Au cours de la dernière décennie, la reconnaissance de visage basée sur l’imagerie infrarouge (IR) et en particulier la thermographie IR est devenue une alternative prometteuse aux approches conventionnelles utilisant l’imagerie dans le spectre visible. En effet l’imagerie (visible et infrarouge) trouvent encore des contraintes à leur application efficace dans le monde réel. Bien qu’insensibles à toute variation d’illumination dans le spectre visible, les images IR sont caractérisées par des défis spécifiques qui leur sont propres, notamment la sensibilité aux facteurs qui affectent le rayonnement thermique du visage tels que l’état émotionnel, la température ambiante, la consommation d’alcool, etc. En outre, il est plus laborieux de corriger l’expression du visage et les changements de poses dans les images IR puisque leur contenu est moins riche aux hautes fréquences spatiales ce qui représente en fait une indication importante pour le calage de tout modèle déformable. Dans cette thèse, nous décrivons une nouvelle méthode qui répond à ces défis majeurs. Concrètement, pour remédier aux changements dans les poses et expressions du visage, nous générons une image synthétique frontale du visage qui est canonique et neutre vis-à-vis de toute expression faciale à partir d’une image du visage de pose et expression faciale arbitraires. Ceci est réalisé par l’application d’une déformation affine par morceaux précédée par un calage via un modèle d’apparence active (AAM). Ainsi, une de nos publications est la première publication qui explore l’utilisation d’un AAM sur les images IR thermiques ; nous y proposons une étape de prétraitement qui rehausse la netteté des images thermiques, ce qui rend la convergence de l’AAM rapide et plus précise. Pour surmonter le problème des images IR thermiques par rapport au motif exact du rayonnement thermique du visage, nous le décrivons celui-ci par une représentation s’appuyant sur des caractéristiques anatomiques fiables. Contrairement aux approches existantes, notre représentation n’est pas binaire ; elle met plutôt l’accent sur la fiabilité des caractéristiques extraites. Cela rend la représentation proposée beaucoup plus robuste à la fois à la pose et aux changements possibles de température. L’efficacité de l’approche proposée est démontrée sur la plus grande base de données publique des vidéos IR thermiques des visages. Sur cette base d’images, notre méthode atteint des performances de reconnaissance assez bonnes et surpasse de manière significative les méthodes décrites précédemment dans la littérature. L’approche proposée a également montré de très bonnes performances sur des sous-ensembles de cette base de données que nous avons montée nous-mêmes au sein de notre laboratoire. A notre connaissance, il s’agit de l’une des bases de données les plus importantes disponibles à l’heure actuelle tout en présentant certains défis. / Over the course of the last decade, infrared (IR) and particularly thermal IR imaging based face recognition has emerged as a promising complement to conventional, visible spectrum based approaches which continue to struggle when applied in the real world. While inherently insensitive to visible spectrum illumination changes, IR images introduce specific challenges of their own, most notably sensitivity to factors which affect facial heat emission patterns, e.g., emotional state, ambient temperature, etc. In addition, facial expression and pose changes are more difficult to correct in IR images because they are less rich in high frequency details which is an important cue for fitting any deformable model. In this thesis we describe a novel method which addresses these major challenges. Specifically, to normalize for pose and facial expression changes we generate a synthetic frontal image of a face in a canonical, neutral facial expression from an image of the face in an arbitrary pose and facial expression. This is achieved by piecewise affine warping which follows active appearance model (AAM) fitting. This is the first work which explores the use of an AAM on thermal IR images; we propose a pre-processing step which enhances details in thermal images, making AAM convergence faster and more accurate. To overcome the problem of thermal IR image sensitivity to the exact pattern of facial temperature emissions we describe a representation based on reliable anatomical features. In contrast to previous approaches, our representation is not binary; rather, our method accounts for the reliability of the extracted features. This makes the proposed representation much more robust both to pose and scale changes. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated on the largest public database of thermal IR images of faces on which it achieves satisfying recognition performance and significantly outperforms previously described methods. The proposed approach has also demonstrated satisfying performance on subsets of the largest video database of the world gathered in our laboratory which will be publicly available free of charge in future. The reader should note that due to the very nature of the feature extraction method in our system (i.e., anatomical based nature of it), we anticipate high robustness of our system to some challenging factors such as the temperature changes. However, we were not able to investigate this in depth due to the limits which exist in gathering realistic databases. Gathering the largest video database considering some challenging factors is one of the other contributions of this research.

