Pas de résumé / CMOS image sensor based on Active pixel sensor has considerably contributed to the imaging market and research interest in the past decade. Furthermore technology advancement has provided the capability to integrate more and more functionality into a single chip in multiple layers leading to a new paradigm, 3D integration. CMOS image sensor is one such application which could utilize the capability of 3D stacked architecture to achieve dedicated technologies in different layers, wire length reduction, less area, improved performancesThis research work is focused mainly on the early stages of design space exploration using hierarchical approach and aims at reducing time to market. This work investigates the imager from the top-down design perspective. Methodical anal y sis of imager is performed to achieve high level of flexibility and modularity. Re-useable models are developed to explore early design choices throughout the hierarchy. Finally, pareto front (providing trade off solutions) methodology is applied to explore the operating range of individual block at system level to help the designer making his design choice. Furthermore the thermal issues which get aggravated in the 3D stacked chip on the performance of the imager are studied. Systeme based thermal model is built to investigate the behavior of imager pixel matrix and to simulate the pixel matrix at high speed with acceptable accuracy compared to electrical simulations. The modular nature of the model makes simulations with future matrix extension straightforward. Validation of the thermal model with respect to electrical simulations is discussed. Finally an integrated design flow is developed to perform 3D floorplanning and to perform thermal anal y sis of the imager pixel matrix.

Près d’un quart de la population mondiale présente au moins un signe de dysfonction de l’appareil manducateur, pour seulement 5 à 12% de prise en charge. Les différents composants de cet appareil fonctionnent en synergie et s’auto-influencent, ce qui entraîne des dysfonctions diverses, encore mal expliquées à ce jour. L’objectif de cette thèse est l’étude des mouvements mandibulaires pour la compréhension du fonctionnement de l’appareil manducateur, avec comme enjeu principal, la création d’un outil de diagnostic pour l’identification de dysfonctions. Pour cela, dans un premier temps, un protocole de mesures cinématiques, dont la précision et la répétabilité ont été caractérisées, a été proposé. Dans un second temps, les mesures cinématiques ont été réalisées sur 29 sujets asymptomatiques et 15 sujets avec dysfonctions mineures. Des mouvements élémentaires de la bouche en ouverture-fermeture, latéralité et propulsion ont été enregistrés. L’analyse des trajectoires des pôles condyliens dans différents plans anatomiques permet d’identifier des tendances générales mais met en évidence une grande variabilité inter-individuelle dans l’exécution des mouvements. L’étude des six mobilités de la mandibule complète cette information et démontre l’activation simultanée de translations et de rotations pour chacun des mouvements étudiés. Ceci constitue la première base de données de l’évolution des mobilités pour la mandibule humaine pour trois types de mouvements élémentaires. La comparaison de sujets présentant des dysfonctions mineures avec cette base de données montre que les mouvements de latéralité et de propulsion peuvent être des révélateurs de ces dysfonctions. Ces premiers résultats sont encourageants pour l’utilisation de l’analyse cinématique dans le cadre du diagnostic et du suivi de patients. / Nearly a quarter of the world's population has at least one sign of temporomandibular disorder, for only 5 to 12% of treatment. The different components of the masticatory system operate in synergy and self-influence, resulting in various dysfunctions which are still not well explained to date.The objective of this thesis is the study of the mandibular movements in order to understand the functioning of the masticatory system. The main challenge is the creation of a diagnostic tool for the identification of dysfunctions. To this end, a protocol of kinematic measurements was first proposed. Moreover, the precision and the repeatability of this protocol have been characterized. In a second step, the kinematic measurements were performed on 29 asymptomatic subjects and 15 subjects with minor dysfunctions. Basic movements of the mouth in opening-closing, lateral and propulsion were recorded. The analysis of condylar pathway in different anatomical planes makes it possible to identify general trends but shows a great interindividual variability in movements execution. The study of the six mobilities of the mandible completes this information and demonstrates the simultaneous activation of translations and rotations for each of the studied movements. This constitutes the first database of the evolution of mobilities for the human mandible for three types of basic movements. The comparison of subjects with minor dysfunctions with this database shows that the lateral and propulsion movements can be revealing of these dysfunctions. These first results are encouraging for the use of kinematic analysis in the diagnosis of temporomandibular disorders and patients monitoring.

