De nombreux domaines concernant le comportement mécanique des matériaux posent le problème de la mesure des déplacements ou des déformations. Pour ce type de mesure, les méthodes optiques se sont largement imposées en raison de leur caractère non intrusif, de leur grande résolution spatiale, de leur sensibilité élevée, de l'importance du champ examiné à tout instant et des progrès de l'informatique qui permet le traitement automatique d'un grand volume d'information.<br /><br />Dans ce contexte, nous avons développé un système de mesure de formes 3D ou de champs de déplacements 3D par stéréovision (en particulier par stéréo-corrélation).<br /><br />Cette technique permet : (1) la mesure de la forme 3D d'un objet à partir d'une simple paire d'images stéréoscopiques de l'objet, (2) la mesure de champs de déplacements 3D à partir d'au moins 2 paires d'images correspondant à différents instants de déformation de l'objet (en général analyse d'une séquence de paires d'images acquises en cours de déformation).<br /><br />Les points développés dans la thèse sont : le calibrage fort d'une caméra ou d'un capteur de vision stéréoscopique, la reconstruction 3D par stéréovision (en particulier par stéréo-corrélation), la mesure de champs de déplacements 3D à partir du couplage de la stéréo-corrélation et du suivi de pixels dans une séquence d'images par corrélation. Compte tenu de la finalité métrologique de ces travaux, nous accordons une attention toute particulière à la précision des méthodes mises en oeuvre (qualité du calibrage, qualité de la mise en correspondance des images, corrélation subpixel,...).<br /><br />Ces travaux ont été appliqués à l'emboutissage de tôles minces (mesure de formes 3D d'emboutis et mesure de champs de déformations à la surface d'emboutis 3D), à la mise en forme de polymères (mesure de champs de déplacements 3D sur des membranes en élastomère soufflées), et à l'étude du comportement mécanique de bétons réfractaires renforcés de fibres métalliques (mesure de champs de déplacements 3D lors d'essais de traction).

Le projet VERTEX, dans lequel s'inscrivent ces travaux, a pour objectif de valider des modèles composites par essais statiques multi-axiaux sur des éprouvettes à l'échelle des détails structuraux. Le positionnement à cette échelle nécessite de développer de nouveaux outils d'instrumentation et de dialogue essais/calculs, qui sont au cœur de cette thèse. Compte-tenu de la complexité de ce type d'essai, nous nous intéressons ici à la Stéréo Corrélation d'Images Numériques (SCIN) puisqu'elle permet d'accéder à un champ de déplacement 3D à la surface du spécimen. Néanmoins, si l'on s'en tient à des approches classiques, il est difficile de faire une comparaison quantitative entre un champ mesuré et un champ simulé par Éléments Finis (EF). Ainsi dans ce travail, un formalisme est développé pour réaliser une mesure par SCIN dans l'espace physique en se basant sur un modèle EF (calibration de modèles non-linéaires de caméra, mesure de forme EF, mesure de champs EF). Cette méthode donne accès à un champ de déplacement expérimental directement exprimé dans les repère et support EF de la simulation, ce qui simplifie considérablement la validation. Pour valider un modèle à l'échelle des détails structuraux, la question des conditions aux limites est fondamentale. Cette question est d'autant plus complexe que la mesure cinématique se limite à la surface visible. En plus de cette mesure surfacique, il est envisagé ici d'estimer les conditions aux limites dans l'épaisseur en s'appuyant sur un modèle de type plaque/coque (classique ou volumique) et en y accordant plus ou moins de confiance (approches régularisée ou intégrée dans tout ou partie de l'éprouvette). La méthodologie est implémentée dans un logiciel académique et est appliquée sur des essais synthétiques. Une instrumentation adaptée au banc VERTEX a également permis l'analyse des essais réalisés dans le projet. / VERTEX Project, to which this thesis belongs, aims to validate composite models by multi-axial static tests on specimens at the level of structural details. The positioning on this scale requires the development of both new instrumentation techniques and tools for the test/simulation dialogue, which are at the heart of this thesis. Given the complexity of this type of experiments, we focus here on Stereo Digital Image Correlation (SDIC) since it yields 3D displacement fields on the surface of the specimen. However, if we stick to conventional approaches, it is difficult to make quantitative comparisons between a measured field and a Finite Element (FE) simulated field. Thus, in this work, a framework is developed to make a measurement by SDIC in the physical coordinate system based on an FE model (calibration of non-linear camera models , FE shape measurement, FE field measurement). This method gives access to experimental displacement fields directly expressed both in the coordinate system and support of the FE simulation, which considerably simplifies validation. To validate a model at the scale of structural details, the question of boundary conditions is fundamental. This question is even more complex since the kinematic measurement is limited to the visible surface. In addition to this surface measurement, it is here envisioned to estimate additionally the boundary conditions in the thickness of the specimen relying on a plate/shell-like model (classic or volume). Different approaches are considered depending on the confidence giving to this model. This methodology is implemented in an academic software and is applied to synthetic tests. The development of a dedicated instrumentation also allowed the analysis of tests performed on the VERTEX bench.