L’évaluation non-destructive (END) est une branche de la science qui s’intéresse à l’uniformité, la qualité et la conformité des matériaux et les composants qu’ils servent à construire. Les techniques de END visent à repérer et à mesurer les caractéristiques principales des matériaux sans en affecter ou à en détruire la structure ou la fonctionnalité. L’END permet d’observer les propriétés internes des pièces et de détecter les défauts sous leur surface. Cette approche est devenue graduellement une technologie importante pour garantir la sécurité et la fiabilité de plusieurs composantes de système en design, en fabrication et en développement de produits. La thermographie infrarouge est une approche d’END sans contact rapide qui utilise des caméras thermiques. Elle permet de détecter l’énergie thermique émise par les objets et à en afficher la distribution en température de la surface du spécimen sous observation. Dans ce projet, notre objectif est d’exploiter la thermographie infrarouge pour détecter les défauts sous la surface des objets. Plus spécialement, nous nous intéressons à la localisation des défauts et à l’estimation de leur profondeur sous la surface. Le manuscrit présente une investigation de différentes méthodes de localisation de défauts et de mesure de leur profondeur des défauts sous la surface pour différentes catégories de matériaux. / Non-Destructive Testing (NDT) is an aspect of science concerning on uniformity, quality and serviceability of materials and their components. NDT techniques attempt to inspect and measure significant features of materials without changing or destroying their structure or functionality. NDT makes it possible to observe the internal properties of parts and detect the undersurface defects. NDT has progressively become an important technology to assure safety and reliability of many system components in the design, manufacturing and development areas. Infrared thermography is essentially a fast non-contact NDT inspection method that uses thermographic cameras. This technique detects the infrared energy emitted from objects and displays the corresponding temperature distributions on the specimen. In this project, we aim to use infrared thermography for detecting subsurface defects. Localizing the defects and estimating their depths are the important problems to be addressed in our research project. The manuscript investigates different methods related to these challenges.

Ce travail de recherche vise à mesurer et à contrôler la distribution du diamètre des bulles (DDB) dans une colonne de flottation. L'objectif se décompose en trois parties. La première phase vise à estimer correctement la taille des bulles grâce à des algorithmes de traitement d'images prises par une caméra. La DDB obtenue est ensuite modélisée par une distribution log-normale qui est définie par deux paramètres, la moyenne et l'écart type. Deuxièmement, grâce au nouveau système de mesure et à la représentation log-normale, un modèle dynamique à gains non linéaires (structure de Wiener) dont les sorties sont la moyenne et l'écart-type de la DDB est estimé. Une bonne concordance entre la réponse du système expérimental et celle du modèle identié est observée. Finalement, une stratégie de commande prédictive contrainte basée sur le modèle de Wiener est conçue afin de réguler la BSD. Les résultats de laboratoire obtenus sont très satisfaisants.

