Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Nous présentons deux composants optiques transformant un faisceau gaussien en un faisceau transversal magnétique de plus petit ordre (faisceau laser TM₀₁ ) Si un tel faisceau est focalisé avec un objectif de grande ouverture numérique (NA > 0.9), la théorie prévoit l'apparition d'un spot focal parfaitement circulaire, de taille inférieure à celle du spot que l'on aurait obtenu avec un faisceau gaussien. On s'attend donc en intégrant ce mode dans un microscope de haute résolution (de fluorescence à excitation deux photons), à augmenter les performances de ce dernier (résolution, contraste). Les deux composants sont construits sur la base de quatre lames demionde placées dans une mosaïque, suivies d'une lame introduisant un déphasage de [pi]. Le premier composant est constitué de cristal liquide, et le second de lames de quartz cristallin.

Cette thèse présente un nouveau type de système optique, un imageur à grandissement localisé. L'idée derrière ce dernier est de modifier en temps réel la distorsion à l'aide d'un composant optique actif qui est positionné loin des pupilles pour permettre de modifier chaque champ local de façon individuelle. Avec la bonne déformation de la surface active, on peut alors créer des zones de l'image avec un grandissement augmenté. De plus, si l'on désire conserver le champ de vue total constant, il est possible d'y parvenir en combinant ces zones d'intérêt à des zones de redressement où le grandissement est diminué. Pour bien comprendre comment se comportent ces systèmes avec beaucoup de distorsion, une analyse des erreurs de surface est d'abord présentée. On y conclut que ces lentilles ont des particularités qui compliquent leur conception et leur tolérancement. On obtient lors de cette analyse une équation reliant le déplacement dans le plan image en fonction des défauts de fabrication sur la surface frontale. De cette équation, on comprend qu'un des paramètres importants lors du tolérancement de ces systèmes est la longueur focale locale, définie comme étant la dérivée de la position dans le plan image par rapport à l'angle du champ de vue. Cela permet de conclure que dans la conception de ce type de lentilles, des tolérances plus serrées doivent être choisies dans certaines parties de la surface, contrairement à un critère de qualité unique partout sur la surface comme la norme actuelle le propose. Ensuite, à partir de ces résultats du déplacement dans le plan image par rapport à une erreur donnée, un concept d'imageur à grandissement localisé est développé. Tout d'abord, les équations de base pour ce type d'imageur sont obtenues. On peut y conclure qu'en première approximation, c'est le produit de la courbure z" sur la surface déformable par la distance L0 entre la surface et la pupille d'entrée du reste de l'imageur qui détermine le rapport de grandissement local que l'on peut obtenir. De ces équations, on définit également des limites fondamentales sur l'amplitude que le composant déformable doit produire et sur le f/# qui conserve la qualité d'image à un niveau acceptable. À partir de ces résultats, des simulations à l'aide du logiciel ZEMAX sont effectuées, confirmant ainsi les paramètres obtenus mathématiquement. Ces simulations conduisent finalement à un prototype expérimental utilisant un miroir déformable ferrofluidique comme surface active. Avec une distance focale originale de f0 = 12.5 mm et une distance Lo = 220 mm, des résultats expérimentaux avec un système pouvant produire des rapports de grandissement supérieurs à 3 dans une zone d'intérêt sont présentés et analysés. Bref, s'il est possible de vaincre les limites fondamentales, cet imageur à grandissement localisé a le potentiel de révolutionner certains domaines d'imagerie grâce à ses capacités originales en conception optique.