L’Anévrisme de l’Aorte Abdominale (AAA) est une pathologie qui est définie par une dilatation localisée et permanente de l’artère et qui concerne plus de 8.8% des personnes âgées. Actuellement, lorsqu’un patient présente une dilatation de l’aorte impliquant l’éventualité d’une intervention chirurgicale en raison du risque de rupture, la décision thérapeutique est prise en fonction du rapport des diamètres de l’artère au niveau de l’anévrisme et à proximité de celui-ci. Pour déterminer ces diamètres, il est généralement procédé à un examen par imagerie médicale (Echographie, Tomographie, IRM,..). On constate cependant que le diagnostic ne peut pas se contenter d’une mesure dimensionnelle simple face aux risques induits: d’une part, passé une certaine excroissance, le risque de rupture peut atteindre 50% mais d’autre part plus de 5% des interventions chirurgicales provoquent le décès du patient. D’autres paramètres de mesure comme la compliance de l’artère, peuvent être à la base de la décision d’une intervention chirurgicale. La compliance correspond à une définition précise utilisée par les cardiologues : c’est une grandeur qui permet de caractériser l’aptitude à la déformation, décrivant la capacité de l'aorte à se distendre sous l'influence de la pression sanguine. De notre point de vue cette notion est insuffisante car, généralement, dans le cas d’un anévrisme, la rupture est très localisée du fait de la complexité de la forme de celui-ci. Il est donc nécessaire d’étendre sa définition à une grandeur localisée non pas au niveau d’une section mais à un endroit précis de la paroi. Les moyens de diagnostics seront d’autant plus fiables qu’ils pourront détecter la compliance localisée. De point de vue mécanique, la détermination de la compliance se transforme donc en la mesure de l'élasticité pariétale aortique localisée. L’élasticité n’est pas un paramètre mesurable directement. Donc, la problématique revient à la détermination de la déformation locale de la paroi aortique sous la sollicitation hémodynamique. La résolution de ce problème reste complexe. En effet, les sollicitations mécaniques dépendent de l’écoulement du sang, des organes environnants l’artère, des propriétés matérielles de l’artère et de la géométrie de l’anévrisme qui sont spécifiques à chaque patient. A l’heure actuelle, beaucoup de travaux numériques et expérimentaux sont effectués mais peu d’études ont permis de bien corréler les techniques d’imageries médicales pour l’aide au diagnostic. C’est dans ce contexte que se situent les travaux de ma thèse, réalisée en collaboration, à la fois avec le CHU de Dijon où ont été effectuées toutes les expérimentations à l’aide d’IRM, le laboratoire GMedTech, GMIT (Galway-Mayo Institute of Technology) en Irlande qui nous a fourni les répliques ainsi que leur savoir-faire dans le domaine cardio-vasculaire et le Laboratoire DRIVE situé à Nevers où ont été menées les mesures d’écoulement par PIV. Les travaux, menés sur des fantômes de diverses formes in vitro, ont pour finalité, d’une part, de construire une méthodologie métrologique pour aider les médecins à comprendre et à valider les mesures d’IRM à l’aide d’autres dispositifs de mesure, d’autre part, de permettre d’améliorer les méthodes de diagnostic des pathologies de type d’anévrisme de l’aorte abdominale. Le principe de ces travaux est donc de mettre en place une modélisation expérimentale in Vitro dans un cadre métrologique d’intercomparaison par divers moyens de mesure et de corréler leurs résultats au long d’un cycle reproduisant les conditions hémodynamiques de mesure, mais aussi de confronter ces résultats à de modélisations numériques. Pour prendre en compte le problème dans sa globalité, non seulement l’évolution de la déformation, représentant l’élasticité de l’aorte, a dû être étudiée mais aussi l’évolution du flux sollicitant la paroi (…). / The