Les techniques de réalisation des reconstitutions prothétiques en Odontologie ont été profondément modifiées par l'avènement et le développement de la Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur (CFAO). La qualité d'une prothèse fixée est caractérisée par la bonne adaptation de celle-ci sur son pilier dentaire afin d'assurer la longévité de l'assemblage dentoprothétique. L'évaluation de l'adaptation marginale et interne par l'analyse du hiatus est un élément essentiel du contrôle de leur qualité. Cependant, la littérature rapporte de nombreuses méthodes d'évaluation de l'adaptation compromettant d'autant la comparaison pertinente et la validité des valeurs de ces hiatus. Le but de cette thèse est la mise au point d'une méthode de mesure du hiatus dento-prothétique qui bénéficierait de qualités métrologiques suffisantes pour rendre pertinente la comparaison et l'analyse des différentes chaînes de mesure accessibles sur le marché. L'étude des besoins métrologiques de l'évaluation du hiatus et des méthodes de mesure recensés dans la littérature a permis de retenir une chaîne de mesure, dénommée "Triple scan". Grâce aux résultats obtenus au cours de ces travaux, cette méthode semble pertinente pour évaluer tridimensionnellement le hiatus dento-prothétique. Elle a été comparée à d'autres méthodes documentées et validées dans la littérature telles que la méthode des répliques en élastomère et celle utilisant la microtomographie Rx. Les résultats obtenus conduisent à conclure que la méthode "Triple scan" serait plus appropriée dans les expertises approfondies sur les performances des systèmes de CFAO en termes de fidélité aux paramètres fixés et de reproductibilité de leur fabrication. / Techniques for producing prosthetic reconstitutions in odontology have undergone radical change due to the emergence and development of Computer Aided Design and Manufacturing (CAD/CAM). The quality of a fixed prosthesis is characterised by its correct adaptation on its dental abutment to ensure the longevity of the dento-prosthetic assembly. Evaluating the marginal and internal adaptation by analysing the gap is essential for controlling its quality. However, the numerous methods reported in the literature make it difficult to perform a pertinent and valid analysis of the values of these gaps. The purpose of this thesis is the development of a method of measuring the dento-prosthetic gap endowed with sufficient metrological capacities to ensure the pertinence of comparisons and analyses of the different measurement systems available on the market. The study of metrological requirements for evaluating the gap and the measurement methods identified in the literature has led to the selection of measurement system known as II Triple scan". The results obtained during these works demonstrated the pertinence of this method for the 3-dimensional evaluation of the dento­-prosthetic gap. It was compared to other methods documented and validated in the literature such as the elastomer replica method and that using X-ray microtomography. The results obtained lead to the conclusion that the "Triple scan" is the most appropriate for in-depth analysis of the performances of CAD/CAM systems in terms of fidelity to the parameters determined and the reproducibility of fabrication.