La reconnaissance des visages est un domaine de la vision artificielle qui connaît un intérêt grandissant depuis quelques années. Plusieurs approches intéressantes ont été développées dans le spectre visible. Les systèmes opérant dans ce spectre souffrent de plusieurs limitations dues aux changements dans l'éclairage et dans les expressions faciales. Dans ce travail, nous avons utilisé l'imagerie multispectrale, plus particulièrement l'imagerie infrarouge active et passive, pour améliorer la performance de la reconnaissance des visages et éviter les limitations imposées par le spectre visible. Les spectres infrarouges ont aussi leurs propres limitations, comme l'opacité des lunettes dans l'infrarouge thermique. Les solutions développées visent à résoudre ces problématiques. Nous avons développé des stratégies de fusion intra- et inter-spectres opérant dans l'espace des textures et utilisant des approches de réduction de dimensionnalités linéaires et non linéaires. Un nouvel opérateur de texture adaptatif et une nouvelle représentation des caractéristiques physiologiques des visages extraits de l'image thermique ont aussi été développés. Finalement, nous avons produit une base de données multispectrale appelée /.-Faces qui a été utilisée pour les tests ainsi que la base de données Equinox pour l'évaluation des algorithmes développés. Les résultats positifs des essais expérimentaux démontrent l'efficacité des algorithmes proposés pour construire un système de reconnaissance des visages plus performant.

Les particularités des lentilles panoramiques font de leur caractérisation un défi. Pour les applications de vision, une connaissance de la distorsion est essentielle pour produire des vues naturelles. Aussi, toutes les directions étant importantes, la qualité de l'image doit être uniforme sur tout le champ de vue. Nous avons donc développé un banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Avec des cibles référencées, nous avons obtenu avec rapidité et facilité les profils de distorsion, ce qui a permis de calculer la résolution instantanée linéaire sur tout le champ de vue. Également, des cibles inclinées ont été utilisées pour déterminer la fréquence spatiale où la MTF est de 50% en fonction de l'angle dans le champ de vue. À l'aide de deux caméras, nous avons testé deux lentilles panomorphes et deux lentilles fisheyes pour lesquelles nous avons calculé la résolution instantanée et les courbes de MTF et comparé certains résultats à des simulations.

En raison de leur grand champ de vue, les systèmes d’imagerie panoramiques et Panomorphes sont des cas particuliers du point de vue de la conception optique. Le champ de vue élevé introduit une quantité importante d’aberrations qui doivent être corrigées. Pour obtenir la qualité d’image voulue, les aberrations sont minimisées par l’optimisation de certaines composantes physiques. Cette approche a cependant ses limites. Ce projet a donc pour but d’explorer d’autres techniques qui permettront de dépasser ces limites. Trois types de techniques sont étudiés : les techniques matérielles, logicielles et hybrides. Dans la section des techniques matérielles, le senseur courbé et les lentilles de champ de forme libre sont étudiés. Il est démontré qu’avec ces techniques, il est possible de créer l’effet de meilleur foyer sur toute l’image. De plus, le senseur courbé permet la conception de systèmes monocentriques qui permettent une conception plus simple et des performances accrues. La section des techniques logicielles montre les gains qu’il est possible d’obtenir par le traitement d’image. Malgré la variation importante de la PSF, la déconvolution réussit à améliorer la qualité de l’image en général. La correction de la couleur latérale amène une amélioration complémentaire à la déconvolution. Les deux méthodes sont suffisamment rapides pour envisager une application vidéo. La dernière section présente une technique appelée encodage de front d’onde. Deux méthodes d’optimisation sont présentées, l’optimisation par la MTF et par la variance entre l’image et l’objet. L’optimisation par la variance nécessite plus de temps de calcul, mais considère l’étape de la reconstruction et le bruit, et donne donc de meilleurs résultats. Des simulations sont aussi effectuées pour comparer l’efficacité et le domaine d’application de deux types de masques. Il est montré que le masque cubique est plus efficace pour corriger le défocus et l’astigmatisme et que le masque quartique est plus efficace en présence de coma et de bruit blanc gaussien. En utilisant les informations acquises lors des simulations, un prototype basé sur la lentille IMV1 d’ImmerVision a été fabriqué. Le masque cubique fabriqué présente cependant une rugosité de surface trop importante et les images obtenues sont affectées par le bruit. / Because of their large field of view, panoramic and Panomorph imagers are modules of interest in optical design. An important field of view introduces many aberrations in a system. To obtain the desired image quality, aberrations are generally minimized by the optimization of certain optical components, but this practice has its limits. The goal of this project is hence to investigate other techniques that would allow breaking these limits. Three types of techniques are investigated: hardware, software and hybrid. In the hardware section, the curved sensor and the freeform field lens are analyzed. It is shown that they allow for a best focus effect on the whole image. The curved sensor can also be used to create a monocentric system which simplifies the optical design and gives increased performances compared to the traditional system. In the software section, the gains obtainable by image processing are highlighted. It is shown that even with the important variation of the PSF across the field of view, deconvolution still increases image quality as a whole. Lateral color correction gives additional improvement of the image. Both methods are sufficiently fast to consider a video application. The last section addresses wavefront coding. Two methods of optimization are presented: optimization by the MTF and optimization by the variance between object and image. The optimization by the variance requires more computation time but gives better results because it considers the effect of image reconstruction and noise. In this section, simulations are also used to compare the performances and the applicability of two phase mask types. It is shown that the cubic phase mask is more useful to correct defocus and astigmatism while the quartic phase mask is better for coma and Gaussian white noise. Using the information obtained with the simulations, a prototype based on the IMV1 ImmerVision lens was built. Unfortunately the cubic phase mask manufactured had a surface roughness that was too high and the resulting images are noisy.