Abdominal Aorta Aneurysm (AAA) is a pathology that is defined by a localized and permanent dilation of the artery and which involves over 8.8% of the seniors. Currently, when a patient has a dilatation of the aorta leading to a surgery because of the rupture risk, the therapeutic decision is made depending on the diameter of the aneurysm. To determine this diameter, it is usually conducted an examination by medical imaging (ultrasound, CT, MRI...). However, it notes that the diagnosis can’t be satisfied with a single dimensional measurement face to induced risks: first of all, when the diameter exceed a certain growth, the risk of rupture can reach 50% but more than 5% of surgical procedures may cause the patient's death. Other metrics such as compliance of the artery can be used for the decision for surgery. Compliance corresponds to a precise definition by cardiologists: this is a quantity that characterizes the deformability, describing the ability of aorta to distend under the influence of blood pressure. From our point of view, this concept is insufficient because, generally, in the case of an aneurysm, rupture is highly localized because of the complexity of the shape. It is therefore necessary to extend its definition in a quantity not localized at a section or a specific location but to the whole wall. Diagnostics methods will be more reliable if they can determine localized compliance. From a mechanical standpoint, determining compliance is thus transformed into the measurement of localized parietal elasticity of aorta. The elasticity is not a directly measurable parameter. Therefore, the problem comes down to determining the local strain of the aortic wall in the hemodynamic condition. Solving this problem is complex. Indeed, the mechanical stresses are dependent on the flow of blood, the artery surrounding organs, the material properties of the artery and the geometry of the aneurysm which are specific to each patient. At present, many numerical and experimental works is done but few studies have well correlated medical imaging techniques for the diagnostic aid. It is in this context that are my thesis in collaboration both with the Dijon University Hospital where were performed all experiments using MRI and GMedTech laboratory GMIT (Galway- Mayo Institute of Technology) in Ireland who provided the replicas and their expertise in the cardiovascular area. This work, conducted on various form of phantoms in Vitro, are intended, first to build a metrological methodology to help doctors understand and validate MRI measurements using other devices measurement, on the other hand, to improve the methods of diagnosing the abdominal aortic aneurysm. The principle of this work is to develop experimental modeling in vitro in a metrology framework and correlate the results from different measurement techniques and numerical modeling throughout a cycle reproducing the hemodynamic conditions. To consider the problem as a whole, not only the evolution of deformation representing the elasticity of the aorta should be studied, but also the evolution of soliciting flow. Therefore, in this thesis, several devices such as stereovision, Particle image velocimetry (PIV), MRI kinetic sequence but also the flow 2D and 4D were employed. Various numerical models were established to not only correlate the results with those obtained experimentally, therefore, to improve the credibility of our study, but also to be part of the aid protocol to the diagnosis that we have proposed. In the end, all the results from different experimental and numerical models have led to propose a validated and feasible diagnosis protocol based on MRI sequences. The application of this protocol on a realistic AAA complex phantom showed its feasibility. We can therefore say that the feasibility of the proposed protocol is demonstrated and that based on MRI (…).