Cette thèse a pour objectif l’exploration des applications potentielles des peignes de fréquences en télédétection. Pour ce faire, trois configurations expérimentales sont étudiées. Pour chacune des configurations, une analyse de divers aspects de leur fonctionnement est faite et les avantages et les inconvénients qui y sont propres sont discutés. Des montages expérimentaux basés sur ces configurations ont été fabriqués en laboratoire. Des mesures expérimentales viennent démontrer les capacités de détection des différentes techniques. La première configuration étudiée concerne l’échantillonnage passif d’une source optique externe. Cette technique permet d’évaluer le spectre de la source d’intérêt en la combinant interférométriquement avec les impulsions d’une paire de peignes de fréquences. Une étude probabiliste de la technique est effectuée afin d’en évaluer les limites de performance. Des mesures de sources cohérentes et incohérentes à haute résolution spectrale sont présentées. La deuxième technique étudiée exploite la configuration dite incohérente permettant de faire la caractérisation active d’une cible. Cette technique rend possible la mesure hyperspectrale résolue en distance d’une scène observée. Un montage expérimental de lidar hyperspectral a été conçu et fabriqué en laboratoire dans le but de faire des mesures extérieures de cibles à une distance allant jusqu’à 175 m. Les capacités de détection de plusieurs caractéristiques de cibles sont démontrées pour des cibles dures et distribuées, sous forme de nuages d’aérosols. Des mesures de raies d’absorption moléculaire, ainsi que d’épaisseur d’échantillons transparents et translucides, sont présentées. La troisième configuration étudiée, dite cohérente, permet de faire de la mesure active d’une cible en utilisant un des trains d’impulsions comme oscillateur local. L’utilisation d’un oscillateur local ouvre la porte à des mesures de vibrométrie à haute sensibilité, ce qui est impossible en configuration incohérente. Un modèle analytique de collecte de puissance pour les systèmes à un seul mode transversal, permettant de prédire les puissances en jeu en configuration cohérente, est développé et validé expérimentalement. La technique de référencement habituelle, permettant de corriger les erreurs causées par les fluctuations des paramètres des peignes, est modifiée et adaptée aux mesures de vibrométrie cohérente. Des mesures de vibrométrie résolue en distance sont présentées, où la capacité du système à démoduler une voix humaine à partir des vibrations d’un mur est démontrée. / The goal of this thesis is to explore the potential applications of frequency combs for remote sensing. For this purpose, three comb-based configurations are studied. For each of these configurations, an analysis of their workings is performed and their advantages and disadvantages are discussed. Experimental setups based on those configurations were built in laboratory. The detection capabilities of the techniques are demonstrated through experimental measurements. The first configuration that is studied enables passive sampling of an external optical source. Using this technique, it is possible to compute the spectrum of the considered source by interferometrically combining it with the pulses from a pair of frequency combs. A stochastic study of the technique is performed to assess its performance limits. Coherent and incoherent sources with high-resolution spectral content are measured. The second technique uses a configuration called incoherent that enables active characterization of a target. Using this technique, it is possible to perform range-resolved hyperspectral measurements of an observed scene. A hyperspectral lidar setup was designed and assembled in laboratory with the goal of performing outdoors measurements of targets at distances up to 175 m. The sensing capabilities of the system are shown for hard and distributed targets, in the form of aerosol clouds. Molecular absorption measurements, as well as thickness measurements for both transparent and translucent targets, are shown. Using the coherent configuration, which is the third one that was considered, it is possible to make active measurements of a target by using one of the pulse trains as a local oscillator. The use of a local oscillator opens the door to high sensitivity vibrometry, which is impossible with the incoherent configuration. An analytical model for the power collection capabilities of a single-transverse-mode system, which has to be used for coherent measurements, is developed and experimentally validated. The usual referencing technique, which is used to correct for fluctuations in comb parameters, is modified and adapted to the case of coherent vibrometry. Range-resolved vibrometry measurements are performed, demonstrating the capability of the system to extract a human voice signal from the vibrations of a wall.

Ce mémoire présente les algorithmes et le matériel utilisé dans le cadre de ce projet de localisation de sources sonores affectées par de la distorsion. Le système d’acquisition conçu est un réseau linéaire de capteurs acoustiques. Il permet l’enregistrement de données empiriques et offre une flexibilité dans le choix des paramètres, entre autres l’emploi d’un maximum de 12 capteurs, un espacement flexible entre ceux-ci et une amplification à gain variable. La propagation de l’onde sonore dans l’air est affectée par l’inhomogénéité du milieu, ce qui provoque la distorsion des fronts d’onde. Des algorithmes classiques, qui ne tiennent pas compte de la distorsion, et d’autres récupérant les fronts distordus sont utilisés pour localiser les sources. L’effet de cette distorsion sur la localisation est ainsi observé. Les signaux monochromatiques, utilisant les différences de phase, comme ceux d’impacts, exploitant les différences des temps d’arrivée, sont localisés. / In this project, we present the algorithms and the hardware used to locate acoustic sources affected by distortion. The designed acquisition system is a linear array of acoustic sensors. It allows the recording of experimental data and is flexible for the choice of its parameters. Among others, the system uses up to 12 sensors, a variable spacing between them and variable gain amplification. The propagation of the sound waves in air is affected by the environment inhomogeneity, which causes wavefront distortion. Classical algorithms, which don’t take into account the distortion, and other algorithms, recovering distorted wavefronts, are used to locate sources. The effects of wavefront distortion are then observed. Monochromatic signals, using the phase differences, and impact signals, using time difference of arrivals, are both located.

