Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous proposons deux méthodes pour calculer le spectre des ondes de cisaillement dans les cristaux phononiques (CP) 1D et 2D. Commençant notre étude par les CP 1D, nous développons la méthode des impédances scalaires pour la couche sur le substrat 1D.Le focus principal de ce travail est sur les CP 2D : en particulier, on considère la couche sur le substrat 2D, la plaque à conditions libres 2D et la couche entre les deux substrats 2D. Comme la matrice propagateur M à travers la cellule unitaire obtenue via l’expansion des ondes planes dans une coordonnée peut avoir des composants très grandes, notre approche consiste à la substituer par sa résolvante R= (zI−M)−1qui est numériquement stable (où z est un nombre complexe hors des pecM). Deux autres outils centraux définis par la résolvante, le projecteur spectral P de t propagateur Md pour les ondes évanescentes, entrent en jeu pour le cas des CP avec un substrat. La méthode de la résolvante, fournissant les équations de dispersion et du champ d’ondes en termes de R,P de tMd, a de multiples avantages. Elle est d’une bonne précision grâce à la solution exacte dans une coordonnée, efficace grâce à la réduction du problème à une seule cellule unitaire, même pour un substrat semi-infini, et polyvalente, puisque applicable pour les structures uniformes ou périodiques à 1D ou 2D. De plus, la méthode peut être généralisée aux CP à 3D et aux ondes vectorielles.Dans les exemples numériques, nous calculons les bandes d’arrêt de basse fréquence et les comparons avec les profils de symétrie axiale et les profils perturbées. / We propose two methods for calculating the shear waves spectra in 1D and 2D phononiccrystal (PC) wave guides. Starting this study with 1D PC, we consider the 1D-periodic coated substrate. Here we develop scalar impedance method providing efficient means for analysis and calculation of dispersion spectrum. The main focus of our work in on the 2D PC’s: the 2D PC layer on a substrate, the freePC plate and the PC plate sandwiched between two substrates.Since the propagator Mover a unit cell approximated by Fourier harmonics in one coordinate can have very large components, we introduce its resolvent R= (zI−M)−1(z is a complex number outside of specM) as a numerically stable substitute. Another two key tools given in terms of there solvent, a spectral projector Pd and propagator Md for the decreasing modes, come intoplay in the case of a wave guide with a substrate. The resolvent method providing simple dispersion and wave field equations in termsof R,Pd and Md has several advantages. It is of a good precision due to the exact solution in one direction, computationally cheap due to the reduction of the problem to one unitcell even in a semi-infinite substrate, and versatile since it is applicable to uniform, 1D- or 2D-periodic structures. More over, it is extendible to P/SVwaves and 3D PC.In numerical examples, we model low-frequency band gaps and compare them for the mirror-symmetric and perturbed profiles.

