Ce Mémoire s’intéresse au suivi (Tracking) sans marqueurs et à la reconstruction tridimensionnelle de mouvements humains articulés à partir de séquences vidéo acquises avec une caméra de type 3D (stéréo ou infrarouge). Ce domaine de recherche est très actif de nos jours et comporte un champ d’applications assez large qui touche des domaines tels que la capture du mouvement sans cibles pour l’animation et la réalité virtuelle, les interactions homme-machines, la télésurveillance ou bien sûr les jeux vidéos. Au cours de ce manuscrit, nous proposons une méthode pour déterminer la pose d’une personne en 3D. La technique, sans marqueurs, repose sur un alignement d’un squelette et d’un modèle humain 3D sur la silhouette vue par la caméra en s’appuyant sur un ajustement progressif, débutant par la tête et se poursuivant par le torse et les différents membres. La technique prend en considération l’aspect articulé de l’anatomie humaine et permet en particulier de régler certains problèmes d’occlusions et de chevauchement. Cela dit, la complexité de la structure du corps humains, de ses contraintes physiques ainsi que la grande variabilité dans les observations des images, font que la détermination d’une solution à ce problème soit difficile. L’objectif de cette mémoire est donc de développer une méthode assez robuste capable de faire face à ces différentes difficultés imposées par le choix de la technologie et le contexte général d’utilisation pour les consoles de jeux vidéo de salon. Pour aborder cette étude, nous proposons un modèle humain 3D qui tient compte des contraintes physiques et qui permet une intégration cohérente des différentes informations visuelles comme le visage, les contours et les silhouettes. / This report is interested in the markerless motion tracking and the three-dimensional reconstruction of articulated human movements from video sequences acquired with a 3D camera (stereo or infrared). Nowadays, this research field is very active and contains a wide field of applications which deals with areas such as motion capture for animations and virtual reality without using any kind of markers, human-machine interaction (HMI), remote monitoring and of course video games. In this manuscript, we propose a novel method to estimate the 3D human pose. This markerless technique is based on an alignment of a skeleton and a 3D human model over the silhouette seen by the camera by leaning on a progressive adjustment, starting from the head and continuing to the trunk and the various members. The technique considers the articulated aspect of the human body and allows, in particular, solving some problems of occlusions and overlapping. Besides, the complexity of the human body structure, of its physical constraints as well as the big variability in the images’ observations, makes that the solution determination for this problem is difficult. The objective of this memory thus is to develop a strong and robust method capable of facing these various difficulties imposed by the technology choice and the general context of use for home video games consoles. To approach this study, we propose a 3D human model which takes into account physical and kinematic constraints and which allows a coherent integration of various visual information such as face detection, edges and silhouettes. The combined system allows 3D human motion tracking using only one 3D camera.

La recherche effectuée dans cette thèse porte sur le problème de la synthèse de vue c'est-à-dire, comment, d'un ensemble de photographies calibrées d'un objet, générer l'image de cet objet d'un point de vue non photographié. On s'intéresse plus particulièrement au rôle que joue la géométrie dans ce problème. Pour explorer cette question, on analyse les deux approches proposées dans la littérature, soit l'approche géométrique et l'approche par images. L'approche géométrique est basée sur la physique et requiert d'inférer la forme de l'objet, sous l'hypothèse de ses propriétés de réflectance et des conditions d'éclairage, en optimisant une mesure de photo-cohérence. La synthèse de vue s'effectue ensuite par la projection de la forme obtenue selon le point de vue et l'éclairage désirés. Le rôle de la géométrie dans cette approche est donc de définir la surface de l'objet pour permettre le calcul de son interaction avec la lumière. L'approche par images propose quant à elle d'effectuer la synthèse de vue directement par interpolation. La fonction à interpoler est le champ de lumière, qui décrit la couleur de tous les rayons de lumière issus de l'objet. Les pixels de chaque photographie constituent les échantillons à utiliser pour calculer l'approximation du