Ce mémoire décrit le développement d’une technique incohérente de détection LADAR à l’aide d’une diode laser à longueur d’onde accordable afin d’identifier un échantillon multicouches à distance avec une résolution submillimétrique. Les principes de LADAR ainsi que les techniques d’interférométrie utilisés pour la détection d’un échantillon multicouches sont présentés. Par la suite, les concepts théoriques essentiels pour ce mémoire sont décrits, en particulier l’interféromètre à fréquence accordable, la comparaison des mesures prises en réflexion et transmission, et l’effet des mesures prises à un angle d’incidence. La phase expérimentale consistait en une série d’essais en laboratoire pour valider le montage expérimental, ainsi qu’un programme diversifié de mesures extérieures avec une multitude de configurations d’échantillons multicouches. Les résultats concluants démontrent la capacité d’identifier et de définir des échantillons multicouches à distances, incluant lorsque mesurés à un angle d’incidence. / This thesis outlines the development of an incoherent LADAR detection technique using a tunable laser diode source to identify and characterize multilayer samples with sub-millimeter resolution at long-range distances. The principles of LADAR and interferometry techniques currently being utilized to detect a stratified medium are first described. This is followed by the theoretical concepts that underline the work of this thesis, where in particular the frequency swept interferometer, the comparison of measurements performed in reflection versus transmission, and the effects of off-axis measurements are explained. The experimental phase consisted of a series of indoor tests to validate the experimental setup and the signal analysis code, and a wide-ranging outdoor measurement programme with numerous configurations of multilayer samples. The results successfully demonstrate the ability to identify and characterize multilayer samples at long-range distances, including when there is an angle of incidence on the substrate.

La détection de la similarité ou de la différence entre les images et leur mise en correspondance sont des problèmes fondamentaux dans le traitement de l'image. Pour résoudre ces problèmes, on utilise, dans la littérature, différents algorithmes d'appariement. Malgré leur nouveauté, ces algorithmes sont pour la plupart inefficaces et ne peuvent pas fonctionner correctement dans les situations d’images bruitées. Dans ce mémoire, nous résolvons la plupart des problèmes de ces méthodes en utilisant un algorithme fiable pour segmenter la carte des contours image, appelée carte des CCPs, et une nouvelle méthode d'appariement. Dans notre algorithme, nous utilisons un descripteur local qui est rapide à calculer, est invariant aux transformations affines et est fiable pour des objets non rigides et des situations d’occultation. Après avoir trouvé le meilleur appariement pour chaque contour, nous devons vérifier si ces derniers sont correctement appariés. Pour ce faire, nous utilisons l'approche « Weighted Graph Transformation Matching » (WGTM), qui est capable d'éliminer les appariements aberrants en fonction de leur proximité et de leurs relations géométriques. WGTM fonctionne correctement pour les objets à la fois rigides et non rigides et est robuste aux distorsions importantes. Pour évaluer notre méthode, le jeu de données ETHZ comportant cinq classes différentes d'objets (bouteilles, cygnes, tasses, girafes, logos Apple) est utilisé. Enfin, notre méthode est comparée à plusieurs méthodes célèbres proposées par d'autres chercheurs dans la littérature. Bien que notre méthode donne un résultat comparable à celui des méthodes de référence en termes du rappel et de la précision de localisation des frontières, elle améliore significativement la précision moyenne pour toutes les catégories du jeu de données ETHZ. / Matching and detecting similarity or dissimilarity between images is a fundamental problem in image processing. Different matching algorithms are used in literature to solve this fundamental problem. Despite their novelty, these algorithms are mostly inefficient and cannot perform properly in noisy situations. In this thesis, we solve most of the problems of previous methods by using a reliable algorithm for segmenting image contour map, called CCP Map, and a new matching method. In our algorithm, we use a local shape descriptor that is very fast, invariant to affine transform, and robust for dealing with non-rigid objects and occlusion. After finding the best match for the contours, we need to verify if they are correctly matched. For this matter, we use the Weighted Graph Transformation Matching (WGTM) approach, which is capable of removing outliers based on their adjacency and geometrical relationships. WGTM works properly for both rigid and non-rigid objects and is robust to high order distortions. For evaluating our method, the ETHZ dataset including five diverse classes of objects (bottles, swans, mugs, giraffes, apple-logos) is used. Finally, our method is compared to several famous methods proposed by other researchers in the literature. While our method shows a comparable result to other benchmarks in terms of recall and the precision of boundary localization, it significantly improves the average precision for all of the categories in the ETHZ dataset.