L'utilisation d'un projecteur dans différentes applications et environnements soulève la nécessité d'adapter et de contrôler l'image affichée en fonction des conditions d'affichage. L'image affichée par exemple dans un environnement éclairé peut apparaître avec des couleurs saturées et un contraste atténué. De même, son apparence peut être affectée par la réflectance et la géométrie de l'écran sur lequel l'image est projetée. Dans ce mémoire, nous proposons une approche pour contrôler l'apparence de l'image affichée par la modélisation des différents facteurs affectants son affichage. Cette approche est basée sur le modèle de formation de l'image perçue et la constance de couleur entre les images observées. L'approche proposée unifie la compensation des effets de la lumière ambiante et de la réflectance de l'écran. Nous argumentons que le modèle proposé est plus général que certains modèles de compensation utilisés pour la constance de couleurs. L'approche proposée estime l'illuminant de l'environnement d'affichage et l'illuminant cible, la réflectance de l'écran utilisé ainsi que la réflectance de l'écran cible. Une opération complémentaire pour la compensation de contraste est dérivée de la loi de Weber. Cette compensation permet d'adapter le contraste de l'image affichée conformément à l'intensité de la lumière ambiante. L'approche proposée est vérifiée expérimentalement dans des environnements éclairés et en utilisant des écrans non blancs. Elle permet de camoufler l'effet de l'écran utilisé dans l'affichage et de simuler les effets d'autres écrans cibles. Notre approche peut être utile dans certains domaines tels que le camouflage et la simulation pour des applications d'art visuel et performatif.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet national nommé SRDViand dont le but fut de développer un système robotisé pour le désossage et la découpe des animaux de boucherie. Afin de déterminer les trajectoires de découpe de manière intelligente, un système de lumière structurée a été développé. Il se réfère à des systèmes de vision qui utilisent des modèles de projection de lumière pour des tâches de reconstruction 3D. Afin d'obtenir les meilleurs résultats, la définition d'une nouvelle méthode d'étalonnage pour les systèmes de lumière structurée a été établie. Basé sur un large état de l'art et également sur la proposition d'une classification de ces méthodes, il a été proposé d'étalonner une paire caméra projecteur en utilisant l'asservissement visuel. La validité et les résultats de cette méthode ont été éprouvés sur la base de nombreux tests expérimentaux menés dans le cadre du projet SRDViand. Suite à l'élaboration de cette méthode, un prototype permettant la découpe des bovins a été réalisé. / This thesis is part of a national project named SRDViand whose aim was to develop a robotic system for the deboning and cutting of animals meat. To determine the cut paths, a structured light system has been developed. It refers to vision systems that use light projection models for 3D reconstruction tasks. To achieve best results, the definition of a new calibration method for structured light systems was established . Based on a large state of the art and also with a proposed classification of these methods, it has been proposed to calibrate a camera projector pair using visual servoing . The validity and the results of this method were tested on the basis of numerous experimental tests conducted under the SRDViand project. Following the development of this method, a prototype bovine cutting was performed .

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse s'intéresse à trois problèmes fondamentaux de la vision par ordinateur qui sont le suivi vidéo, le calibrage et la reconstruction 3D. Les approches proposées sont strictement basées sur des contraintes photométriques et géométriques présentent dans des images 2D. Le suivi de mouvement se fait généralement dans un flux vidéo et consiste à suivre un objet d'intérêt identifié par l'usager. Nous reprenons une des méthodes les plus robustes à cet effet et l'améliorons de sorte à prendre en charge, en plus de ses translations, les rotations qu'effectue l'objet d'intérêt. Par la suite nous nous attelons au calibrage de caméras; un autre problème fondamental en vision. Il s'agit là, d'estimer des paramètres intrinsèques qui décrivent la projection d'entités 3D dans une image plane. Plus précisément, nous proposons des algorithmes de calibrage plan pour les caméras linéaires (pushbroom) et les vidéo projecteurs lesquels étaient, jusque là, calibrés de fa¸con laborieuse. Le troisième volet de cette thèse sera consacré à la reconstruction 3D par ombres projetée. À moins de connaissance à priori sur le contenu de la scène, cette technique est intrinsèquement ambigüe. Nous proposons une méthode pour réduire cette ambiguïté en exploitant le fait que les spots de lumières sont souvent visibles dans la caméra.

