La fabrication de pièces manufacturées génère un nombre très important de données de différents types définissant les géométries de fabrication ainsi que la qualité de production. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la réalisation d’un système de vision cognitif dédié à l’évaluation d’objets 3D manufacturés incluant éventuellement des surfaces gauches, en tenant compte des tolérances géométriques et des incertitudes. Ce système permet un contrôle exhaustif de pièces manufacturées et offre la possibilité d’une inspection tridimensionnelle automatique de la pièce. La mise en place d’un système de mesures multi-capteurs (passifs et actifs) a permis d’améliorer significativement la qualité d’évaluation par le biais d’une reconstruction tridimensionnelle enrichie de l’objet à évaluer. En particulier, nous avons employé simultanément un système stéréoscopique de vision et un système à projection de lumière structurée afin de reconstruire les contours et les surfaces de différents objets 3D. / Producing industrially manufactured parts generates a very large number of data of various types defining the manufacturing geometries as well as the quality of production. This PhD work has been carried out within the framework of the realization of a cognitive vision system dedicated to the 3D evaluation of manufactured objects including possibly free form surfaces, taking into account the geometric tolerances and uncertainties. This system allows the comprehensive control of manufactured parts, and provides the means for their automated 3D dimensional inspection. The implementation of a multi-sensor (passive and active) measuring system enabled to improve significantly the assessment quality through an enriched three-dimensional reconstruction of the object to be evaluated. Specifically, we made use simultaneously of a stereoscopic vision system and of a structured light based system in order to reconstruct the edges and surfaces of various 3D objects.

La surveillance visuelle des objets dynamiques dans les carrefours routiers a été un sujet de recherche majeur au sein des communautés de vision par ordinateur et de transports intelligents, ces dernières années. De nombreux projets ont été menés afin d’améliorer la sécurité dans le contexte très particulier des carrefours. Notre analyse approfondie de l’état de l’art révèle que la majorité des systèmes en bord de voie, utilisent la vision monoculaire. Dans cette thèse, nous présentons un systèmenon-intrusif, de stéréovision-fisheye à large entraxe. Le dispositif proposé est particulièrement adapté aux carrefours ruraux ou sans signalisation. Notre objectif principal est la localisation des véhicules afin de reconstruire leurs trajectoires. Pour ce faire, l’estimation de la calibration extrinsèque entre les caméras est nécessaire afin d’effectuer des analyses à l’échelle métrique. Cette tâche s’avère très complexe dans notre configuration de déploiement. En effet la grande distance entre les caméras, la différence de vue et la forte présence de végétation, rendent inapplicables les méthodes de calibration qui requièrent la mise en correspondance d’images de mires. Il est donc nécessaire d’avoir une solution indépendante de la géométrie de la scène. Ainsi, nous proposons une méthode automatique reposant sur l’idée que les véhicules mobiles peuvent être utilisés comme objets dynamiques de calibration. Il s’agit d’une approche de type Structure à partir du Mouvement, découplée en l’estimation de la rotation extrinsèque à partir de points de fuite, suivie du calcul de la translation extrinsèque à l’échelle absolue par mise en correspondance de plans virtuels. Afin de généraliser notre méthode, nous adoptons le modèle de caméra sphérique sous l’hypothèse d’un mouvement plan. Des expérimentations conduites en laboratoire, puis dans des carrefours en Normandie, permettent de valider notre approche. Les paramètres extrinsèques sont alors directement exploités pour la trajectographie métrique des véhicules, en vue d’évaluer le risque et procéder à un diagnostic des intersections rurales. / Visual surveillance of dynamic objects at road intersections has been an active research topic in the computer vision and intelligent transportations systems communities, over the past decades. Several projects have been carried out in order to enhance the safety of drivers in the special context of intersections. Our extensive review of related studies revealedthat most roadside systems are based on monocular vision and provide output results generally in the image domain. In this thesis, we introduce a non-intrusive, wide-baseline stereoscopic system composed of fisheye cameras, perfectly suitable for rural or unsignalized intersections. Our main goal is to achieve vehicle localization and metric trajectory estimation in the world frame. For this, accurate extrinsic calibration is required to compute metric information. But the task is quite challenging in this configuration, because of the wide-baseline, the strong view difference between the cameras, and the important vegetation. Also, pattern-based methods are hardly feasible without disrupting the traffic. Therefore, we propose a points-correspondence-free solution. Our method is fully-automatic and based on a joint analysis of vehicles motion and appearance, which areconsidered as dynamic calibration objects. We present a Structure-from-Motion approach decoupled into the estimation of the extrinsic rotation from vanishing points, followed by the extrinsic translation at scale from a virtual-plane matching strategy. For generalization purposes we adopt the spherical camera model under the assumption of planar motion. Extensive experiments both in the lab and at rural intersections in Normandy allow to validate our work, leading to accurate vehicle motion analysis for risk assessment and safety diagnosis at rural intersections.

