Ce mémoire présente l’utilisation d’une caméra plénoptique comme détecteur d’un interféromètre à transformée de Fourier. Des algorithmes d’acquisition, de variation numérique du foyer et de télémétrie ont été développées pour le traitement des données de deux montages. Un interféromètre fixe a été utilisé pour étudier l’interaction entre les franges d’interférence dues au désalignement de l’instrument et une caméra plénoptique. Un interféromètre à transformée de Fourier a ensuite été utilisé pour obtenir des mesures télémétriques d’une scène en transmission et en réflexion dans différentes bandes spectrales. Une estimation de distance à pu être obtenue à partir de chaque bande spectrale. / This master thesis present the usage of a light field camera as a detector for a Fourier transform interferometer. An algorithm for data acquisition, numerical refocus and ranging has been develloped to process the data from two experimental setups. A fixed interferometer has been used to study the interaction between misalignement fringes from the instrument and the light field camera. A Fourier transform interferometer was then used to obtain hyperspectral ranging data from a transmissive and reflective scene. It was possible to obtain a distance estimation in each spectral band.

Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation. / Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.

La présente thèse propose un algorithme de segmentation de bas niveau pour des environnements complexes, allant de scènes intérieures peuplées aux scènes extérieures dynamiques. Basé sur des méthodes d'apprentissage développées pour une séquence vidéo où la caméra est fixe, le système est en mesure d'identifier les sections de l'image appartenant aux objets ou personnes d'avant-plan et ce, en dépit de perturbations temporelles de l'image de l'arrière-plan causées par les ombres, éléments naturels, changements d'illumination, etc. Nous proposons un cadre statistique d'estimation de densité de probabilité basé sur des kernels (KDE). Méthode polyvalente, les KDE requièrent toutefois des séquences d'entraînement où l'activité de l'avant-plan est minimale afin d'obtenir une bonne description initiale de la distribution de l'arrière-plan. Afin d'augmenter la flexibilité de ce type d'approche, nous exploitons la cohérence spatiale des événements d'avant-plan : en minimisant une fonction d'énergie globale par coupure de graphe, nous estimons les probabilités à priori et les densités associées à l'avant et l'arrière-plan pour chaque pixel de la scène. Pour y arriver, des indices tels la dispersion des données, la probabilité associée aux modes dans l'espace RGB, la persistance spatiale des événements et l'entropie relative des régions dans l'image sont utilisés dans un cadre statistique cohérent. Les ombres projetées qui sont détectées lors du processus de soustraction d'arrière-plan induisent des perturbations, tels la distorsion et la fusion des silhouettes, qui nuisent à la performance générale d'algorithmes de plus haut niveau dans un contexte de surveillance vidéo. Deux stratégies sont alors proposées afin de d'éliminer l'ombre projetée de la région d'intérêt. La première méthode utilise la capacité d'apprentissage de l'algorithme de Mixtures de Gaussiennes (GMM) dans le but de caractériser le comportement des ombres projetées sur les surfaces composant l'arrière-plan. La deuxième méthode s'appuie sur les propriétés physiques de l'ombre projetée et d'une mesure de gradient dans un cadre statistique non paramétrique afin d'estimer les valeurs d'atténuation des surfaces ombragées. La méthode permet la différenciation des ombres et de l'avant-plan lorsque ceux-ci partagent des valeurs de chromaticité similaire. Les résultats démontrent que notre approche est efficace dans une multitude de scénarios complexes.