Mes travaux de recherche concernent essentiellement la vision par ordinateur, ou vision artificielle. Basiquement, je me suis efforcé d'imaginer des dispositifs, d'étudier des algorithmes, d'intégrer des méthodes et techniques connues dans des méthodologies nouvelles, de développer çà et là des aspects théoriques originaux. Je me suis beaucoup intéressé à des systèmes de vision alternatifs comme les systèmes en lumière structurée ou catadioptriques. Ces systèmes permettent d'étudier les techniques usuelles de vision par ordinateur sous un éclairage différent, ils nous obligent à ajuster le problème aux caractéristiques qui leur sont propres ; ils permettent, en quelque sorte, d'appréhender la vision par ordinateur "de biais". J'ai participé, de manière plus marginale, à des travaux sur la chirurgie virtuelle et la reconstruction d'objets transparents qui, chacun à leur manière, sont venus compléter le cadre de ce que sont mes activités de recherche. Ce qui les ont animées tient en une phrase : comment passer d'une image à sa représentation tridimensionnelle ? - et en corollaire : quelles sont les informa- tions dont j'ai besoin pour y parvenir ? comment adapter le capteur, le principe ou la méthode à l'application et comment adapter les traitements au capteur ? Ceci m'a conduit à étudier, en amont, le traitement des images et à m'aventurer parfois dans des domaines qui vont au-delà de mon champ de compétence, comme celui de l'imagerie polarimétrique ou de la physique.

La prise en compte et la correction des effets induits dans les images par les détecteurs du plan focal (CCD) a été identifié comme étant un point essentiel pour remplir les objectifs scientifiques de la collaboration LSST- Dark Energy Science Collaboration. Le groupe de travail SAWG a été crée, et des bancs optique ont été mis à contribution dans certains laboratoires de la collaboration (UC Davis, SLAC, BNL et LPNHE) afin d'adresser le problème. LSST fait partie d'une nouvelle catégorie de télescopes : les grands plans focaux. Depuis une dizaine d'années que ceux-ci sont équipés de CCD à haute résistivité, un certain nombre de nouveaux effets ont été identifiés. Une attention toute particulière est portée sur la compréhension des distorsions électrostatiques inhérentes aux propriétés du CCD qui ont un impact sur les mesures de science. Le travail de cette thèse est centré sur l'étude de l'effet brighter-fatter et des tree-rings. Il a été démontré qu'avec certains types d'illuminations, il était possible de caractériser ces effets avec précision. C'est dans le but de produire ces illuminations qu'un projecteur de franges a été développé sur le banc optique du LPNHE. Dans ce document sont ainsi présentés : une nouvelle méthode de caractérisation des tree- rings testée sur des simulations ; une nouvelle méthode de mesure de l'effet brighter-fatter basée sur la projection de profils de Ronchi ; une étude complète des différentes propriétés de l'effet brighter-fatter dans laquelle a été mis en place un modèle électrostatique simplifié. Enfin, l'efficacité d'une méthode de correction, dite de descrambling est évaluée. / The removal of the sensor signature in the science images has been identified by the LSST Dark Energy Science Collaboration as a mandatory path to fullfill its scientific goals. The SAWG working group has been put together to perform this task for the collaboration. It has access to optical benches in some of the laboratories of the collaboration (UC Davis, SLAC, BNL and LPNHE) for this purpose. LSST belongs to a new category of telescopes equiped with large focal planes. For the decade that they have been equipped with thick, high resistivity Charge Coupled Devices (CCD), new effects have been identified. A particular attention is given to the understanding of the electrostatic distortions that are inherent to the CCD properties. These electrostatic distortions have an impact on science measurements. My PhD work is centered on the study of the brighter-fatter effect and the tree-rings. It has been shown that with different kind of illuminations, it was possible to accurately characterize these effects. A fringe projector has been developed on the optical bench of the LPNHE in order to produce these particular illuminations. In this document, we present : a new method, tested on simulations, to characterize the tree-rings; a new method to measure the brighter-fatter effect based on the projection of Ronchi profiles; a complete study of the different properties of the brighter-fatter effect, where we developped a simplified electrostatic model. Finally, the efficiency of a correction method, called descrambling, is evaluated.