champ de lumière. La synthèse de vue s'effectue en évaluant cette approximation en chacun des rayons qui traversent les pixels de l'image à synthétiser pour en obtenir la couleur. En théorie, la forme de l'objet n'est pas nécessaire dans ce cas, ce qui a l'avantage d'éviter l'inférence de cette forme et les hypothèses que son obtention requiert. En contrepartie, l'approche par images nécessite un nombre plus élevé de photographies que l'approche géométrique pour produire une image de qualité visuellement équivalente. Pour mitiger ce défaut, plusieurs chercheurs ont montré comment exploiter la forme de l'objet ou encore une approximation de celle-ci, obtenue par une approche géométrique, pour améliorer la qualité de l'interpolation. Cette forme permet un meilleur choix des rayons à utiliser pour interpoler un rayon inconnu puisque ce choix est maintenant basé sur la géométrie de l'objet. Ils arrivent ainsi à une diminution significative Résumé iii des artefacts autrement visibles lors de la synthèse. Une telle forme utilisée dans le but d'améliorer l'interpolation porte le nom de proxy, pour la distinguer de la forme de l'objet à laquelle elle n'a pas nécessairement à correspondre. L'utilisation d'un proxy correspond à une approche hybride, dès lors que l'obtention du proxy nécessite les hypothèses de l'approche géométrique. De ce fait, l'approche hybride limite malheureusement la portée de l'approche par images, qui autrement s'applique directement sans supposition au sujet de l'objet. L'idée principale de cette thèse vise remédier à cette situation en montrant que l'obtention d'un proxy n'a pas à s'appuyer sur l'approche géométrique et en partager les hypothèses. Plutôt que tenter d'obtenir un proxy qui approxime la forme de l'objet, on propose un proxy qui améliore directement la qualité de l'interpolation. La caractérisation de la forme recherchée viendra de l'analyse de la borne de l'erreur d'interpolation, issue de la théorie de l'approximation. Il deviendra clair qu'un proxy correspond à une reparamétrisation du domaine du champ de lumière qui en influence la régularité. Un proxy adapté mène à un champ de lumière régulier, ce qui diminue l'erreur d'interpolation et explique la diminution des artefacts visibles lors de la synthèse. On clarifie ainsi le rôle de la géométrie dans l'approche par images. Cette analyse suggère donc d'opter pour un proxy dont la forme maximise la régularité du champ de lumière correspondant, ce que l'on proposera de faire ensuite. Pour permettre cette recherche, on développe une mesure de régularité, appelée le contenu fréquentiel. Cette mesure possède plusieurs avantages comparativement aux mesures existantes dans l'approche géométrique, ce que l'on mettra en évidence. On utilisera le contenu fréquentiel pour obtenir des points de la surface qui maximise la régularité du champ de lumière, que l'on appellera surface de paramétrisation optimale. En cherchant à obtenir la surface de paramétrisation optimale, on rencontre divers problèmes d'ordre pratique. Le premier est la sensibilité du contenu fréquentiel aux erreurs de visibilité, ce qui nuit à sa minimisation. On résout ce problème en proposant une approche de minimisation robuste à ces erreurs. Une autre difficulté est que l'ensemble des points obtenus possède des profondeurs aberrantes, issues d'ambiguïtés quant aux profondeurs qui optimisent le contenu fréquentiel. On proposera une procédure de reconstruction de surface robuste basée sur les fonctions de base radiales combinées aux M-estimateurs. Cette procédure sera utilisée pour reconstruire la surface de paramétrisation optimale. Résumé iv La synthèse de vue d'objets divers à l'aide de la surface de paramétrisation optimale montrera qu'il est possible d'obtenir des résultats de qualité visuellement comparable à ceux que l'on obtient en utilisant la surface de l'objet. On explorera davantage les liens entre la surface de paramétrisation optimale et la surface de l'objet. On montre que les deux ne correspondent pas nécessairement, sauf dans le cas d'un objet lambertien texture, où la surface de l'objet atteint le maximum théorique de régularité. Dans ce cas, on évaluera les performances de l'approche proposée en comparant la surface de paramétrisation optimale à celle de l'objet, obtenue par un capteur télémétrique. Dans les autres cas, on montrera que la surface de paramétrisation optimale possède une forme qui tient compte des reflets dans l'objet. Elle mène ainsi à une géométrie originale qui constitue un meilleur proxy que la surface de l'objet elle-même. La surface de paramétrisation optimale est donc un candidat nouveau pour l'étude de la géométrie multi-vues.