Ce mémoire couvre le développement d'une interface bimanuelle pour IMAGE v2, une application de simulation visuelle interactive aidant à la compréhension de situations complexes. Cette interface est centrée sur l'utilisateur et est développée principalement pour les environnements immersifs, environnements dans lesquels IMAGE v2 doit être déployé. Il s'agit d'une interface gestuelle, car l'utilisateur devra interagir avec les objets de l'application à l'aide de ses mains. Deux variantes de l'interface ont été implémentées, l'une requérant l'utilisation d'une seule main et l'autre permettant d'utiliser les deux mains. Ces deux variantes ont été comparées dans une étude sur un groupe d'utilisateurs qui devaient exécuter une série de tâches avec chaque variante de l'interface, le temps étant mesuré. L'étude a montré que l'interface bimanuelle augmente significativement la performance et la précision des utilisateurs. / This thesis covers the conception of a bimanual interface for IMAGE v2, an application of visual interactive simulation aiming to help in understanding complex situations. This interface is user-centric and is developed principally for virtual immersive environments, environments in which IMAGE v2 is to be used. It is a gestural interface because users will interact with the application by using their hands. Two variants of the interface have been implemented, the first requiring the user to use only one hand and the other allowing the use of both hands. Those two variants were compared in a study on a group of users who executed a series of tasks with each variant of the interface, time being measured. This study showed that the bimanual interface increased significantly the performance and precision of the users.

La plupart des systèmes de surveillance vidéo que l’on retrouve actuellement sur le marché utilisent uniquement la région visible du spectre électromagnétique. De plus, les solutions proposées à ce jour afin de suivre automatiquement les objets en mouvement dans une scène sont souvent trop exigeantes numériquement pour pourvoir être effectuées en temps réel et présentent une dégradation significative des performances en environnement extérieur. L’objectif de cette thèse est d’exploiter la combinaison d’informations thermique et visible afin d’améliorer l’efficacité de détection et de suivi d’objets d’intérêt en environnement non contrôlé. Dans le cadre de ce projet, un seul nœud d’acquisition fixe est considéré. Un nœud est constitué d’une caméra thermique LWIR (8 - 12 m) et d’une caméra visible couleur. Trois défis techniques majeurs sont abordés : le développement d’une plateforme d’acquisition thermique / visible optimisée pour les applications de surveillance vidéo en environnement extérieur, la segmentation, en temps réel, d’objets en mouvement en environnement non contrôlé, et finalement, la combinaison de l’information thermique et couleur. Un intérêt soutenu est porté à la rapidité d’exécution afin d’atteindre une vitesse de traitement minimale de 10 trames par secondes. Il importe de mentionner que cette thèse a principalement été orientée selon les besoins du programme de Vision de l’INO, conférant ainsi un caractère très pratique et concret à la recherche. De ce fait, les algorithmes développés ont été continuellement testés et améliorés dans le cadre d'applications réelles. Les éléments relatifs à la mise en correspondance d'images thermique et visible ont permis le développement et la fabrication de le caméra VIRXCam, un produit offert par l'INO. Les algorithmes de détection constituent pour leur part le cœur du logiciel de surveillance vidéo AWARE, déjà utilisé depuis 2007 par un partenaire de l'INO s'intéressant au positionnement des objets en mouvement sur les pistes, voies de circulation et aires de stationnement d'aéroports. Cette thèse constitue un recueil très complet des éléments à considérer lors du développement d’une plateforme de vidéo surveillance en environnement extérieur. Tant les aspects matériels que logiciels sont traités. Nous espérons qu’elle constituera un ouvrage de référence pour les personnes qui s’intéressent au développement d’algorithmes temps réel pour des applications de détection de cibles en environnement non-contrôlé ou à la conception d’un capteur hybride thermique / visible. / Most existing video monitoring systems only use the visible range of the electromagnetic spectrum. Moreover, approaches proposed until now for automated target detection and tracking are often too computationally expensive for real-time applications and suffer significant performance degradation in outdoor environment. The purpose of this thesis is to make the most of thermal and visible information in order to improve efficiency of detection and tracking of moving target in uncontrolled environment. Within the framework of this project, only one motionless acquisition node is considered. A node includes a LWIR thermal camera (8 - 12 m) and a color electro-optical camera. Three main technical challenges are tackled: development of an hybrid thermal / visible acquisition platform optimized for video monitoring applications in outdoor environment, segmentation of moving targets in uncontrolled environment, and finally, combination of thermal and color information. For every aspect, special attention is addressed to computational efficiency to reach a minimum processing rate of 10 frames per second. It is worth to mention that this thesis has mainly been oriented along needs of INO's Vision program, conferring a very concrete and practical aspect to the research. Hence, developed algorithms have been continually assessed and improved in the context of real applications. Notions related to thermal / visible images registration have lead to development and manufacturing of the INO's VIRXCam camera, while detection algorithms are the grounding elements of INO's AWARE video monitoring library, used since 2007 by an INO's partner interested in positioning of moving targets on airport aprons, taxiways and runways. This thesis regroups most notions to be considered in the development of an outdoor video monitoring system. Both hardware and software aspects are addressed. We hope that this document will be used as a work of reference for those interested in the development of algorithms devoted to real-time detection of moving targets in uncontrolled environment, or interested in the design of hybrid thermal/electro-optical acquisition platform.