La Réalité Augmentée Spatiale (SAR) vise à superposer spatialement l'information virtuelle sur des objets physiques. Au cours des dernières décennies ce domaine a connu une grande expansion et est utilisé dans divers domaines, tels que la médecine, le prototypage, le divertissement etc. Cependant, pour obtenir des projections de bonne qualité, on doit résoudre plusieurs problèmes, dont les plus importants sont la gamme de couleurs réduite du projecteur, la lumière ambiante, la couleur du fond, et la configuration arbitraire de la surface de projection dans la scène. Ces facteurs entraînent des distorsions dans les images qui requièrent des processus de compensation complémentaires.Les projections intelligentes (smart projections) sont au cœur des applications de SAR. Composées d'un dispositif de projection et d'un dispositif d'acquisition, elles contrôlent l'aspect de la projection et effectuent des corrections à la volée pour compenser les distorsions. Bien que les méthodes actives de Lumière Structurée aient été utilisées classiquement pour résoudre ces problèmes de compensation géométrique, cette thèse propose une nouvelle approche non intrusive pour la compensation géométrique de plusieurs surfaces planes et pour la reconnaissance des objets en SAR s'appuyant uniquement sur la capture du contenu projeté.Premièrement, cette thèse étude l'usage de l'invariance couleur pour améliorer la qualité de la mise en correspondance entre primitives dans une configuration d'acquisition des images vidéoprojetées. Nous comparons la performance de la plupart des méthodes de l'état de l'art avec celle du descripteur proposé basé sur l'égalisation d'histogramme. Deuxièmement, pour mieux traiter les conditions standard des systèmes projecteur-caméra, deux ensembles de données de captures de projections réelles, ont été spécialement préparés à des fins expérimentales. La performance de tous les algorithmes considérés est analysée de façon approfondie et des propositions de recommandations sont faites sur le choix des algorithmes les mieux adaptés en fonction des conditions expérimentales (paramètres image, disposition spatiale, couleur du fond...). Troisièmement, nous considérons le problème d'ajustement multi-surface pour compenser des distorsions d'homographie dans les images acquises. Une combinaison de mise en correspondance entre les primitives et de Flux Optique est proposée afin d'obtenir une compensation géométrique plus rapide. Quatrièmement, une nouvelle application en reconnaissance d'objet à partir de captures d'images vidéo-projetées est mise en œuvre. Finalement, une implémentation GPU temps réel des algorithmes considérés ouvre des pistes pour la compensation géométrique non intrusive en SAR basée sur la mise en correspondances entre primitives. / Spatial Augmented Reality (SAR) aims at spatially superposing virtual information on real-world objects. Over the last decades, it has gained a lot of success and been used in manifold applications in various domains, such as medicine, prototyping, entertainment etc. However, to obtain projections of a good quality one has to deal with multiple problems, among them the most important are the limited projector output gamut, ambient illumination, color background, and arbitrary geometric surface configurations of the projection scene. These factors result in image distortions which require additional compensation steps.Smart-projections are at the core of PAR applications. Equipped with a projection and acquisitions devices, they control the projection appearance and introduce corrections on the fly to compensate distortions. Although active structured-light techniques have been so far the de-facto method to address such problems, this PhD thesis addresses a relatively new unintrusive content-based approach for geometric compensation of multiple planar surfaces and for object recognition in SAR.Firstly, this thesis investigates the use of color-invariance for feature matching quality enhancement in projection-acquisition scenarios. The performance of most state-of-the art methods are studied along with the proposed local histogram equalization-based descriptor. Secondly, to better address the typical conditions encountered when using a projector-camera system, two datasets of real-world projections were specially prepared for experimental purposes. Through a series of evaluation frameworks, the performance of all considered algorithms is thoroughly analyzed, providing several inferences on that which algorithms are more appropriate in each condition. Thirdly, this PhD work addresses the problem of multiple-surface fitting used to compensate different homography distortions in acquired images. A combination of feature matching and Optical Flow tracking is proposed in order to achieve a more low-weight geometric compensation. Fourthly, an example of new application to object recognition from acquired projections is showed. Finally, a real-time implementation of considered methods on GPU shows prospects for the unintrusive feature matching-based geometric compensation in SAR applications.