La polarisation de la lumière, phénomène physique parfaitement maîtrisé, a été introduit depuis une dizaine d'années seulement dans le domaine de l'imagerie. En effet, tout comme l'œil humain, les capteurs ne sont pas, par construction, sensible à la polarisation de la lumière. Cette propriété particulièrement intéressante ne peut être obtenue qu'en ajoutant des composants optiques aux caméras classiques. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un système à la fois stéréoscopique et sensible à l'état de polarisation. En effet, de nombreux insectes dans la nature, comme les abeilles par exemple, ont la capacité à s'orienter dans l'espace et à extraire des informations pertinentes issues de la polarisation. Le prototype ainsi développé doit permettre de reconstruire en trois dimensions des points d'intérêt tout en associant à ces points un ensemble de paramètres relatifs à l'état de polarisation. Le système proposé ici est constitué de deux caméras équipés chacune de deux composants à cristaux liquides permettant d'obtenir deux images avec des orientations de polarisation différentes. Pour chaque acquisition, quatre images sont obtenues : deux pour chacune des caméras. Le verrou majeur soulevé ici est la possibilité de remonter à des informations de polarisation à partir de deux caméras différentes. Après une première étape de calibration géométrique et photométrique, la mise en correspondance des points d'intérêt est rendue délicate en raison des composants optiques placés devant les objectifs. Une étude approfondie des différentes méthodes de mise en correspondance a permis de sélectionner la méthode la moins sensible aux effets de polarisation. Une fois les points mis en correspondance, les paramètres de polarisation de chacun des points sont calculés à partir des quatre valeurs issues des quatre images acquises. Les résultats obtenus sur des scènes réelles montrent la faisabilité et l'intérêt d'un tel système pour des applications robotiques. / The polarization of light was introduced last ten years ago in the field of imaging system is a physical phenomenon that can be controlled for the purposes of the vision system. As that found in the human eyes, in general the imaging sensors are not under construction which is sensitive to the polarization of light. These properties can be measured by adding optical components on a conventional camera. The purpose of this thesis is to develop an imaging system that is sensitive both to the stereoscopic and to the state of polarization. As well as the visual system on a various of insects in nature such as bees, that are have capability to move in space by extracted relevant information from the polarization. The developed prototype should be possible to reconstruct threedimensional of points of interest with the issues associated with a set of parameters of the state of polarization. The proposed system consists of two cameras, each camera equipped with liquid crystal components to obtain two images with different directions of polarization. For each acquisition, four images are acquired: two for each camera. Raised by the key of main capability to return polarization information from two different cameras. After an initial calibration step; geometric and photometric, the mapping of points of interest process is made difficult because of the optical components placed in front of different lenses. A detailed study of different methods of mapping was used to select sensitivity to the polarization effects. Once points are mapped, the polarization parameters of each point are calculated from the four values from four images acquired. The results on real scenes show the feasibility and desirability of this imaging system for robotic applications.

Le problème de la stéréovision à partir de caméras multiples calibrées capturant une scène fixe est étudié depuis plusieurs décennies. Les résultats présentés dans le benchmark de stéréovision proposé par Strecha et al., attestent de la qualité des reconstructions obtenues. En particulier, les travaux du laboratoire IMAGINE, mènent à des résultats visuellement impressionnant. Aussi, il devient intéressant de calibrer des scènes de plus en plus vastes, afin d'appliquer ces algorithmes de stéréovision de façon optimale. Trois objectifs essentiels apparaissent : – La précision de la calibration doit être améliorée. En effet comme pointé par Yasutaka Furukawa, même les benchmarks de stéréovision fournissent parfois des caméras bruitées à la précision imparfaite. Un des moyen d'améliorer les résultats de stéréovision est d'augmenter la précision de la calibration. – Il est important de pouvoir prendre en compte les cycles dans le graphe des caméras de façon globale. En effet la plupart des méthodes actuelles sont séquentielles, et dérivent. Ainsi ces méthodes ne garantissent pas, pour une très grande boucle, de retrouver cette configuration cyclique, mais peuvent plutôt retrouver une configuration des caméras en spirale. Comme on calibre des réseaux d'images, de plus en plus grand, ce point est donc crucial. – Pour calibrer des réseaux d'images très grands, il convient d'avoir des algorithmes rapides. Les méthodes de calibration que nous proposons dans la première partie, permettent de calibrer des réseaux avec une précision très proche de l'état de l'art. D'autre part elle permettent de gérer les contraintes de cyclicité par le biais d'optimisations linéaires sous contraintes linéaires. Ainsi ces méthodes permettent de prendre en compte les cycles et bénéficient de la rapidité de la programmation linéaire. Enfin, la recherche en stéréovision étant arrivée à maturité, il convient de s'intéresser à l'étape suivante, à savoir la reconstruction spatio-temporelle. La méthode du laboratoire IMAGINE représentant l'état de l'art en stéréovision, il est intéressant de développer cette méthode et de l'étendre à la