validation de cette technique de quantification de l'asynchronisme en IRM est un enjeu important. Une étude plus approfondie est en cours, notamment pour prédire la réponse à la CRT de patients sans cardiopathie ischémique présentant une désynchronisation mécanique à partir des facteurs de mesures en IRM et en échographie. / The aim of this thesis is to study parietal desynchronisation of the left ventricle from conventional cine-MRI. The first part of our work consisted in the quantification of the left ventricle wall motion of the heart directly from conventional retrospective SSFP type cine-MRI sequences used in the study of cardiac function. The developed methods for measuring displacements within the images are frequency-based optical flow methods. These techniques seem to be particularly adapted to MRI specificities. We have demonstrated their robustness in the event of Rician noise and pixel intensity variations as a function of time. These variations are often associated with the through-plane motion of the heart, in particular in the short-axis orientation. The second part of our work concerned the assessment of desynchronisation from short axis cine-MRI. Time-displacement and time-velocity curves of the heart wall were obtained from tracking points of interest localised on the left ventricle segments close to the endocardium. With respect to the quantification of the delay between curves, our work relied on research carried out in the field of echocardiography desynchronisation. Various parameters for the measurement of desynchronisation from cine-MRI were proposed. This work was the subject of a preliminary clinical study including patients considered as normal further based on clinical examination and patients having normal or prolonged QRS duration without ischemic heart disorder. The dyssynchrony measurements from cardiac MRI were compared to measurements obtained with echocardiography. The first results indicate a good correlation between echography and MRI measurements. The third part of our work consisted in studying heart wall motion directly from raw images from multicoil MRI. The developed optical flow algorithms were tested and they showed that it was possible to estimate myocardial movement. Preliminary results are encouraging. The results of the preliminary study of left intraventricular asynchronism from MRI are also promising. Cardiac cine-MRI could be an alternative to echocardiography in the case of weakly echogenic patients. The validation of this quantitative technique for asynchronism from MRI is of major interest. A more detailed study is in progress, in particular to predict the response of CRT (cardiac resynchronisation therapy) of patients without ischemic disorder presenting a mechanical desynchronisation from MRI and echographic parameters.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La perception est le regroupement d'informations en vue de comprendre son environnement. Pour cela, l'homme utilise plusieurs modalités sensorielles consistuées de plusieurs types d'information. L'une d'entre elles est le flux optique, le déplacement de l'image sur la rétine.<br />Le flux optique permet de recouvrer une partie de la géometrie de la scène observée, mais il s'agit d'un problème très complexe car inverse, mal-posé et incertain.<br />Ces difficultés peuvent être surmontées à l'aide du formalisme de la programmation bayésienne qui s'appuie sur l'usage des probabilités, pour manipuler l'incertitude et le caractère mal-posé, et de la règle de Bayes pour résoudre l'inversion.<br />Nous proposons un modèle bayésien de la perception de plans par le flux optique basé sur quelques hypothèses explicites. Ces hypothèses sont principalement la rigidité, qui considère que l'on observe plus probablement un plan rigide qu'une collection de points de mouvements indépendants et la sationnarité, qui suppose que le mouvement du plan est plus probablement petit.<br />Nous validons notre modèle en nous basant sur cinq expériences issues de la littérature. Pour chacune d'elles, nous expliquons les détails du fonctionnement du modèle et les hypothèses qui conditionnent la bonne reproduction des résultats. Enfin, nous montrons d'une part comment intégrer notre modele au sein de systèmes plus complexes et, d'autre part, l'applicabilité du modèle bayésien à des expériences de perception du flux optique différentes de part leurs protocoles, mais similaires dans leurs ambiguités.

Le pilote automatique appelé OCTAVE (Optic flow based Control sysTem for Aerial VEhicles) s'appuie sur une hypothèse des années 1950 selon laquelle un insecte pourrait naviguer en " maintenant constante la vitesse de l'image rétinienne " perçue par la partie ventrale de son œil composé. En formalisant cette hypothèse, nous sommes parvenus à proposer un principe générique de régulation du flux optique. Nous avons validé ce principe en le mettant en oeuvre à bord d'un micro-aéronef à voilure tournante construit au laboratoire. L'appareil est doté d'un oeil élémentaire équipé d'un Détecteur Elémentaire de Mouvement (DEM), inspiré de travaux électrophysiologiques du laboratoire sur l'œil de mouche, et capable d'estimer le flux optique généré par le mouvement même du micro-aéronef survolant un panorama contrasté. Nous avons montré expérimentalement sur ce robot captif qu'une boucle de régulation du flux optique conduit l'appareil à éviter les collisions avec le sol en effectuant un suivi de terrain à distance de sécurité, même en présence de vent contraire ou de vent arrière. Mieux encore, une simple commande de tangage conduit l'appareil à décoller ou atterrir automatiquement. Ces performances sont notoires eu égard au caractère minimaliste du traitement réalisé à bord, compatible avec la faible capacité d'emport d'un micro-aéronef (naturel ou artificiel) de masse inférieure à 100 grammes. Le système proposé se révèle extrêmement puissant car il permet à un aéronef de s'affranchir de son avionique traditionnelle, constituée de capteurs lourds et onéreux.