La spectroscopie par la mesure du spectre optique est un outil dont on ne peut aujourd’hui plus se passer dans la grande majorité des laboratoires de chimie analytique et pour les applications de télédétection. À cet effet, l’usage de spectromètres par transformation de Fourier, les FTS (Fourier Transform Spectrometer), est très répandu. Parmi ces spectromètres, on trouve de plus en plus des instruments imageurs: les iFTS. À la différence des FTS classiques qui ne mesurent qu’un seul point, les iFTS mesurent un grand nombre de points d’une scène simultanément, ce qui ouvre la porte à des analyses spectrales sur des images. Les mesures spectrales effectuées par des FTS présentent certaines erreurs systématiques qui sont en grande partie décrites par la fonction de réponse spectrale de l’instrument, ou la SRF (Spectral Response Function). Dans le cas des instruments imageurs, chaque pixel possède sa propre réponse spectrale individuelle. Cela ouvre une toute nouvelle dimension dans l’analyse et la prédiction des erreurs systématiques de l’instrument. Grâce à la combinaison de la capacité d’imagerie et de télédétection des FTS imageurs, ce type d’instrument est souvent choisi pour des applications aérospatiales de sciences atmosphériques, tant pour l’étude de l’atmosphère terrestre que d’autre corps célestes. Ces applications sont toutefois très exigeantes et présentent des requis très stricts en matière de précision spectrale des instruments de mesure. Répondre à ces exigences sans une connaissance excellente de la réponse spectrale est impensable. La modélisation de la réponse des spectromètres permet d’obtenir une bonne connaissance des performances de ces instruments. Cette thèse propose d’abord une revue des effets affectant la réponse spectrale des FTS imageurs, pour ensuite présenter une nouveau modèle numérique de cette famille d’instruments. Ce modèle global de performance spectrale inclut des effets optiques généralement ignorés, simplifiés ou modélisés individuellement. La nécessité de modéliser ces effets, tels que ceux qui sont causés par la fonction de transfert optique de l’objectif du détecteur ou par l’architecture de la matrice de détecteur en plan focal (FPA), est démontrée par des usages exemplaires du modèle. Enfin, l’application du modèle comme support à l’analyse de performance du spectromètre imageur GLORIA est présentée. / Spectroscopy and the measurement of light spectrum have become essential tools in a large number of fields, from analytic laboratories to remote sensing field measurements. In these applications, the use of Fourier transform spectrometers (FTS) is widespread and, more recently, imaging Fourier transform spectrometers (iFTS) are becoming ever more popular. The iFTS instruments enable spatially resolved highresolution spectral analysis within a single measurement, thus allowing the study of fine spectral variations in observed scenes. Such measurements inherently include systematic errors which can be in large part described by the instrument spectral response function, often referred to as SRF. In the case of iFTS, each pixel of the instrument will sport a different spectral response, which opens a whole new dimension not only in the measurement itself, but also for error analysis and instrument design. Because of their unique imaging capacity, iFTS instruments are a prime choice for remote sensing applications from airborne or spaceborne platforms for the measurement of the Earth atmosphere, as well as the atmosphere of other celestial bodies. The requirements on the spectral accuracy demanded by such missions are very high. To achieve these requirements, an excellent knowledge of the instrument spectral response is essential. Modelling of the spectral response of iFTS instruments is a possible approach to achieve the desired knowledge of instrument performances. This thesis offers a review of the factors affecting the spectral performances of FTS instruments from which a numerical model of the spectral response specifically designed with imaging instrument in mind is proposed. This model integrates optical effects which were up to now only studied separately – if at all – and not integrated in a global performance model of the instrument. The necessity to consider these effects, such as those caused by the optical transfer function of the detector imaging optic or the architecture of the imaging focal plane array (FPA), is demonstrated. Using dedicated measurement of the airborne iFTS GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance of the Atmosphere), the application of the model for performance analysis and review is demonstrated.