L'organisme À nous le Podium a pour objectif de développer le système sportif canadien, notamment par le financement de la recherche et l'innovation. À la veille des Jeux de 2010, l'équipe de patinage de vitesse courte piste y a présenté un projet faisant l'objet du présent mémoire. Un réseau de quatre caméras synchronisées a été installé à Vancouver et à Montréal. La calibration est réalisée par appariement de cibles à des points de contrôle dans un référentiel orthonormé pour ainsi rectifier les trames par l'application d'une méthode polynomiale. Le suivi optique est basé sur un filtre particulaire qui extrait les trajectoires des patineurs. Tout le système est supporté par un système d'information géographique pour fins de manipulation et visualisation des données. Parallèlement, un outil de simulation a été réalisé pour estimer les forces subies et déployées par l'athlète sous des contraintes de friction et de caractéristiques géométriques imposées au tracé.

Le transport thermique dans les puces électroniques est un excellent exemple des classes de problèmes non encore maîtrisés. Cette difficulté peut être attribuée à de nombreux problèmes qui ne peuvent pas être traités par des moyens classiques. Il est également connu que plus de 50% des défaillances électroniques sont reliées à la thermique. Un problème majeur dans la conception thermique des puces électroniques est lié à des phénomènes thermiques à grande vitesse qui peuvent survenir dans certains composants de tailles micrométriques. Actuellement, les caméras IR commercialisées ont une cadence relativement limitée, soit quelques centaines d'images par seconde, au mieux, ce qui est très lent comparé aux hautes fréquences transitoires impliquées dans le transfert de chaleur dans les puces, soit plus de quelques kHz. Dans ce mémoire, nous proposons une procédure expérimentale qui permet l'amélioration des capacités de la résolution temporelle de systèmes d'imagerie IR. La procédure est basée sur une approche hétérodyne et est utilisée pour l'observation de la température en fonction du temps sur de minuscules microrésistances chauffées par effet Joule de façon périodique. L'approche hétérodyne consiste à utiliser une fréquence d'acquisition pour le système d'imagerie IR qui serait légèrement différente de la fréquence du phénomène de transfert de chaleur sous observation. L'intégration de l'approche hétérodyne à un système d'imagerie IR n'est pas aussi simple qu'il semble être, de nombreux défis doivent être résolus. Nous décrivons ici notre configuration hétérodyne, intégrée à la caméra IR Phoenix MWIR de FLIR Systems (qui présente un taux d'acquisition en trame entière d'environ 90 FIz). Nous avons montré aussi que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possibles par une méthode d'hétérodynage en flash répétés. On utilisera la méthode de Degiovanni qui tient compte des pertes pour l'analyse de la diffusivité dans l'épaisseur (méthode flash ID) et les méthodes Lachi et Philippi pour la diffusivité dans le plan (méthode flash 2D). Contrairement .à l'application microélectronique, nous réalisons ainsi dans le volet thermophysique non seulement une analyse qualitative mais également une analyse quantitative.

