L'accès aux séquences d'images 3D s'est aujourd'hui démocratisé, grâce aux récentes avancées dans le développement des capteurs de profondeur ainsi que des méthodes permettant de manipuler des informations 3D à partir d'images 2D. De ce fait, il y a une attente importante de la part de la communauté scientifique de la vision par ordinateur dans l'intégration de l'information 3D. En effet, des travaux de recherche ont montré que les performances de certaines applications pouvaient être améliorées en intégrant l'information 3D. Cependant, il reste des problèmes à résoudre pour l'analyse et la segmentation de scènes intérieures comme (a) comment l'information 3D peut-elle être exploitée au mieux ? et (b) quelle est la meilleure manière de prendre en compte de manière conjointe les informations couleur et 3D ? Nous abordons ces deux questions dans cette thèse et nous proposons de nouvelles méthodes non supervisées pour la classification d'images 3D et la segmentation prenant en compte de manière conjointe les informations de couleur et de profondeur. A cet effet, nous formulons l'hypothèse que les normales aux surfaces dans les images 3D sont des éléments à prendre en compte pour leur analyse, et leurs distributions sont modélisables à l'aide de lois de mélange. Nous utilisons la méthode dite « Bregman Soft Clustering » afin d'être efficace d'un point de vue calculatoire. De plus, nous étudions plusieurs lois de probabilités permettant de modéliser les distributions de directions : la loi de von Mises-Fisher et la loi de Watson. Les méthodes de classification « basées modèles » proposées sont ensuite validées en utilisant des données de synthèse puis nous montrons leur intérêt pour l'analyse des images 3D (ou de profondeur). Une nouvelle méthode de segmentation d'images couleur et profondeur, appelées aussi images RGB-D, exploitant conjointement la couleur, la position 3D, et la normale locale est alors développée par extension des précédentes méthodes et en introduisant une méthode statistique de fusion de régions « planes » à l'aide d'un graphe. Les résultats montrent que la méthode proposée donne des résultats au moins comparables aux méthodes de l'état de l'art tout en demandant moins de temps de calcul. De plus, elle ouvre des perspectives nouvelles pour la fusion non supervisée des informations de couleur et de géométrie. Nous sommes convaincus que les méthodes proposées dans cette thèse pourront être utilisées pour la classification d'autres types de données comme la parole, les données d'expression en génétique, etc. Elles devraient aussi permettre la réalisation de tâches complexes comme l'analyse conjointe de données contenant des images et de la parole / Access to the 3D images at a reasonable frame rate is widespread now, thanks to the recent advances in low cost depth sensors as well as the efficient methods to compute 3D from 2D images. As a consequence, it is highly demanding to enhance the capability of existing computer vision applications by incorporating 3D information. Indeed, it has been demonstrated in numerous researches that the accuracy of different tasks increases by including 3D information as an additional feature. However, for the task of indoor scene analysis and segmentation, it remains several important issues, such as: (a) how the 3D information itself can be exploited? and (b) what is the best way to fuse color and 3D in an unsupervised manner? In this thesis, we address these issues and propose novel unsupervised methods for 3D image clustering and joint color and depth image segmentation. To this aim, we consider image normals as the prominent feature from 3D image and cluster them with methods based on finite statistical mixture models. We consider Bregman Soft Clustering method to ensure computationally efficient clustering. Moreover, we exploit several probability distributions from directional statistics, such as the von Mises-Fisher distribution and the Watson distribution. By combining these, we propose novel Model Based Clustering methods. We empirically validate these methods using synthetic data and then demonstrate their application for 3D/depth image analysis. Afterward, we extend these methods to segment synchronized 3D and color image, also called RGB-D image. To this aim, first we propose a statistical image generation model for RGB-D image. Then, we propose novel RGB-D segmentation method using a joint color-spatial-axial clustering and a statistical planar region merging method. Results show that, the proposed method is comparable with the state of the art methods and requires less computation time. Moreover, it opens interesting perspectives to fuse color and geometry in an unsupervised manner. We believe that the methods proposed in this thesis are equally applicable and extendable for clustering different types of data, such as speech, gene expressions, etc. Moreover, they can be used for complex tasks, such as joint image-speech data analysis