Plusieurs projets de télescopes spatiaux ont pour objectif d’étudier des exoplanètes en ayant recours à des techniques d’imagerie directe à haut contraste. Afin d’atteindre une différence de contraste requise entre la lumière de l’étoile et celle réfléchie par l’exoplanète, ses systèmes doivent utiliser un coronographe pour occulter la lumière de l’étoile et corriger en temps réel les erreurs de front d’onde avec des techniques d’optique adaptative. Les aberrations sont détectées par un analyseur de front d’onde, puis une boucle de contrôle envoie une commande qui modifie la surface d’un miroir déformable pour compenser les erreurs de front d’onde. Les performances des systèmes d’optiques adaptatives sont cependant souvent limitées par la présente d’erreurs quasi statiques qui sont causées par la différence de trajet optique entre la caméra de science et le senseur de front d’onde. Un système d’imagerie haut contraste a donc été développé pour démontrer le potentiel d’une technique de contrôle qui permet d’éliminer cette source d’erreur. Cette boucle de contrôle a la particularité d’utiliser un coronographe qui permet d’analyser les erreurs de front d’onde directement à partir de l’image de la caméra de science. Le système optique développé dans le cadre de ce mémoire a été testé en laboratoire et a également été optimisé pour réaliser une démonstration fonctionnelle dans des conditions similaires à l’espace lors d’un vol de ballon dans la stratosphère. Les résultats de vol ont permis de valider la maturité technologique de certaines composantes qui ont le potentiel d’être utilisées pour les prochaines générations de télescopes spatiaux. / Several space telescope projects aim to study exoplanets using high-contrast direct imaging techniques. In order to achieve the required difference in contrast between the light from the star and that reflected by the exoplanet, those systems must use a coronagraph to mask the light of the star and correct in real time wavefront errors with adaptive optics techniques.The aberrations are detected by a wavefront sensor, then a control loop sends a command that modifies the surface of a deformable mirror to compensate for the wavefront errors. However, the performance of adaptive optics systems is often limited by the present quasi-static errors that are caused by the optical path difference between the science camera and the wavefront sensor. A high contrast imaging system has been developed to demonstrate the potential of a control technique which enables the reduction of this kind of error. This control loop has the particularity of using a coronagraph which allows the analyze of the wavefront errors directly from the science camera’s image. The optical system developed within the frameworkof this master’s project has been tested in a laboratory and was also optimized to perform afunctional demonstration in space-like conditions during a balloon flight in the stratosphere.The flight results validated the readiness level of some components that could potentially beused for the next generation of space telescopes.