Cette thèse porte sur la navigation sans collision d'un véhicule aérien à décollage et atterrissage vertical en environnement inconnu ou incertain. L'utilisation du flot optique, inspirée du monde animal, permet d'obtenir des informations sur la vitesse du véhicule et sur la proximité des obstacles. Deux contributions sont présentées dans ce travail. La première aborde l'atterrissage automatique sur une plateforme statique ou mobile. La manœuvre se décompose en deux tâches : la stabilisation de la vitesse au-dessus de la cible, puis l'atterrissage vertical. L'approche montre que la régulation du flot optique divergent autour d'une consigne constante permet un atterrissage en douceur et sans collision malgré les incertitudes sur la dynamique de la plateforme et du véhicule. La deuxième contribution concerne le suivi de terrain avec évitement d'obstacles. L'approche générale proposée permet d'aborder différentes applications telles que l'évitement d'obstacles frontaux, le suivi de terrain pentu, le suivi de couloir, etc. L'analyse de stabilité évalue la robustesse et les limites du contrôleur en présence de diverses incertitudes telles que les incertitudes sur la géométrie de l'environnement. L'ensemble des algorithmes de commande est simulé et expérimenté sur un mini-drone quadrirotor développé au CEA LIST.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans ce travail, nous avons premièrement développé et caractérisé des capteurs de flux optique robustes aux changements de conditions lumineuses inspirés par le système visuel de la mouche et mesurant la vitesse angulaire à l'aide de l'algorithme appelé "time of travel". En particulier, nous avons comparé les performances de capteurs mesurant visuellement la vitesse angulaire en intérieur et en extérieur. Les résultats de nos capteurs bio-inspirés ont aussi été comparés avec des capteurs de souris optique. Enfin, une nouvelle implémentation de l'algorithme "time of travel" a été proposée réduisant la charge de calcul de l'unité de traitement.Dans le cadre du projet européen CurvACE (Curved Artificial Compound Eye), nous avons aussi participé au développement du premier oeil composé courbé artificiel capable de mesurer le flux optique à haute vitesse sur une large gamme de lumière ambiante. En particulier, nous avons caractérisé ce capteur et montré sa capacité à mesurer le flux optique à l'aide de plusieurs algorithmes.Finalement, nous avons aussi développé un robot aérien miniature attaché appelé BeeRotor équipé de capteurs et de stratégies de vol imitant les insectes volants et se déplaçant de manière autonome dans un tunnel contrasté. Ce robot peut expliquer comment les abeilles contrôlent leur vitesse et leur position à l'aide du flux optique, tout en démontrant que des solutions alternatives existent aux systèmes couramment utilisés en robotique. Basé seulement sur des boucles de contrôle réagissant à l'environnement, cet hélicoptère a démontré sa capacité à voler de manière autonome dans un environnement complexe et mobile. / In this thesis, we first developed and characterized optic flow sensors robust to illuminance changes inspired by the visual system of the fly and computing the angular speed thanks to the "time of travel" scheme. In particular, we have compared the performances of sensors processing the visual angular speed based on a standard retina or an aVLSI retina composed of pixels automatically adapting to the background illuminance in indoor and outdoor environments. The results of such bio-inspired sensors have also been compared with optic mouse sensors which are used nowadays on Micro Aerial Vehicles to process the optic flow but only in outdoor environments. Finally, a new implementation of the "time of travel" scheme has been proposed reducing the computational load of the processing unit.In the framework of the European project CurvACE, we also participated to the design and development of the first curved artificial compound eye including fast motion detection in a very large range of illuminations. In particular, we characterized such sensor showing its ability to extract optic flow using different algorithms.Finally, we also developed a tethered miniature aerial robot equipped with sensors and control strategies mimicking flying insects navigating in a high-roof tunnel. This robot may explain how honeybees control their speed and position thanks to optic flow, while demonstrating alternative solution to classical robotic approach relying on ground-truth and metric sensors. Based only on visuomotor control loops reacting suitably to the environment, this rotorcraft has shown its ability to fly autonomously in complex and unstationary tunnels.