Understanding the physics of mixing for two fluids is a complicated problem and has always been an interesting phenomenon to study. Surface discharge is the oldest, least expensive and simplest way of discharging industrial or domestic wastewater into rivers and estuaries. Because of the lower degree of dilution in surface discharges, critical conditions are more likely to occur. Having a better understanding of the mixing phenomenon in these cases will help to predict the environmental effects more accurately. In this study, surface discharges of jets into waterbodies with or without crossflows were investigated numerically and experimentally. Three-dimensional (3-D) Computational Fluid Dynamics (CFD) models were developed for studying the surface discharge of jets into water bodies using different turbulence models. Reynolds stress turbulence models and spatially filtered Large Eddy Simulation (LES) were used in the numerical models. The effects of inclusion of free surface water in the CFD models on the performance of the numerical model results were investigated. Numerical model results were compared with the experimental data in the literature as well as the experimental works performed in this study. Experimental works for buoyant and non-buoyant surface discharge of jets into crossflow and stagnant water were conducted in this study. A new setup was designed and built in the Civil Engineering Hydraulics Laboratory at the University of Ottawa to perform the desired experiments. Stereoscopic Particle Image Velocimetry (Stereo-PIV) was used to measure the instantaneous spatial and temporal 3-D velocity distribution on several planes of measurement downstream of the jet with the frequency of 40 Hz. Averaged 3-D velocity distribution was extracted on different planes of measurement to show the transformation of the velocity vectors from a “jet-like” to a “plume-like” flow regime. Averaged 3-D velocity distribution and streamlines illustrated the flow transformation of the surface jets. Experimental results detected the formation and evolution of vortices in the surface jet’s flow structure over the measurement zone. Additional turbulent flow characteristics such as the turbulent kinetic energy (k), turbulent kinetic energy dissipation rate (ϵ), and turbulent eddy viscosity (υt) were calculated using the measured time history of the 3-D velocity field.