L'emploi de véhicules aériens sans pilote pour surveiller l'environnement entourant les navires militaires est une avenue intéressante pour contrecarrer des menaces potentielles. Cet ouvrage présente le banc d'essais développé pour l'évaluation et l'analyse comparative d'algorithmes de surveillance de cible. Un système vidéo commercial de poursuite de cible a été intégré à un système "hardware in the loop" (HIL) d'avion sans pilote afin de retrouver la position d'une cible dans un environnement virtuel 3D. La démarche pour l'évaluation de la position de la cible est présentée. Le système HIL utilisé, les modifications matérielles et logicielles apportées ainsi que la performance du système sont décrits. Des algorithmes de surveillance allant des plus simples comme la navigation circulaire aux plus complexes basés sur la commande prédictive sont présentés, simulés sur le système HIL et comparés. Les résultats de cette analyse permettent d'établir les lignes directrices d'une stratégie de guidage efficace.

SITELLE est le nouveau spectromètre imageur à transformée de Fourier qui doit être installé au Télescope Canada-France-Hawaii. Le développement de son modèle de performance a permis d’évaluer les paramètres instrumentaux qui sont critiques par rapport aux exigences scientifiques. D’une part, une configuration hors-axe à miroirs plans a été sélectionnée pour répondre plus facilement à l’exigence de haute efficacité dans le proche ultraviolet. D’autre part, les critères d’asservissement ont été définis afin de concevoir un instrument limité par le bruit de photons pour une scène pertinente donnée. Ces performances doivent être maintenues pendant une acquisition totale de 4h sous des vibrations opérationnelles et toute vibration extérieure comme des bourrasques de vent sur le télescope. Enfin, le modèle de performance de SITELLE est au cœur du simulateur de rapport signal sur bruit qui permettra aux astrophysiciens d’évaluer les bénéfices potentiels de l’utilisation de ce spectromètre imageur pour leurs sujets d’études. / SITELLE is a new imaging Fourier transform spectrometer to be installed at the Canada-France- Hawaii Telescope. The development of its dedicated performance model drives the design of the instrument and the flow down of the science cases requirements into system requirements. First, the selected configuration with off-axis flat mirrors makes the achievement of a high efficiency in the near ultra violet easier. Secondly, servomechanism’s desirable performances were defined in order to design a photon noise limited instrument, based on a relevant scene. These performances should be maintained during a 4 hours data-cube acquisition, under operational vibrations and external effects such as wind gust hitting the telescope. Ultimately, this instrument performance model is the core of the signal to noise ratio simulator that will help observers to evaluate the potential benefits of SITELLE for their target.