Le but de ce document est de vérifier la faisabilité d’un relais de protection de synchronisme en utilisant la fouille de données et les arbres de décisions. En utilisant EMTP-RV, 180 simulations ont été effectuées sur le réseau Anderson en variant l’endroit auquel survient le court-circuit, la durée, le type, ainsi que le load-flow. Pour chacune de ces simulations, 39 mesures électriques ainsi que huit mesures mécaniques sont sauvegardées. Ces simulations sont ensuite classées stables et instables en utilisant le centre d’inertie d’angle et de vitesse. Trente-trois nouvelles autres variables sont déduites des 39 premières et sont ajoutées en utilisant MATLAB. Avec le logiciel KNIME, les arbres de décision de type C4.5, CART, ADABoost, ADTree et les forêts aléatoires sont modélisées et leurs performances en fonction de la période d’échantillonnage sont comparées. Une réduction de variable par filtre de type Consistency Subset Eval, Symmetrical Uncert Attribute Set Eval et Correlation-based Feature Subset Selection est ensuite appliquée. Les simulations sont visualisées en utilisant l’ensemble de validation. Les résultats montrent que l’utilisation d’une fréquence de 240 [Hz] et 28 variables est suffisante pour obtenir, en moyenne, une aire sous la courbe de 0.9591 pour l’ensemble de test et de validation des 4 générateurs. / The goal of this document is to verify the feasability of an out-of-step relay using data mining and decision trees. Using EMTP-RV and the Anderson network, 180 simulations were done while changing the place of the short circuit, the length, the type and the load-flow. For these simulations, 39 electrical measures and 8 mechanical measures were made. These simulations were then classified as stable or instable using the center of inertia of angle and speed. With MATLAB, 33 new other variables were created by using the first 39, and then with KNIME, decisions trees such as C4.5, CART, ADABoost, ADTree and random forest were simulated and the sampling time versus the performances were compared. Using Consistency Subset Eval, Symmetrical Uncert Attribute Set Eval and Correlation-based Feature Subset Selection, the features were reduced and the simulations were visualised using the validation set. Results show that with a sampling frequency of 240 [Hz] and 28 variables is enough to obtain a mean area under the curve of 0.9591 for the training and the validation set of the 4 generators.

L'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à l'aide d'algorithmes de vision artificielle a récemment suscité beaucoup d'intérêt dans les domaines d'applications médicales et de surveillance. Il y a en effet plusieurs avantages à utiliser des algorithmes de vision artificielle pour faire l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes. Par exemple, la démarche d'une personne peut être analysée et modélisée de loin en observant la personne à l'aide d'une caméra, ce qui ne requiert pas le placement de marqueurs ou de senseurs sur la personne. De plus, la coopération des personnes observées n'est pas requise, ce qui permet d'utiliser la démarche des personnes comme un facteur d'identification biométrique dans les systèmes de surveillance automatique. Les méthodes d'analyse et de modélisation de la démarche existantes comportent toutefois plusieurs limitations. Plusieurs de ces méthodes nécessitent une vue de profil des personnes puisque ce point de vue est optimal pour l'analyse et la modélisation de la démarche. La plupart de ces méthodes supposent également une distance assez grande entre les personnes et la caméra afin de limiter les effets néfastes que la projection de perspective a sur l'analyse et la modélisation de la démarche. Par ailleurs, ces méthodes ne gèrent pas les changements de direction et de vitesse dans les marches. Cela limite grandement les marches pouvant être analysées et modélisées dans les applications médicales et les applications de surveillance. L'approche proposée dans cette thèse permet d'effectuer l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à partir de marches et de points de vue non contraints. L'approche proposée est principalement constituée d'une méthode de rectification du point de vue qui permet de générer une vue fronto-parallèle (vue de profil) de la trajectoire imagée des membres d'une personne. Cette méthode de rectification de la vue est basée sur un modèle de marche novateur qui utilise la géométrie projective pour faire les liens spatio-temporels entre la position des membres dans la scène et leur contrepartie dans les images provenant d'une caméra. La tête et les pieds sont les seuls membres nécessaires à l'approche proposée dans cette thèse. La position et le suivi de ces membres sont automatiquement effectués par un algorithme de suivi des membres développé dans le cadre de cette thèse. L'analyse de la démarche est effectuée par une nouvelle méthode qui extrait des caractéristiques de la démarche