Pas de résumé / This work presents the 3D Spatial Qualification tool (3DSQ) which was created tocompute spatial data stored in OWL-DL ontology. By using the adjustment principle ofan existing ontology, it is then possible to add 3D data to existing objects and computetheir spatial relationships from their 3D models. The 3DSQ Platform makes an attempt toensure the interaction between heterogeneous environments. Actually, such a semanticplatform connects an adjusted OWL ontology structure, a 3D quantification engine, avisualization engine and a set of geometry via knowledge processing technologymaterialized via SWRL, SQWRL rules and SPARQL queries within its extended Built-Ins. The created Spatial Built-Ins are connected to the presented quantification engine andenable qualifying semantic spatial relationships. This will mainly help us to not just applysemantic queries selecting geometry based on such a qualified relationship, but also tobenefit from the richness of the knowledge based schema, from a logical point of view. Itincludes the semantic definition and the implementation of the standard 3D spatialrelationships and uses sophisticated geometry data structure like NEF Polyhedra. Itfurther describes the implementation of the suggested bridge by the means of the NEFPolyhedra operation and the DLs definition of spatial relation.In addition, this thesis presents an application of the 3DSQ platform. It is argued that therepresentation of spatial information is not a fundamental limitation of OWL, wherelinking top level semantic qualification with low level quantitative calculation is highlypossible and efficient via the OWL-DL expressive power. This efficiency is carried outby the semantic rule system, and the geometry data structure required for therepresentation of spatial regions. In fact, such a semantic qualification based ondescription logic (DLs), and OWL ontologies enable much more efficient and intelligentspatial analysis semantically. To prove the feasibility and to validate the 3DSQ Platformwithin its quantitative and qualitative 3D spatial operators, real applied areas related toBuilding Information Model (BIM), IFC and especially 3D point clouds data wereaddressed. Given the complexity of the underlying problems, the suggested new methodsresort to using semantic knowledge, in particular, to support the object detection andqualification. In this context, a novel approach which makes use of the 3DSQ platformand benefits from intelligent knowledge management strategies to qualify objects will bediscussed. It is based on the semantics of different associated domains to assist inknowledge formalization where Knowledge helps in the qualification process, and can beclearly palpable through the thesis.Such a conception will bring solutions to the problem raised by the syntactic exchangelevel between CAD software packages, IFCs or 3D point cloud geometries. Moreover, allrelations between the different geometries are defined by elements suggested in thisthesis. In fact, these relations define how elements can interact. Such a semantic can onlybe synthetized, used and invested by OWL ontology structure with all the robustness ofthe Description Logics

La géométrie numérique en temps réel est un domaîne de recherches émergent en informatique graphique.Pour pouvoir générer des images photo-réalistes de haute définition,beaucoup d'applications requièrent des méthodes souvent prohibitives financièrementet relativement lentes.Parmi ces applications, on peut citer la pré-visualisation d'architectures, la réalisation de films d'animation,la création de publicités ou d'effets spéciaux pour les films dits réalistes.Dans ces cas, il est souvent nécessaire d'utiliser conjointement beaucoup d'ordinateurs possédanteux-mêmes plusieurs unités graphiques (Graphics Processing Units - GPUs).Cependant, certaines applications dites temps-réel ne peuvent s'accomoder de telles techniques, car elles requièrentde pouvoir générer plus de 30 images par seconde pour offrir un confort d'utilisationet une intéraction avec des mondes virtuels 3D riches et réalistes.L'idée principale de cette thèse est d'utiliser la synthèse de géométrie,la géométrie numérique et l'analyse géométrique pourrépondre à des problèmes classiques en informatique graphique,telle que la génération de surfaces de subdivision, l'illumination globaleou encore l'anti-aliasing dans des contextes d'intéraction temps-réel.Nous présentons de nouveaux algorithmes adaptés aux architectures matérielles courantes pour atteindre ce but. / Eal-time geometry synthesis is an emerging topic in computer graphics.Today's interactive 3D applications have to face a variety of challengesto fulfill the consumer's request for more realism and high quality images.Often, visual effects and quality known from offline-rendered feature films or special effects in movie productions are the ultimate goal but hard to achieve in real time.This thesis offers real-time solutions by exploiting the Graphics Processing Unit (GPU)and efficient geometry processing.In particular, a variety of topics related to classical fields in computer graphics such assubdivision surfaces, global illumination and anti-aliasing are discussedand new approaches and techniques are presented.