Dans un contexte de développement durable où les impacts sur les infrastructures doivent être fréquemment évalués, des procédures efficaces de contrôle et d’intervention sont requises. Bien que les solutions de réalité augmentée mobiles (RAM) présentent un fort potentiel pour améliorer l'efficacité d'intervention sur site par les professionnels, notamment dans le cas d’infrastructures souterraines, cette technologie n’est pas encore suffisamment mature pour permettre de telles applications. Reposant sur des principes similaires à la RAM, la simulation située propose une représentation virtuelle 3D congruente avec la réalité. L’immersion y est moins importante mais les interactions avec l’environnement 3D plus nombreuses. Le présent travail de recherche porte sur la conception et le développement d’une application de simulation située. Il aborde notamment les défis relatifs à la modélisation 3D d’environnement et à l’intégration de données géospatiales dans des moteurs de jeux vidéo. / In a context of sustainable development in which impacts on infrastructure should be assessed frequently, effective procedures for monitoring and intervention are required. Although mobile augmented reality (MAR) solutions have a great potential to improve the on-site efficiency for professionals, particularly in the case of underground infrastructures, this technology is not yet mature enough to allow such applications. Based on principles similar to MAR, situated simulation offers a virtual 3D representation congruent with reality. In situated simulation, the immersion is less important, but there are more interactions possible with 3D environment. This work focuses on the design and development of a situated simulation application. It tackles the particular challenges related to 3D modeling of the environment and integration of geospatial data in video game engines.

Ce mémoire est divisé en (Unix parties indépendantes. La première; propose un nouvel algorithme de filtrage médian, lequel est une pierre; angulaire dans plusieurs situations de traitement d'image. Cependant, son utilisation a souvent été entravée; par sa complexité algorithmique de 0(r) selon le rayon de la fenêtre. Avec la tendance; vers des images de; meilleure résolution et des fenêtres de filtre proportionnellement plus larges, le besoin pour un algorithme de filtrage médian efficient devient pressant. Dans ce mémoire, un nouvel algorithme, simple mais bien plus rapide, affichant une complexité en temps d'exécution de O(l), est décrit et analysé. Sa performance est mesurée et comparée à celle des algorithmes précédents. Des extensions vers des données de plus haute dimensionnalité ou précision, ainsi qu'une approximation de fenêtre circulaire, sont aussi présentées. Dans la seconde partie, un système de modélisation de l'apparence d'objets est présenté. Il consiste en un robot à câbles déplaçant un appareil photo numérique autour du sujet en en prenant un grand nombre de photos. Le traitement informatique subséquent doit accomplir trois grandes tâches : segmentation, positionnement 3-D des photos et reconstruction de l'enveloppe visuelle de l'objet. Dans ce mémoire, les algorithmes impliqués sont analysés, critiqués et des améliorations sont proposées. En particulier, des algorithmes efficients pour le calcul d'enveloppe visuelle et pour la méthode des K plus proches voisins sont présentés. Le système dans son ensemble est finalement jugé selon les objectifs de conception préétablis et des recommandations sont faites afin d'en améliorer les performances. / This dissertation is divided into two independent parts. The first one proposes a new median filter algorithm. The median filter is one of the basic building blocks in many image processing situations. However, its use has long been hampered by its algorithmic complexity of 0(r) in the kernel radius. With the trend toward larger images and proportionally larger filter kernels, tlu; need for a more efficient median filtering algorithm becomes pressing. In this dissertation, a new, simple yet much faster algorithm exhibiting O(l) runtime complexity is described and analyzed. Tt is compared and benchmarked against previous algorithms. Extensions to higher-dimensional or higher-precision data and an approximation to a circular kernel are presented as well. In the second part, a system for modeling object appearances is presented. It consists in a cable robot moving a digital camera around the subject while taking a high number of photos of it. The ensuing computer processing must accomplish three tasks : segmentation, 3-D positioning of the photos, and reconstruction of the object's visual hull. In this dissertation, the implied algorithms are analyzed, criticized, and improved. In particular, efficient algorithms for Computing the visual hull and for performing the K nearest neighbors method are presented. The system as a whole is finally judged according to the preestablished design objectives and recommendations are made in order to improve its performances.