reconstruction spatio-temporelle, c'est-à-dire la reconstruction d'une scène dynamique capturée par un dôme de caméras. Nous verrons cette méthode dans la seconde partie de ce manuscrit / The issue of retrieving a 3D shape from a static scene captured with multiple view point calibrated cameras has been deeply studied these last decades. Results presented in the stereovision benchmark made by Strecha et al., show the high quality of state of the art methods. Particularly, works from IMAGINE laboratory lead to impressive results. So, it becomes convenient to calibrate wider and wider scenes, in order to apply these stereovision algorithms to large scale scenes. Three main objectives appear : – The calibration accuracy should be improved. As stated by Yasutaka Furukawa, even stereovision benchmarks use noisy cameras. So one obvious way to improve stereovision, is to improve camera calibration. – It is crucial to take cycles into account in cameras graph in a global way. Most of nowadays methods are sequential and so present a drift. So these methods do not offer the guarantee to retrieve the loopy configuration for a loop made of a high number of images, but retrieve a spiral configuration. As we aim to calibrate wider and wider cameras networks, this point becomes quite crucial. – To calibrate wide cameras networks, having quick and linear algorithms can be necessary. Calibration methods we propose in the first part, allow to calibrate with an accuracy close to state of the art. Moreover, we take cyclicity constraints into account in a global way, with linear optimisations under linear constraints. So these methods allow to take cycle into account and benefit from quickness of linear programming. Finally, sterovision being a well studied topic, it is convenient to concentrate on the next step, that is, spatio-temporal reconstruction. The IMAGINE' stereovision method being the state of the art, it is interesting to extend this method to spatio-temporal reconstruction, that is, dynamique scene reconstruction captured from a dome of cameras

L’intérêt principal des systèmes d’aide à la conduite (ADAS) est d’accroître la sécurité de tous les usagers de la route. Le domaine du véhicule intelligent porte une attention particulière au piéton,l’une des catégories la plus vulnérable. Bien que ce sujet ait été étudié pendant près de cinquante ans par des chercheurs, une solution parfaite n’existe pas encore. Nous avons exploré dans ce travail de thèse différents aspects de la détection et la classification du piéton. Plusieurs domaines du spectre (Visible, Infrarouge proche, Infrarouge lointain et stéréovision) ont été explorés et comparés.Parmi la multitude des systèmes imageurs existants, les capteurs infrarouge lointain (FIR),capables de capturer la température des différents objets, reste particulièrement intéressants pour la détection de piétons. Les piétons ont, le plus souvent, une température plus élevée que les autres objets. En raison du manque d’accessibilité publique aux bases de données d’images thermiques, nous avons acquis et annoté une base de donnée, nommé RIFIR, contenant à la fois des images dans le visible et dans l’infrarouge lointain. Cette base nous a permis de comparer les performances de plusieurs attributs présentés dans l’état de l’art dans les deux domaines.Nous avons proposé une méthode générant de nouvelles caractéristiques adaptées aux images FIR appelées « Intensity Self Similarity (ISS) ». Cette nouvelle représentation est basée sur la similarité relative des intensités entre différents sous-blocks dans la région d’intérêt contenant le piéton.Appliquée sur différentes bases de données, cette méthode a montré que, d’une manière générale,le spectre infrarouge donne de meilleures performances que le domaine du visible. Néanmoins, la fusion des deux domaines semble beaucoup plus intéressante.La deuxième modalité d’image à laquelle nous nous sommes intéressé est l’infrarouge très proche (SWIR, Short Wave InfraRed). Contrairement aux caméras FIR, les caméras SWIR sont capables de recevoir le signal même à travers le pare-brise d’un véhicule. Ce qui permet de les embarquer dans l’habitacle du véhicule. De plus, les imageurs SWIR ont la capacité de capturer une scène même à distance lointaine. Ce qui les rend plus appropriées aux applications liées au véhicule intelligent. Dans le cadre de cette thèse, nous avons acquis et annoté une base de données, nommé RISWIR, contenant des images dans le visible et dans le SWIR. Cette base a permis une comparaison entre différents algorithmes de détection et de classification de piétons et entre le visible et le SWIR. Nos expérimentations ont montré que les systèmes SWIR sont prometteurs pour les ADAS. Les performances de ces systèmes semblent meilleures que celles du domaine du visible.Malgré les performances des domaines FIR et SWIR, le domaine du visible reste le plus utilisé grâce à son bas coût. Les systèmes imageurs monoculaires classiques ont des difficultés à produire une détection et classification de piétons en temps réel. Pour cela, nous avons l’information profondeur (carte de disparité) obtenue par stéréovision afin de réduire l’espace d’hypothèses dans l’étape de classification. Par conséquent, une carte de disparité relativement correcte est indispensable pour mieux localiser le piéton. Dans ce contexte, une multitude de fonctions coût ont été proposées, robustes aux distorsions radiométriques, pour le calcul de la carte de disparité.La qualité de la carte de disparité, importante pour l’étape de classification, a été affinée par un post traitement approprié aux scènes routières.Les performances de différentes caractéristiques calculées pour différentes modalités (Intensité,profondeur, flot optique) et domaines (Visible et FIR) ont été étudiées. Les résultats ont montré que les systèmes les plus robustes sont ceux qui prennent en