à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Un nouveau modèle de la démarche basé sur la trajectoire rectifiée des membres est proposé afin de permettre la modélisation et la comparaison de la démarche en utilisant les caractéristiques dynamiques de la démarche. L'approche proposée dans cette thèse est premièrement validée à l'aide de marches synthétiques comprenant plusieurs points de vue différents ainsi que des changements de direction. Les résultats de cette étape de validation montrent que la méthode de rectification de la vue fonctionne correctement, et qu'il est possible d'extraire des caractéristiques de la démarche valides à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Par la suite, l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes sont effectuées sur des marches réelles qui ont été acquises dans le cadre de cette thèse. Ces marches sont particulièrement difficiles à analyser et à modéliser puisqu'elles ont été effectuées près de la caméra et qu'elles comportent des changements de direction et de vitesse. Les résultats d'analyse de la démarche confirment que les caractéristiques de la démarche obtenues à l'aide de la méthode proposée sont réalistes et sont en accord avec les résultats présentés dans les études cliniques de la démarche. Les résultats de modélisation et de comparaison de la démarche démontrent qu'il est possible d'utiliser la méthode proposée pour reconnaître des personnes par leur démarche dans le contexte des applications de surveillance. Les taux de reconnaissance obtenus sont bons considérant la complexité des marches utilisées dans cette thèse. / Gait analysis, modelling and comparison using computer vision algorithms has recently attracted much attention for medical and surveillance applications. Analyzing and modelling a person's gait with computer vision algorithms has indeed some interesting advantages over more traditional biometrics. For instance, gait can be analyzed and modelled at a distance by observing the person with a camera, which means that no markers or sensors have to be worn by the person. Moreover, gait analysis and modelling using computer vision algorithms does not require the cooperation of the observed people, which thus allows for using gait as a biometric in surveillance applications. Current gait analysis and modelling approaches have however severe limitations. For instance, several approaches require a side view of the walks since this viewpoint is optimal for gait analysis and modelling. Most approaches also require the walks to be observed far enough from the camera in order to avoid perspective distortion effects that would badly affect the resulting gait analyses and models. Moreover, current approaches do not allow for changes in walk direction and in walking speed, which greatly constraints the walks that can be analyzed and modelled in medical and surveillance applications. The approach proposed in this thesis aims at performing gait analysis, modelling and comparison from unconstrained walks and viewpoints in medical and surveillance applications. The proposed approach mainly consists in a novel view-rectification method that generates a fronto-parallel viewpoint (side view) of the imaged trajectories of body parts. The view-rectification method is based on a novel walk model that uses projective geometry to provide the spatio-temporal links between the body-part positions in the scene and their corresponding positions in the images. The head and the feet are the only body parts that are relevant for the proposed approach. They are automatically localized and tracked in monocular video sequences using a novel body parts tracking algorithm. Gait analysis is performed by a novel method that extracts standard gait measurements from the view-rectified body-part trajectories. A novel gait model based on body-part trajectories is also proposed in order to perform gait modelling and comparison using the dynamics of the gait. The proposed approach is first validated using synthetic walks comprising different viewpoints and changes in the walk direction. The validation results shows that the proposed view-rectification method works well, that is, valid gait measurements can be extracted from the view-rectified body-part trajectories. Next, gait analysis, modelling, and comparison is performed on real walks acquired as part of this thesis. These walks are challenging since they were performed close to the camera and contain changes in walk direction and in walking speed. The results first show that the obtained gait measurements are realistic and correspond to the gait measurements found in references on clinical gait analysis. The gait comparison results then show that the proposed approach can be used to perform gait modelling and comparison in the context of surveillance applications by recognizing people by their gait. The computed recognition rates are quite good considering the challenging walks used in this thesis.