Le but de ce travail est de fournir une méthode de reconstruction stéréoscopique capable d'estimer la topographie des catalyseurs à partir d'images MEB. Les méthodes stéréo standard ne permettent pas d'évaluer des reconstructions 3D de bonne qualité en raison de la surface homogène de ces échantillons. Bien que particulièrement prononcé sur nos catalyseurs, le manque de texture est un problème courant dans la reconstruction stéréo, et aucune solution idéale n'a encore été trouvée.Notre approche principale à ce problème est de combiner les méthodes stéréo existantes avec la segmentation hiérarchique des images de l’échantillon. En effet, la morphologie mathématique fournit des outils efficaces permettant de diviser une image en régions et sous-régions. Nous avons utilisé ces outils pour affiner et compléter les reconstructions 3D.La méthode que nous avons développé estime des reconstructions 3D moins bruitées et plus précises que les méthodes existantes. L'approche fournit également des informations supplémentaires: la segmentation finalement retenue ainsi que la carte indiquant l’orientation de chaque région sont des données intéressantes qui peuvent être utilisées pour affiner la compréhension des catalyseurs.Bien que le but de cette thèse soit très spécifique, l'approche proposée est généraliste. Elle a été notamment testée sur la base Middlebury et les résultats obtenus sont comparables et parfois meilleurs que les méthodes de pointe.L’approche pourrait aussi être étendue à d’autres cas d’utilisation. Tant que des données spatiales sont combinées avec une image, notre méthode TDSR peut être utilisée pour améliorer et compléter ces données spatiales. Les images RGBD et la segmentation sémantique sont quelques exemples d'applications potentielles. / The aim of this work is to provide a stereo reconstruction method able to estimate the topography of catalysts from SEM images. Standard stereo methods fail to evaluate adequate 3D reconstructions because of the homogeneous surface of these samples. Though particularly pronounced on our catalysts, the lack of texture is a common issue in stereo reconstruction, and no ideal solution has yet been found.Our main approach to this issue is to combine existing stereo methods with the hierarchical segmentation of the sample's images. Indeed, Mathematical Morphology provides efficient tools that divide an image into regions and subregions. We have used these tools to refine and complete the 3D reconstructions.The method we have developed estimates 3D reconstructions that are less noisy and more precise than state of the art methods. The approach also provides additional information: the final segmentation as well as the normal map are interesting data that can be used to refine the understanding of the catalysts.Though this thesis' purpose is very specific, the proposed approach is general.It has been notably used in the Middlebury database which contains images of in-door scenes, and obtained results were comparable and sometimes better than state of the art methods.It could also be extended to other uses. As long as spatial data is combined with an image, our TDSR method can be used to refine it. RGBD images and semantic segmentation are a few potential applications.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent le thème des fonctionnalités visuelles qu'il convient d'embarquer sur un robot mobile, afin qu'il puisse se déplacer dans son environnement. Plus précisément, ils ont trait aux méthodes de perception par vision stéréoscopique dense, de modélisation de l'environnement par grille d'occupation, et de suivi visuel d'objets, pour la navigation autonome d'un robot mobile dans un environnement d'intérieur. Il nous semble important que les méthodes de perception visuelle soient à la fois robustes et rapide. Alors que dans les travaux réalisés, on trouve les méthodes globales de mise en correspondance qui sont connues pour leur robustesse mais moins pour être employées dans les applications temps réel et les méthodes locales qui sont les plus adaptées au temps réel tout en manquant de précision. Pour cela, ce travail essaye de trouver un compromis entre robustesse et temps réel en présentant une méthode semi-locale, qui repose sur la définition des distributions de possibilités basées sur une formalisation floue des contraintes stéréoscopiques.Il nous semble aussi important qu'un robot puisse modéliser au mieux son environnement. Une modélisation fidèle à la réalité doit prendre en compte l'imprécision et l'incertitude. Ce travail présente une modélisation de l'environnement par grille d'occupation qui repose sur l'imprécision du capteur stéréoscopique. La mise à jour du modèle est basée aussi sur la définition de valeurs de crédibilité pour les mesures prises.Enfin, la perception et la modélisation de l'environnement ne sont pas des buts en soi mais des outils pour le robot pour assurer des tâches de haut niveau. Ce travail traite du suivi visuel d'un objet mobile comme tâche de haut niveau. / This work concerns visual functionalities to be embedded in a mobile robot for navigation purposes. More specifically, it relates to methods of dense stereoscopic vision based perception, grid occupancy based environment modeling and object tracking for autonomous navigation of mobile robots in indoor environments.We consider that is important for visual perception methods to be robust and fast. While in previous works, there are global stereo matching methods which are known for their robustness, but less likely to be employed in real-time applications. There are also local methods which are more suitable for real time but imprecise. To this aim, this work tries to find a compromise between robustness and real-time by proposing a semi-local method based on the definition of possibility distributions built around a fuzzy formalization of stereoscopic constraints.We consider also important for a mobile robot to better model its environment. To better fit a model to the reality we have to take uncertainty and inaccuracy into account. This work presents an occupancy grid environment modeling based on stereoscopic sensor inaccuracy.. Model updating relies on the definition of credibility values for the measures taken.Finally, perception and environment modeling are not goals but tools to provide robot high-level tasks. This work deals with visual tracking of a moving object such as high-level task.

Les systèmes de climatisation et de ventilation sont souvent composés de configurations type jets impactant, sur leur partie terminale. Ainsi, les flux d’air soufflés viennent impacter des obstacles munis de fentes, de différentes formes, afin d’améliorer le mélange. Les conditions de confinement et de soufflage provoquent parfois un inconfort au niveau acoustique. Les nuisances acoustiques générées sont dues à un phénomène de boucles de rétroaction se traduisant par l’apparition des sons auto-entretenus. La production du son par un écoulement fluide en champ libre ou en interaction avec une structure a fait l’objet de nombreuses études. Dans le cas d’un champ acoustique et pour un écoulement à faible nombre de Mach la résolution du corollaire énergétique de Howe permet d’évaluer la puissance acoustique générée ou absorbée par les interactions entre le champ acoustique et l’écoulement. Le calcul de cette puissance nécessite la connaissance de trois paramètres : la vorticité, la vitesse et la vitesse acoustique par des méthodes analytiques ou en utilisant des données expérimentales. Expérimentalement, la mesure du champ cinématique, pour en déduire la vorticité, nécessite une technique de mesure tridimensionnelle. Pour cela une plate-forme expérimentale, utilisant de la vélocimétrie Laser, a été développée, et équipée pour générer les écoulements d’un jet plan. Les champs cinématiques de ces écoulements ont été mesurés en utilisant la technique PIV, avec un dispositif de PIV stéréoscopique. Les champs cinématiques de trente plans parallèles ont été mesurés afin d’étudier les champs de vitesses correspondants. Deux méthodes de reconstruction ont été appliquées à ces plans : la POD et la moyenne de phase. Le volume est obtenu par une interpolation des plans reconstruits donnant accès aux trois composantes de la vitesse. Pour valider ces méthodes de reconstruction en 3D à faible coût, elles étaient comparées à des mesures expérimentales réalisées par le même dispositif expérimental, dans les mêmes conditions, par la PIV tomographique donnant accès aux champs cinématiques tridimensionnels. / Air conditioning and ventilation systems are often composed of jets having a configuration of an impinging jet, on their end part. Thus, the blown airflows impact slotted obstacles of different shapes to improve mixing. The conditions of confinement and blowing sometimes cause acoustic incompatibility. The acoustic noises generated are due to a phenomenon of feedback loops resulting of the appearance of self-sustained sounds. The production of sound by a free flow or in interaction with a structure has been the subject of many studies. In the case of an acoustic field and for a flow of low Mach number, Howe's energetic correlation is used to evaluate the acoustic power generated or absorbed by the interactions between the acoustic field and the flow. The calculation of this power requires the knowledge of three parameters : vorticity, velocity and acoustic velocity by analytical methods or by using experimental data. Experimentally, the measurement of the kinematic field, to deduce the vorticity, requires a three-dimensional measurement technique. For this purpose, an experimental platform, using laser velocimetry, has been developed and equipped to generate flows of a plane jet. The kinematic fields of these flows were measured using the PIV technique, with a stereoscopic PIV device. The kinematic fields of thirty parallel planes were measured to study the corresponding velocity fields. Two reconstruction methods have been applied to these plans : the POD and the phase average. The volume is obtained by an interpolation of the reconstructed planes giving access to the three components of the velocity. To validate these low-cost 3D reconstruction methods, they were compared to experimental measurements made by the same experimental setup, under the same conditions, by using the tomographic PIV giving access to the three-dimensional kinematic fields.