considération les trois modalités,plus particulièrement aux occultations. / The main purpose of constructing Intelligent Vehicles is to increase the safety for all traffic participants. The detection of pedestrians, as one of the most vulnerable category of road users, is paramount for any Advance Driver Assistance System (ADAS). Although this topic has been studied for almost fifty years, a perfect solution does not exist yet. This thesis focuses on several aspects regarding pedestrian classification and detection, and has the objective of exploring and comparing multiple light spectrums (Visible, ShortWave Infrared, Far Infrared) and modalities (Intensity, Depth by Stereo Vision, Motion).From the variety of images, the Far Infrared cameras (FIR), capable of measuring the temperature of the scene, are particular interesting for detecting pedestrians. These will usually have higher temperature than the surroundings. Due to the lack of suitable public datasets containing Thermal images, we have acquired and annotated a database, that we will name RIFIR, containing both Visible and Far-Infrared Images. This dataset has allowed us to compare the performance of different state of the art features in the two domains. Moreover, we have proposed a new feature adapted for FIR images, called Intensity Self Similarity (ISS). The ISS representation is based on the relative intensity similarity between different sub-blocks within a pedestrian region of interest. The experiments performed on different image sequences have showed that, in general, FIR spectrum has a better performance than the Visible domain. Nevertheless, the fusion of the two domains provides the best results. The second domain that we have studied is the Short Wave Infrared (SWIR), a light spectrum that was never used before for the task of pedestrian classification and detection. Unlike FIRcameras, SWIR cameras can image through the windshield, and thus be mounted in the vehicle’s cabin. In addition, SWIR imagers can have the ability to see clear at long distances, making it suitable for vehicle applications. We have acquired and annotated a database, that we will name RISWIR, containing both Visible and SWIR images. This dataset has allowed us to compare the performance of different pedestrian classification algorithms, along with a comparison between Visible and SWIR. Our tests have showed that SWIR might be promising for ADAS applications,performing better than the Visible domain on the considered dataset. Even if FIR and SWIR have provided promising results, Visible domain is still widely used due to the low cost of the cameras. The classical monocular imagers used for object detectionand classification can lead to a computational time well beyond real-time. Stereo Vision providesa way of reducing the hypothesis search space through the use of depth information contained in the disparity map. Therefore, a robust disparity map is essential in order to have good hypothesis over the location of pedestrians. In this context, in order to compute the disparity map, we haveproposed different cost functions robust to radiometric distortions. Moreover, we have showed that some simple post-processing techniques can have a great impact over the quality of the obtained depth images.The use of the disparity map is not strictly limited to the generation of hypothesis, and couldbe used for some feature computation by providing complementary information to color images.We have studied and compared the performance of features computed from different modalities(Intensity, Depth and Flow) and in two domains (Visible and FIR). The results have showed that the most robust systems are the ones that take into consideration all three modalities, especially when dealing with occlusions.

La mesure de la forme 3D du visage est une problématique qui attire de plus en plus de chercheurs et qui trouve son application dans des domaines divers tels que la biométrie, l'animation et la chirurgie faciale. Les solutions actuelles sont souvent basées sur des systèmes projecteur/caméra et utilisent de la lumière structurée pour compenser l'insuffisance de la texture faciale. L'information 3D est ensuite calculée en décodant la distorsion des patrons projetés sur le visage. Une des techniques les plus utilisées de la lumière structurée est la codification sinusoïdale par décalage de phase qui permet une numérisation 3D de résolution pixélique. Cette technique exige une étape de déroulement de phase, sensible à l'éclairage ambiant surtout quand le nombre de patrons projetés est limité. En plus, la projection de plusieurs patrons impacte le délai de numérisation et peut générer des artefacts surtout pour la capture d'un visage en mouvement. Une alternative aux approches projecteur-caméra consiste à estimer l'information 3D par appariement stéréo suivi par une triangulation optique. Cependant, le modèle calculé par cette technique est généralement non-dense et manque de précision. Des travaux récents proposent la super-résolution pour densifier et débruiter les images de profondeur. La super-résolution a été particulièrement proposée pour les caméras 3D TOF (Time-Of-Flight) qui fournissent des scans 3D très bruités. Ce travail de thèse propose une solution de numérisation 3D à faible coût avec un schéma de super-résolution spatio-temporelle. Elle utilise un système multi-caméra étalonné assisté par une source de projection non-étalonnée. Elle est particulièrement adaptée à la reconstruction 3D de visages, i.e. rapide et mobile. La solution proposée est une approche hybride qui associe la stéréovision et la codification sinusoïdale par décalage de phase, et qui non seulement profite de leurs avantages mais qui surmonte leurs faiblesses. Le schéma de la super-résolution proposé permet de corriger l'information 3D, de compléter la vue scannée du visage en traitant son aspect déformable.