La cartographie des services écologiques (SE) urbains suscite un intérêt grandissant. Toutefois, les différentes méthodes et sources de données utilisées peuvent produire des résultats divergents. En particulier, il demeure difficile d’estimer l’effet de la résolution spatiale des données de couverture terrestre (CT) sur la cartographie des flux de SE des espaces verts aux personnes qui en bénéficient. Cette étude visait à caractériser cet effet afin d’aider à en prédire l’ampleur pour des flux de SE produits à différentes échelles spatiales. Une carte de CT à haute résolution spatiale (1 m) couvrant le territoire de la ville de Laval (Canada) a été acquise, puis agrégée à des résolutions inférieures de 3, 5, 10 et 15 m. À partir de ces données, trois SE ont été cartographiés : le stockage de carbone (flux à l’échelle globale), la régulation de la température et la pollinisation (flux à l’échelle locale). Les résultats ont été analysés pour différents types d’utilisation du sol. De manière générale, la diminution de la résolution a entraîné une diminution de la proportion d’espaces verts dans la carte de CT, et par conséquent une diminution de la quantité de SE calculée. Pour les flux de SE à l’échelle locale, l’effet dépendait également des changements dans la configuration spatiale de l’apport potentiel par rapport à la demande en SE. L’ampleur de l’effet variait en fonction du type d’utilisation du sol, mais également entre les zones d’analyse du même type, alors qu’il était sensible à la structure du paysage. Ces résultats invitent à considérer l’effet de la résolution spatiale lors de la cartographie des SE urbains, en particulier pour les flux de SE à l’échelle locale. L’utilisation de données à haute résolution spatiale est recommandée pour cartographier adéquatement les SE rendus par les petits espaces verts dispersés au sein du tissu urbain. / Urban ecosystem services (ES) mapping is attracting a growing interest. However, the diversity of methods and data used can produce divergent results. In particular, estimating the effect of land cover (LC) data spatial resolution on mapping spatial flows of ES from greenspaces to beneficiaries remains a challenge. This study aimed to characterize this effect, in order to improve our ability to predict its magnitude for ES flows produced at different spatial scales. A high spatial resolution (1 m) LC map covering the territory of the city of Laval was acquired, and then aggregated to coarser resolutions of 3, 5, 10 and 15 m. Using these LC maps as input data, three ES were mapped: carbon storage (a global-flow ES), cooling and pollination (two local-flow ES). Results were analyzed for different land use types. Greenspaces cover was generally underestimated at a coarser spatial resolution, leading to an underestimation of calculated ES quantity. For local-flow ES, the effect of LC resolution also depended on changes in the spatial configuration of ES potential supply relative to ES demand. The magnitude of the effect varied between the different land use types, but also between different zones of analysis corresponding to the same land use type, as the effect was sensitive to the local landscape structure. These results demonstrate the importance of considering the effect of LC data spatial resolution when mapping urban ES, especially for local-flow ES. Using high spatial resolution LC data is recommended to adequately map the ES provided by the small greenspaces scattered through the urban fabric.

Cette thèse porte sur le développement d'outils permettant le recalage d'images d'une surface déformable et la reconstruction tridimensionnelle de surfaces déformables à partir d'images prises par une seule caméra. Les surfaces que nous souhaitons traiter sont typiquement un visage ou une feuille de papier. Ces problématiques sont mal posées lorsque seule l'information présente dans les images est exploitée. Des informations a priori sur les déformations physiquement admissibles de la surface observée doivent être définies. Elles diffèrent en fonction du problème étudié. Par exemple, pour une feuille de papier, la courbure Gaussienne évaluée en chacun de ces points est nulle, cette propriété n'est pas valide pour un visage. Les applications visées sont l'insertion réaliste de logo 2D, de texte et aussi d'objets virtuels 3D dans des vidéos présentant une surface déformable. La première partie de cette thèse est consacrée au recalage d'images par modèles déformables. Après avoir brièvement introduit les notions de base sur les fonctions de déformation et sur leur estimation à partir de données images, nous donnons deux contributions. La première est un algorithme de recalage d'images d'une surface déformable, qui est efficace en terme de temps de calcul. Nous proposons une paramétrisation par primitives des fonctions de déformation permettant alors leur estimation par des algorithmes compositionnels habituellement réservés aux transformations formant un groupe. La deuxième contribution est la modélisation explicite des auto-occultations, en imposant la contraction de la fonction de déformation le long de la frontière d'auto-occultation. La deuxième partie de cette thèse aborde le problème de la reconstruction tridimensionnelle monoculaire de surfaces déformables. Nous nous basons sur le modèle de faible rang : les déformations sont approximées par une combinaison linéaire de modes de déformation inconnus. Nous supposons que ces derniers sont ordonnés par importance en terme d'amplitude de déformation capturée dans les images. Il en résulte une estimation hiérarchique des modes, facilitant l'emploi d'un modèle de caméra perspectif, la sélection automatique du nombre de modes et réduisant certaines ambiguïtés inhérentes au modèle. Nous explorons finalement la capture des déformations d'une surface peu texturée à partir de données issues d'un capteur 3D. L'information présente au niveau des contours de la surface est notamment utilisée. Nous avons implanté les différentes contributions décrites ci-dessous. Elles sont testées et comparées à l'état de l'art sur des données réelles et synthétiques. Les résultats sont présentés tout au long du tapuscrit.