Ce mémoire a pour principal objectif d’identifier des concepts de commande d’attitude et de guidage en boucle ouverte pour supporter le développement éventuel d’un lanceur canadien pouvant effectuer la mise en orbite de microsatellites. Une revue de la littérature des différents systèmes impliqués dans l’asservissement d’un lanceur est présentée. Cette revue a permis de cibler les principales difficultés rencontrées pour la commande d’attitude des lanceurs, ainsi que certaines pistes de solutions. Ces difficultés sont principalement la flexion et le ballottement des ergols. Les équations de mouvement de l’attitude d’un lanceur à corps rigide en fonction de l’angle de braquage d’une tuyère sont décrites. Des régulateurs qui stabilisent et asservissent le lanceur flexible en vitesse angulaire et en position angulaire sur le simulateur Simulink® à six degrés de liberté du RDDC Valcartier sont développés. Pour finir, deux techniques de guidage sont expliquées et testées en présence de diverses perturbations. / This memoir’s main objective is to identify concepts of attitude control and open loop guidance to support the eventual development of a Canadian launcher, capable of orbiting microsatellites. A literature review of various systems involved in the stabilization of the launcher is presented. This review pinpointed the main difficulties met for attitude control of launch vehicles, as well as some possible solutions. Those are mainly the bending and sloshing of propellant. The attitude equations of motion for a rigid body launcher as a function of the steering angle of a nozzle are described. Controllers that stabilize and control the flexible launcher angular velocity and angular position on the six degrees of freedom DRDC Valcartier Simulink® simulator are devellopped. Finally, two techniques for guidance are explained and tested in presence of various perturbations.

Dans le but d'étendre la plage d'utilisation des instruments à peignes de fréquence en les rendant plus polyvalents, les travaux de cette thèse présentent des solutions à deux limitations fondamentales liées à leur utilisation : le rapport cyclique de mesure utile et la bande optique limitée, et parfois non disponible, des sources lasers utilisées. La première limitation provient du fait que dans un interféromètre à peignes, la plage de l'interférogramme mesurée est fixée par le taux de répétition des peignes. Ainsi, lorsqu'une plage plus petite est nécessaire, du temps de mesure est perdu et l'utilisation de l'instrument n'est plus optimale. La solution qui est proposée est d'utiliser seulement un peigne, mais dans une configuration où l'échantillonnage optique est réalisé en variant la longueur de la cavité laser. Ensuite, pour démontrer comment la deuxième limitation peut être contournée, des peignes générés de manière non linéaire par doublage de fréquence sont utilisés pour développer un interféromètre référencé à peignes doublés. Afin d'extraire des mesures précises avec les interféromètres à peignes, le battement entre les peignes doit être référencé. Dans les travaux de cette thèse, un système de référencement optique développé pour les interféromètres à peignes est adapté aux deux instruments proposés. Dans le cas de l'interféromètre à peignes doublés, un système de référencement fonctionnant à la fréquence fondamentale des peignes est démontré. Pour évaluer les performances des instruments développés dans ces travaux, des mesures précises de l'absorption du cyanure d'hydrogène, du rubidium, de l'oxygène et de l'acétylène sont présentées, incluant des mesures moyennées sur quelques heures par un système de correction et de moyennage en temps réel.