Ce mémoire présente les comparaisons entre les différentes méthodes de reconstruction "Total Focusing Method" (TFM) et des différents algorithmes modifiés qui utilisent les données obtenues avec la "Full Matrix Capture" (FMC) dans le but d'améliorer certains points clés présents dans les méthodes d'imageries, tel que les problèmes de reconstructions en sous-résolution ou bien des améliorations sur la détection. Les algorithmes conçus sont comparés en analysant les mêmes données pour les différents cas. De ces cas, l'imagerie de défauts isolés et puis ensuite celle d'une séquence de défauts très rapprochée ont été effectuées. Différentes recherches ont été effectuées sur les performances des algorithmes de reconstruction TFM en basse résolution. Ce mémoire montre que tous les types d'algorithmes présentés, soit la TFM standard, la TFM avec enveloppe d'Hilbert, la TFM intégration, la TFM intégration avec enveloppe d'Hilbert, la TFM restreinte en angle, la Migration et la Migration d'Hilbert sont toutes des méthodes valides de post-traitements des données capables d'imager convenablement les défauts présentés. Les différentes méthodes de reconstruction démontrent également des habilitées dépassant celles de la TFM standard dans certains points clés, en ayant seulement quelques points négatifs, tel que les temps de traitement ou bien l'augmentation du bruit de l'image. / This study shows the comparison between standard Total Focusing Method (TFM) and various modified algorithms using the data obtained from the Full Matrix Capture (FMC) in order to improve on some key points present in the aforementioned standard method of imaging, such as sub-resolution problems and improvements on detection. The designed algorithms were compared by processing the same data for different cases. Off those cases, the imaging of isolated defects and then imaging an array of close defects were analyzed. Further work have also been done on the performance of TFM algorithms in low resolution settings. The study has shown that all presented algorithms, which are the standard TFM, the Hilbert envelope TFM, the integration TFM, the Hilbert integration TFM, the angle restricted TFM, the Migration and the Hilbert Migration are all valid image post-processing reconstruction methods able to properly detect the defects presented. The different reconstruction methods used have also shown to outperform the standard TFM in a few key points, while having a few negative points such as the processing time and the increase noise.