Cette thèse développe de nouvelles approches pour l'effacement et la révélation de la présence humaine en utilisant des techniques de réalité augmentée. Elle se concentre sur les systèmes projecteur-caméra (ProCams) et leur application dans les «projections intelligentes», où le contenu virtuel projeté est adapté en fonction de l'environnement. Nous nous appuyons sur les travaux antérieurs sur la compensation photométrique pour projeter sur une surface colorée fixe qui permet au spectateur d'observer la même image telle qu'elle apparaîtrait sur une surface blanche. Malgré les différentes méthodes de compensation des couleurs qui ont été proposées au cours de décennie, la compensation appliquée à monde réel avec des couleurs saturées et vives est encore une question ouverte. L'objectif principal de ce travail est la compensation photométrique sur un objet 3D en mouvement en utilisant un ProCam, ce qui est un scénario considérablement plus difficile. Une nouvelle méthode pour la compensation de couleur à l'aide d'une image d'entrée unique est proposée. Elle consiste à estimer la réflectance spectrale de la surface afin de compenser celle-ci en supposant que les réponses du projecteur sont connues ou mesurées précédemment. Cette méthode a été entièrement développée sur GPU pour permettre une compensation en temps réel. Les méthodes antérieures sur la compensation couleur sont discutées et comparées afin d'évaluer la performance de notre technique. L'étalonnage photométrique et géométrique précis d'un ProCam est essentiel pour une compensation précise. Une nouvelle technique de calibration géométrique entre un capteur de profondeur et un ProCam est présentée dans le but de réaliser la projection sur un objet en mouvement. Une calibration photométrique est décrite pour la transformation des valeurs RGB de la caméra et du projecteur (dépendantes du périphérique) vers l'espace couleur CIE XYZ 1931 (indépendantes du périphérique). Le potentiel artistique des techniques de réalité augmentée proposées est en outre exploré à travers l'installation interactive artistique “Gardien du Temple”. La révélation et l'effacement ont toujours été un terrain d'expérimentation commun aux artistes et aux scientifiques. Cette installation audiovisuelle utilise la réalité augmentée pour effacer la présence d'un poème écrit sur un tapis invitant le spectateur à le révéler. Dans de telles applications, la précision et la robustesse des méthodes utilisées sont cruciales. Cette installation artistique a donc permis de tester et d'évaluer les travaux de cette thèse dans un contexte collaboratif et exigeant. / This thesis develops new approaches for human presence concealment and revelation using augmented reality techniques. It focuses on projector-camera systems (ProCams) and their application in “smart projections”, where the projected virtual content is adapted according to the environment. One previously-studied problem is the photometric compensation for projecting on a colored fixed surface that allows the viewer to observe the same image as it would appear on a white surface. Despite the various methods for color compensation that have been proposed the last decade, compensation on a real-world surface with saturated colors and sharp color boundaries is still an open issue. The main objective of this work is the color compensation on a moving 3D object using a ProCam, which is a dramatically more challenging scenario. A novel method for color compensation using a single input frame is proposed. It consists in estimating the spectral reflectance of the surface in order to compensate for it under the assumption that the projector responses are known or previously measured. This method was fully developed on GPU to enable real-time compensation. Previous methods on color compensation are discussed and compared in order to evaluate the performance of our technique. The accurate photometric and geometric calibration of a ProCam is essential for precise compensation. A new geometric calibration technique between a depth sensor and a ProCam is presented in order to make the projection on a moving object feasible. A photometric calibration is described for the transformation of the device-dependent camera and projector values to the device-independent CIE XYZ 1931 color space. The artistic potential of the proposed augmented reality techniques is further explored through the interactive art installation “Gardien du Temple”. Revelation and concealment has always been a common experimentation ground for both artists and scientists. This audio visual installation uses augmented reality to hide the presence of a written poem on a carpet inviting the spectator to reveal it. In such applications, the accuracy and robust performance of the methods employed is crucial and, thus, it offered a challenging ground for testing and evaluation.