Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L'élargissement inhomogène du spectre d'absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d'absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d'absorption. On dispose ainsi d'un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d'absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C'est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d'atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l'utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d'optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l'écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d'empêcher les effets d'émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé " Revival Of Silenced Echo " (ROSE)

The three-dimensional structure of the world makes 3D as the natural evolution of a huge panel of applications. Many different 3D reconstruction algorithms have been implemented to meet different application needs. We target immersive applications. The reconstructed models of users and objects are inserted in 3D virtual environments creating the mixed reality, which is rendered on spatially immersive displays. The user sees its model on the projection walls, allowing him to interact with elements of the virtual world. Immersion requires small latency, high reconstruction rates and non-invasive systems. Furthermore, we choose to reconstruct arbitrary shapes with a geometric method. The review of the state of the art shows that all the acquisition devices cannot be connected to a single computer performing real time reconstruction. The system needs a cluster of computers and a strategy to share information between them. We present a distributed and scalable architecture for real time reconstruction of arbitrary shapes exploiting inter-frame redundancy. The architecture is composed of acquisition nodes and master nodes. Each acquisition node reconstructs partial models from its attached cameras and sends non-redundant information to its master. Each master node merges several partial models. The output of several masters can be merged by another master. We exploit the properties of volumetric algorithms, i.e. an efficient exploitation of inter-frame redundancy and an efficient merging of partial models, to increase performances. We test our volumetric architecture with an innovative implementation of the visual hull. We use a label that codes simultaneously occupancy, subdivision of space and visibility allowing each camera to see only part of the volume of interest. We test our system on a particular implementation of the framework composed of eight cameras and twelve cores, two per acquisition node and four for the master. We achieve fifteen reconstructions per second and less than 100 ms latency from segmentation to the display of the reconstructed model. System performances have been measured on sequences of more than 20 000 frames with unconstrained user’s movements. The system computes a fair approximation of the user in all situations. / La structure tridimensionnelle du monde fait de la 3D l’évolution naturelle d’un grand nombre d’applications. De nombreux algorithmes de reconstruction différents ont été développés pour satisfaire les besoins de différents types d’applications. On cible les applications immersives: Les modèles reconstruits de l’utilisateur ainsi que des objets qu’il porte sont insérés dans des environnements virtuels créant ainsi la réalité mixte. Cette dernière est affichée ce qui permet à l’utilisateur d’interagir avec des éléments virtuels. Le caractère immersif de l’application requiert une reconstruction temps réel à faible latence. Qui plus est, on désire la reconstruction de modèles de formes arbitraires à l’aide de méthodes géométriques. L’état de l’art montre que les différentes caméras ne peuvent pas être connectées à un seul ordinateur responsable de la reconstruction 3D. L’application requiert un cluster d’ordinateurs et une méthode étudiée afin de répartir la charge de travail et d’optimiser les performances. J’ai développé au cours de ma thèse une architecture volumétrique distribuée pour reconstruire des objets de forme arbitraire en temps réel et avec faible latence. Le système exploite les propriétés des algorithmes volumétriques pour améliorer les performances. Il est composé de deux types de nœuds: acquisition et fusion. Les nœuds de type acquisition reconstruisent des modèles partiels et envoient des informations non redondantes aux nœuds de type fusion. Chaque nœud fusion est responsable de la création d’un modèle global à partir de plusieurs modèles partiels. Grâce aux algorithmes développés, chaque étape de fusion rassemble les informations de plusieurs modèles partiels tout en ayant un impact faible sur la latence totale du système. L’architecture a été testée avec une implémentation particulière du Visual Hull permettant une disposition plus libre des caméras. Ces dernières ne doivent plus observer l’entièreté du volume d’intérêt. Chaque partie de l’utilisateur est modélisée grâce aux caméras qui l’observent. Notre système dispose de quatre nœuds d’acquisitions dual core et d’un nœud de fusion dual CPU dual core. On reconstruit quinze modèles par seconde avec une latence inférieure à 100 ms mesurée depuis la segmentation jusqu’au rendu. Quelques soient les mouvements de l’utilisateur et les objets qu’il manipule, le système est capable de le modéliser.

Les ions de terres rares en matrice cristalline, refroidis à très basse température, offrent des propriétés remarquables pour le traitement analogique du signal sur porteuse optique. L’élargissement inhomogène du spectre d’absorption peut en effet atteindre plusieurs centaines de gigahertz alors que la largeur homogène des raies d’absorption des ions individuels ne dépasse pas quelques kilohertz. Par pompage optique il est alors possible de modifier à volonté le profil du spectre d’absorption. On dispose ainsi d’un filtre programmable présentant à la fois une très grande bande passante, donnée par la largeur inhomogène, et une excellente résolution, fixée par la largeur homogène. Une raie d’absorption étroite correspond à un état de superposition quantique de longue durée de vie. C’est sous cet angle, celui des transitoires cohérents, et spécifiquement celui des échos de photons que nous abordons les propriétés du filtre programmable. Dans la première partie de la thèse, le filtre est programmé comme un élément dispersif. Il permet d’atteindre des taux de dispersion inaccessibles aux dispositifs optiques conventionnels, tels que les fibres optiques. Nous l’utilisons comme un composant de lentille temporelle, en vue de produire des signaux de forme arbitraire. Par rapport à des dispositifs d’optique conventionnels, on gagne plusieurs ordres de grandeurs en termes de produit temps x bande passante. Après avoir exploité l’écho de photon dans un contexte de filtrage linéaire, nous tirons parti de ses propriétés de très forte non-linéarité dans la seconde partie de la thèse. Cette fois nous cherchons à capturer un signal lumineux de très faible intensité, à le convertir en état de superposition atomique, puis à le restituer dans son état lumineux initial. Cela suppose en particulier d’empêcher les effets d’émission spontanée ou stimulé qui nuisent à la fidélité de la restitution. Pour ce faire, nous proposons un nouveau protocole que nous avons appelé « Revival Of Silenced Echo » (ROSE) / Rare earth ions doped crystals, when cooled at very low temperature, exhibit outstanding properties for optically-carried analogical signal processing. The absorption spectral broadening can reach several hundred of Gigahertz, while the homogeneous width of each individual ion does no exceed a few kilohertz. With the help of optical pumping, one may modify the absorption profile at will. The resulting programmable filter simultaneously offers a very large bandwidth, given by the inhomogeneous width, and a very good resolution, fixed by the homogeneous width. Narrow absorption line is related to long lifetime quantum superposition. We contemplate the programmable filter properties, keeping in mind this coherent transient picture, specifically related to photon echoes. In the first part of the dissertation, the programmable filter is programmed as a dispersive element. This gives access to dispersion rate values out of reach of conventional optical devices, such as optical fibers. We use the filter as a temporal lens component, with an eye to generating arbitrary waveforms. Thereby, we gain several orders of magnitude against conventional optical devices in terms of time x bandwidth product. After taking advantage of photon echoes in the linear filtering context, we capitalize on their strongly non-linear properties in the second part of the dissertation. This time we want to capture a very weak optical signal, to convert it into an atomic superposition state, and to restore it in its initial state of light. Faithful retrieval of the incoming signal relies on the elimination of spontaneous and stimulated emission. To this end, we propose a new protocol we have named « Revival Of Silenced Echo » (ROSE).