La foresterie est une industrie majeure dans plusieurs parties du monde. Elle dépend de l’inventaire forestier, qui consiste en la mesure des attributs des arbres. Dans ce mémoire, nous proposons l’utilisation de la cartographie 3D, basée sur l’algorithme itervative closest point, pour automatiquement mesurer des diamètres d’arbres à partir d’observations d’un robot mobile. Bien que des études précédentes démontraient le potentiel d’une telle technologie, elles présentaient des lacunes en terme de rigueur d’analyse et ne fonctionnaient pas dans des environnements forestiers difficiles. Nous avons validé plusieurs méthodes pour l’estimation de diamètre, dont deux nouvelles, avec un jeu de données nouveau et varié comportant quatre sites forestiers, 11 trajectoires de robot totalisant 1458 observations d’arbre et 1.4 hectares de forêt. De plus, nous faisons des recommendations sur le déploiement de robots mobiles dans un contexte forestier. Nous concluons que notre méthode de cartographie est utilisable dans le contexte de l’inventaire forestier automatisé, avec notre meilleure méthode donnant une erreur quadratique de 3:45 cm pour notre jeu de données en entier et 2:04 cm dans des conditions idéales, c’est-à-dire une forêt mature et espacée. / Forestry is a major industry in many parts of the world. It relies on forest inventory, which consists of measuring tree attributes. In this thesis, we propose the use of 3D mapping, based on the iterative closest point algorithm, to automatically measure tree diameters in forests from mobile robot observations. While previous studies showed the potential for such technology, they lacked a rigorous analysis of diameter estimation methods in challenging forest environments. Here, we validated multiple diameter estimation methods, including two novel ones, in a new varied dataset of four different forest sites, 11 trajectories, totalling 1458 tree observations and 1.4 hectares. We provide recommendations for the deployment of mobile robots in a forestry context. We conclude that our mapping method is usable in the context of automated forest inventory, with our best method yielding a root mean square error of 3:45 cm for our whole dataset, and 2:04 cm in ideal conditions consisting of mature forest with well spaced trees.

Cette thèse présente une approche de segmentation d’images sans supervision pour obtenir une série de silhouettes et l’enveloppe visuelle («Visual Hull») d’un objet observé à partir de plusieurs points de vue. L’approche proposée peut traiter essentiellement n’importe quelles propriétés d’apparence comme la texture, des couleurs similaires d’arrière-plan, la specularité, la transparence et d’autre phénomènes tels que des ombres et des débordements de couleur. Par rapport aux méthodes plus classiques d’extraction de silhouettes sur plusieurs vues, où certaines hypothèses sur l’objet ou la scène sont formulès, nous ne modélisons ni l’arrière-plan ni les propriétés d’apparence de l’objet. La seule hypothèse est la constance de l’arrière-plan considéré comme inconnu pour un point de vue lorsque l’objet bouge. L’idée principale de l’approche est d’estimer l’évolution temporelle de chaque pixel pour obtenir une mesure de stabilité. Celle-ci est utilisée pour construire la fonction de coût d’arrière-plan. Pour faire face aux ombres et aux ombres projetées, un objet est capturé sous différentes conditions d’éclairage. En outre, les informations d’espace, de temps et d’éclairage sont fusionnées et utilisées dans un formalisme de champ aléatoire de Markov et la fonction d’énergie construite est minimisée par «Graph Cuts». Les expérimentations en laboratoire, sous différentes conditions d’éclairage, montrent que l’approche proposée permet la reconstruction robuste de l’enveloppe visuelle pour une grande variété d’objets difficiles tels que les objets en verre (effets de transparence) ou en métal brillant (effets de réflexions spéculaires). / This thesis presents an unsupervised image segmentation approach for obtaining a set of silhouettes along with the Visual Hull of an object observed from multiple viewpoints. The proposed approach can deal with mostly any type of appearance characteristics such as texture, similar background color, shininess, transparency besides other phenomena such as shadows and color bleeding. Compared to more classical methods for silhouette extraction from multiple views, for which certain assumptions are made on the object or scene, neither the background nor the object appearance properties are modeled. The only assumption is the constancy of the unknown background for a given camera viewpoint while the object is under motion. The principal idea of the approach is the estimation of the temporal evolution of each pixel over time which provides a stability measurement and leads to its associated background cost function. In order to cope with shadows and self-shadows, an object is captured under different lighting conditions. Furthermore, the information from the space, time and lighting domains is exploited and merged based on a Markov Random Field framework and the constructed energy function is minimized via graph-cut. Real-data experiments under different lighting condition show that the proposed approach allows for robust Visual Hull reconstruction of a variety of challenging objects such as objects made of shiny metal or glass.