<p>3D television using multiple views rendering is receiving increasing interest. In this technology a number of video sequences are transmitted simultaneously and provides a larger view of the scene or stereoscopic viewing experience. With two views stereoscopic rendition is possible. Nowadays 3D displays are available that are capable of displaying several views simultaneously and the user is able to see different views by moving his head.</p><p>The thesis work aims at implementing a demonstration system with a number of simultaneous views. The system will include two cameras, computers at both the transmitting and receiving end and a multi-view display. Besides setting up the hardware, the main task is to implement software so that the transmission can be done over an IP-network.</p><p>This thesis report includes an overview and experiences of similar published systems, the implementation of real time video, its compression, encoding, and transmission over the internet with the help of socket programming and finally the multi-view display in 3D format.  This report also describes the design considerations more precisely regarding the video coding and network protocols.</p>

In mainstream media and entertainment, holography is often misrepresented as single perspective non-stereoscopic imagery suggesting three-dimensionality. Traditional holographic artists, however, utilize a laser setup to record and reconstruct wavefronts to describe a scene in multi-perspective natural parallax vision ("auto-stereoscopic"). Although these approaches are mutually exclusive in practice, they share a similar goal of staging three-dimensional (3D) imagery for a window-like viewing experience. This thesis presents a non-waveform digital computer approach for recording, reconstructing, and experiencing holographic visualizations in a cinematic context. By recording 3D information from a scene using the structured light method, a custom computer program performs stereoscopic reconstruction in real-time during presentation. Artists and computer users could then use a hardware device, such as the Microsoft Kinect, to explore the holographic cinematic form interactively.

This thesis develops a simulation and visualization of a path finding algorithm based on ant pheromone paths created in 3D space. The simulation is useful as a demonstration of a heuristic approach to NP-complete problems and as an educational tool for demonstrating how ant colonies gather food. An interactive real time 3D visualization is built on top of the simulation. A graphical user interface layer allows user interaction with the simulation and visualization.

This research investigates scalable video communications and its applications to video streaming, conferencing and 3DTV. Scalable video coding (SVC) is a layer-based encoding scheme that provides spatial, temporal and quality scalability. Heterogeneity of the Internet and clients' operating environment necessitate the adaptation of media content to ensure a satisfactory multimedia experience. SVC's layer structure allows the extraction of partial bitstreams at reduced spatial, quality and temporal resolutions that adjust the media bitrate at a fine granularity to changes in network state. The main focus of this research work is in developing such extraction algorithms in the context of SVC. Based on a combination of metadata computations and prediction mechanisms, these algorithms evaluate the quality contribution of each layer in the SVC bitstream and make extraction decisions that are aimed at maximizing video quality while operating within the available bandwidth resources. These techniques are applied in two-way interaction and one-way streaming of 2D and 3D content. Depending on the delay tolerance of these applications, rate-distortion optimized extraction algorithms are proposed. For conferencing applications, the extraction decisions are made over single frames and frame pairs due to tight end-to-end delay constraints. The proposed extraction algorithms for 3D content streaming maximize the overall perceived 3D quality based on human stereoscopic perception. When compared to current extraction methods, the new algorithms offer better video quality at a given bitrate while performing lesser number of metadata computations in the post-encoding phase. The solutions proposed for each application achieve the recurring goal of maintaining the best possible level of end-user quality of multimedia experience in spite of network impairments.