La mesure de la forme 3D du visage est une problématique qui attire de plus en plus de chercheurs et qui trouve son application dans des domaines divers tels que la biométrie, l'animation et la chirurgie faciale. Les solutions actuelles sont souvent basées sur des systèmes projecteur/caméra et utilisent de la lumière structurée pour compenser l'insuffisance de la texture faciale. L'information 3D est ensuite calculée en décodant la distorsion des patrons projetés sur le visage. Une des techniques les plus utilisées de la lumière structurée est la codification sinusoïdale par décalage de phase qui permet une numérisation 3D de résolution pixélique. Cette technique exige une étape de déroulement de phase, sensible à l'éclairage ambiant surtout quand le nombre de patrons projetés est limité. En plus, la projection de plusieurs patrons impacte le délai de numérisation et peut générer des artefacts surtout pour la capture d'un visage en mouvement. Une alternative aux approches projecteur-caméra consiste à estimer l'information 3D par appariement stéréo suivi par une triangulation optique. Cependant, le modèle calculé par cette technique est généralement non-dense et manque de précision. Des travaux récents proposent la super-résolution pour densifier et débruiter les images de profondeur. La super-résolution a été particulièrement proposée pour les caméras 3D TOF (Time-Of-Flight) qui fournissent des scans 3D très bruités. Ce travail de thèse propose une solution de numérisation 3D à faible coût avec un schéma de super-résolution spatio-temporelle. Elle utilise un système multi-caméra étalonné assisté par une source de projection non-étalonnée. Elle est particulièrement adaptée à la reconstruction 3D de visages, i.e. rapide et mobile. La solution proposée est une approche hybride qui associe la stéréovision et la codification sinusoïdale par décalage de phase, et qui non seulement profite de leurs avantages mais qui surmonte leurs faiblesses. Le schéma de la super-résolution proposé permet de corriger l'information 3D, de compléter la vue scannée du visage en traitant son aspect déformable.

Cette recherche vise à la modélisation 3D depuis un système de vision fisheye embarqué, utilisée pour une application GNSS dans le cadre du projet Predit CAPLOC. La propagation des signaux satellitaires en milieu urbain est soumise à des réflexions sur les structures, altérant la précision et la disponibilité de la localisation. L’ambition du projet est (1) de définir un système de vision omnidirectionnelle capable de fournir des informations sur la structure 3D urbaine et (2) de montrer qu’elles permettent d’améliorer la localisation.Le mémoire expose les choix en (1) calibrage automatique, (2) mise en correspondance entre images, (3) reconstruction 3D ; chaque algorithme est évalué sur images de synthèse et réelles. De plus, il décrit une manière de corriger les réflexions des signaux GNSS depuis un nuage de points 3D pour améliorer le positionnement. En adaptant le meilleur de l’état de l’art du domaine, deux systèmes sont proposés et expérimentés. Le premier est un système stéréoscopique à deux caméras fisheye orientées vers le ciel. Le second en est l’adaptation à une unique caméra.Le calibrage est assuré à travers deux étapes : l’algorithme des 9 points adapté au modèle « équisolide » couplé à un RANSAC, suivi d’un affinement par optimisation Levenberg-Marquardt. L’effort a été porté sur la manière d’appliquer la méthode pour des performances optimales et reproductibles. C’est un point crucial pour un système à une seule caméra car la pose doit être estimée à chaque nouvelle image.Les correspondances stéréo sont obtenues pour tout pixel par programmation dynamique utilisant un graphe 3D. Elles sont assurées le long des courbes épipolaires conjuguées projetées de manière adaptée sur chaque image. Une particularité est que les distorsions ne sont pas rectifiées afin de ne pas altérer le contenu visuel ni diminuer la précision. Dans le cas binoculaire il est possible d’estimer les coordonnées à l’échelle. En monoculaire, l’ajout d’un odomètre permet d’y arriver. Les nuages successifs peuvent être calés pour former un nuage global en SfM.L’application finale consiste dans l’utilisation du nuage 3D pour améliorer la localisation GNSS. Il est possible d’estimer l’erreur de pseudodistance d’un signal après multiples réflexions et d’en tenir compte pour une position