Cette thèse traite du problème de la localisation et de l’estimation du mouvement de rotation dans le contexte de l’analyse d’images sphériques. Plus précisément, le but de ce manuscrit est le développement d’algorithmes génériques d’estimation de la rotation 3D entre les images issues de caméras monoculaires conventionnelles et non-conventionnelles (catadioptrique, fisheye, ... ). Les contributions principales de la thèse reposent sur l’exploitation de la riche information d’intensité lumineuse dans l’image, notamment omnidirectionnelle, pour accomplir l’estimation des rotations 3D, y compris les larges. Une première contribution de la thèse est la proposition d’une nouvelle représentation de l’intensité lumineuse de l’image sous forme d’un objet 3D de topologie sphérique. Le calcul de coefficients de la transformée en harmoniques sphériques directement à partir du maillage de l’objet, est accompagné de la décomposition SVD, permettant d’estimer la rotation qui lie les deux images. La deuxième contribution de la thèse est une solution analytique d’estimation de la rotation reposant sur une stratégie dense et indirecte de capture de l’intensité lumineuse de l’image, par le biais de moments photométriques sphériques. Le formalisme théorique établi vise à définir une modélisation analytique de la matrice d’interaction relative aux moments photométriques. En utilisant les propriétés de cette solution, nous proposons trois approches de l’estimation de la rotation 3Dentre deux images sphériques. L’étude de performances menée montrent que nos approches permettant d’estimer efficacement la rotation 3Dde l’image sphérique. Pour finir, plusieurs scénarios d’expérimentations sont proposés et effectués. Ces derniers incluent les environnements intérieurs et extérieurs. / This thesis deals with the problem of location and motion estimation in the context of spherical image analysis. More specifically, the purpose of this manuscript is the development of generic algorithms for estimating 3D rotation between images captured by conventional and non-conventional (catadioptric, fisheye, ...) monocular camera. The main contributions of the thesis are based on the exploitation of the rich intensity information available in the image, notably omnidirectional, to accomplish the estimation of the 3D rotation, including the large ones. A first contribution is to propose a new representation for image intensity as a 3D object of spherical topology. The coefficients of the spherical harmonics transform computation, directly from the object mesh, is accompanied by the SVD decomposition, allowing to estimate the rotation which links the two images. The second contribution of the thesis is a closed form solution for estimating the rotation based on a dense and indirect strategy of perceiving the image intensity, which may be achieved by spherical photometric moments. The established theoretical formalism opts to define an analytical modeling of the interaction matrix relative to the photometric moments. Using the properties of this solution, we propose three approaches to estimate the 3D rotation between two spherical images. The conducted performance study show that our approaches allow to efficiently determine 3D rotation of the spherical image. Finally, several experimental scenarios are proposed and evaluated. This included the indoor and outdoor environments.