Le développement des spectromètres par transformée de Fourier (FTS) a connu un essor important en bénéficiant de l'attention de nombreux groupes de recherche à travers le monde depuis les années 1960 (bien que cet instrument existait déjà bien avant), résultant dans la connaissance approfondie que nous en avons aujourd'hui. Dans les années 1990 et 2000, l'augmentation grandissante des performances des caméras à intégration (de type «charge-coupled device» (CCD) ou autre) a permis la croissance accélérée de la technologie FTS imageur, combinant ainsi l'information spatiale à l'information spectrale, et ouvrant la porte à de nouvelles applications pour cet instrument de pointe. Mise à part la quantité phénoménale de données produite par un tel instrument, certains aspects fondamentaux de l'appareil, bien caractérisés pour les instruments mono-pixel, méritent une nouvelle analyse lorsqu'un détecteur de type intégrateur est utilisé. Ce mémoire de maîtrise se concentre sur l'un de ces éléments : la minimisation de la gigue d'échantillonnage des données acquises en présence de perturbations mécaniques. Cette gigue étant principalement due aux variations de vitesse du chariot du miroir en mouvement dans l'instrument, la qualité de l'information de position et de vitesse est tout d'abord améliorée afin d'obtenir un estimé plus précis de l'état du chariot. Puis, sur la base de cette connaissance fiable, deux approches générales sont analysées. Dans un premier temps, une approche de réduction de la gigue d'échantillonnage a priori (soit avant l'intégration intrinsèque à l'acquisition avec une caméra) est abordée et les performances de trois méthodes de génération des instants d'échantillonnage sont comparées, à la fois en simulation et via leur implantation dans un système réel. Dans un deuxième temps, deux algorithmes de ré-échantillonnage sont utilisés afin de corriger la grille d'échantillonnage a posteriori, soit avec la connaissance de la position d'échantillonnage du signal telle qu'estimée par le laser de référence. Pour terminer, l'analyse combinée des résultats fait ressortir la meilleure approche globale et les ressources technologiques requises pour l'implémenter.

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient.

Ce mémoire porte sur la conception d'une station d'acquisition d'images infrarouges et d'autres données. La station d'acquisition permet à des chercheurs de faire l'acquisition d'images infrarouges et visibles dans un environnement quelconque depuis leur laboratoire en contrôlant la caméra à distance. Il est également possible d'investiguer des cibles étendues en procédant à un balayage du champ de vision de la caméra infrarouge par le biais d'une unité Pan-Tilt contrôlée à distance. Un télémètre permettant de mesurer une distance et un angle d'inclinaison peut aussi être contrôlé à distance. Il est utilisé ici pour déterminer la distance et l'orientation de la scène sous observation par rapport à la station d'acquisition. Une simple interface web permet de réaliser certaines captures en temps réel. De même, un interpréteur Python permet d'exécuter des séquences d'actions et d'acquisition de données.

L’objectif du projet est de décrire le trafic de l’environnement réel d’un utilisateur en situation de conduite pour qu’un environnement virtuel lui soit plus adapté. Un véhicule équipé de caméras est confié au futur utilisateur du simulateur pour qu’il effectue plusieurs sorties dans son milieu. Des algorithmes de détection et de suivi sont ensuite appliqués sur ces séquences vidéos. Les détecteurs employés utilisent des caractéristiques Haarlike pour entraîner un système d’arbre de décision boosted en cascade. Ces détecteurs produisent de bons résultats pour des objets rigides malgré une grande complexité d’entraînement. Le suivi se fait par l’appariement de points SIFT. L’emphase du travail fut mise sur le développement du framework de détection et de suivi et l’évaluation de ses performances. Le système performe relativement bien lorsqu’il doit détecter et suivre des objets de moyenne ou grande taille, mais présente des faiblesses sur les petits objets et les changements de pose. / The goal of this project is to describe the traffic present in the real world of a simulator user so that the virtual environment is more adapted to him. A vehicle equipped with non-overlapping-view cameras is lent to the simulator’s future user so that he can use it in his driving environment. These collected data will be analyzed using detecting and tracking algorithms. The selected detector uses Haarlike features combined with boosted cascaded decision trees. Those detectors have a high training complexity, but produce good results for rigid objects. Tracking is carried out by the matching of SIFT feature points. The research emphasis was put on the development of the detection and tracking framework. The system performs relatively well for the detection and the tracking on medium and large objects, but shows some weakness to detect or track small objects and to track a pose changing object.