plus précise. Les surfaces réfléchissantes sont modélisées grâce à une extraction de plans et de l’empreinte des bâtiments. La méthode est évaluée sur des paires d’images fixes géo-référencées par un récepteur bas-coût et un récepteur GPS RTK (vérité terrain). Les résultats montrent une amélioration de la localisation en milieu urbain. / This research deals with 3D modelling from an embedded fisheye vision system, used for a GNSS application as part of CAPLOC project. Satellite signal propagation in urban area implies reflections on structures, impairing localisation’s accuracy and availability. The project purpose is (1) to define an omnidirectional vision system able to provide information on urban 3D structure and (2) to demonstrate that it allows to improve localisation.This thesis addresses problems of (1) self-calibration, (2) matching between images, (3) 3D reconstruction ; each algorithm is assessed on computer-generated and real images. Moreover, it describes a way to correct GNSS signals reflections from a 3D point cloud to improve positioning. We propose and evaluate two systems based on state-of-the-art methods. First one is a stereoscopic system made of two sky facing fisheye cameras. Second one is the adaptation of the former to a single camera.Calibration is handled by a two-steps process: the 9-point algorithm fitted to “equisolid” model coupled with a RANSAC, followed by a Levenberg-Marquardt optimisation refinement. We focused on the way to apply the method for optimal and repeatable performances. It is a crucial point for a system composed of only one camera because the pose must be estimated for every new image.Stereo matches are obtained for every pixel by dynamic programming using a 3D graph. Matching is done along conjugated epipolar curves projected in a suitable manner on each image. A distinctive feature is that distortions are not rectified in order to neither degrade visual content nor to decrease accuracy. In the binocular case it is possible to estimate full-scale coordinates.In the monocular case, we do it by adding odometer information. Local clouds can be wedged in SfM to form a global cloud.The end application is the usage of the 3D cloud to improve GNSS localisation. It is possible to estimate and consider a signal pseudodistance error after multiple reflections in order to increase positioning accuracy. Reflecting surfaces are modelled thanks to plane and buildings trace fitting. The method is evaluated on fixed image pairs, georeferenced by a low-cost receiver and a GPS RTK receiver (ground truth). Study results show the localisation improvement ability in urban environment.

Les modèles déformables fournissent un cadre flexible pour traiter divers problèmes de reconstruction de forme en traitement d'images. Ils ont été proposés initialement pour la segmentation d'images, mais ils se sont aussi révélés adaptés dans de nombreux autres contextes en vision par ordinateur et en imagerie médicale, notamment le suivi de régions, la stéréovision, le "shape from shading" et la reconstruction à partir d'un nuage de points. Les éléments clés de cette méthodologie sont l'élaboration d'une fonctionnelle d'énergie, le choix d'une procédure de minimisation et d'une représentation géométrique. Dans cette thèse, nous abordons ces trois éléments, avec pour but d'élargir le champ d'application des modèles déformables et d'accroître leur performance. En ce qui concerne la représentation géométrique, nous venons à bout de la perte de la correspondance ponctuelle et de l'impossibilité de contrôler les changements de topologie avec la méthode des ensembles de niveau. Nous proposons deux applications associées dans le domaine de l'imagerie médicale: la génération de représentations dépliées du cortex cérébral avec préservation de l'aire, et la segmentation de plusieurs tissus de la tête à partir d'images par résonance magnétique anatomiques. En ce qui concerne la procédure de minimisation, nous montrons que la robustesse aux minima locaux peut être améliorée en remplaçant une descente de gradient traditionnelle par un flot de minimisation spatialement cohérent. Enfin, en ce qui concerne l'élaboration de la fonctionnelle d'énergie, nous proposons une nouvelle modélisation de la stéréovision multi-caméras et de l'estimation du mouvement tridimensionnel non-rigide, fondée sur un critère de mise en correspondance global et basé image.