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but la maîtrise des méthodes d'étalonnage par multilatération. Ils s'inscrivent dans une collaboration entre le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) et le Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (LURPA). Dans ces travaux, la multilatération est dite séquentielle car réalisée avec un unique Laser Tracer positionné successivement plusieurs points de l'espace. La détermination de ces positions ainsi que des bras-morts de l'interféromètre est le point clef de la méthode. Pour l'évaluation des incertitudes, le raccordement aux étalons est fait via les longueurs interférométriques délivrées par le Laser Tracer. Elles sont associées à des défauts caractéristiques d'une cinématique particulière ou aux coordonnées des points mesurés. Elles sont évaluées au travers de la stratégie de mesure et des performances de chaque composant intervenant lors de la procédure d'étalonnage. Mesurer les coordonnées d'un point cible de l'espace par multilatération implique de connaître les positions des points de vue depuis lesquels le point est visé, ainsi que les longueurs qui le séparent des points de vue qui en pratique sont les centres des Laser Tracer. La méthode que nous proposons permet d'identifier les positions et bras-morts des Laser Tracer qui constituent un repère de mesure qualifié de Système Mesurant de Référence (SMR), puis de réaliser la multilatération. Ensuite, l'extraction de défauts volumiques permet éventuellement d'identifier les défauts cinématiques d'une chaîne de solides particulière associée au volume de mesure. Dans cette optique, nous proposons une procédure type inspirée des travaux du LNE axés sur l'utilisation d'une barre à trous pour identifier les défauts cinématiques d'une MMT à trois axes cartésiens. Cette méthode se démarque des approches actuellement proposées car le SMR est construit indépendamment de l'identification des défauts de l'appareil de mesure. De plus, la procédure d'étalonnage que nous proposons repose sur une investigation axe par axe plutôt que par une optimisation globale du problème d'étalonnage. En nous focalisant sur les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), nous proposons un bilan d'incertitudes qui a inclus des facteurs dont le rôle n'était auparavant pas pris en compte dans la littérature. Ces facteurs sont liés au fait de n'utiliser qu'un seul Laser Tracer pour étalonner la MMT. Nous proposons un module d'évaluation des incertitudes qui permet, grâce à des simulations de Monte Carlo, d'identifier l'influence de chacun de facteurs d'incertitude. La pertinence d'une stratégie d'étalonnage peut donc être évaluée à priori de la mise en œuvre de la procédure. L'outil de simulation proposé s'appuie sur la simulation du comportement de la MMT et de celui du Laser Tracer lors de la mesure. Deux indicateurs d'incertitude sont proposés pour l'étude des incertitudes. L'un est lié à l'exactitude de calcul du SMR construit sur les positions successives du Laser Tracer, l'autre est une image de l'incertitude obtenu sur les profils des défauts cinématiques calculés. Cet outil de simulation a permis de valider l'importance des sources d'incertitudes établies initialement pour l'étalonnage d'une MMT à trois axes cartésiens. L’ensemble de la démarche a été appliqué et validé pour une MMT à 3 axes cartésiens en conditions de laboratoire chez un industriel. Cependant, l’approche proposée découple la construction du SMR de l’identification des défauts cinématiques. Elle peut donc être facilement étendue à des systèmes de mesure 3D variés. Nous montrons donc que la démarche globale peut s’appliquer à des espaces de mesure sans cinématique machine. Il s’agit alors d’identifier les défauts volumiques associés à l’espace de mesure, ainsi que les incertitudes associées à la méthode d’étalonnage mise en œuvre. Afin d’illustrer notre propos, nous traitons le cas d’espaces de travail associés à un système de mesure optique. / This thesis aims at developing calibration procedures and methods for measuring tools such as coordinate measuring machines (CMMs) and stereovision devices. This work is incorporated within the framework of a collaboration between the Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) and the Automated Production Research Laboratory (LURPA). In the scope of this thesis, multilateration is qualified as sequential because it is carried out by a single tracking interferometer (Laser Tracer) that is placed in different positions during the calibration procedure. In order to assess the calibration uncertainties, the link to the length standards is obtained through the measured lengths provided by the interferometer. Each one of these measured lengths is linked to the kinematic chain parametric errors that cause the volumetric errors of the CMM or directly to the measured points coordinates. They are assessed thanks to the study of both the calibration procedure and the performance of each component that takes part in the calibration procedure.Performing multilateration to obtain the spatial coordinates of a point requires to know both the stand points from which the point is measured and the distances between the stand points and the measured point. Practically, the stand points are the Laser Tracer positions. The proposed method aims at identifying the Laser Tracer’s positions and dead-paths lengths first in order to build a reference measuring frame, then performing multilateration. Then, if the measuring device is a CMM, its kinematic chain parametric errors are identified. For this matter, we propose a specific procedure based on the LNE knowledge on CMM calibration carried out using hole-bars. The originality of the proposed method lies in the fact that the reference measuring frame and the measuring device errors are calculated independently from each other. Plus, when addressing the case of a CMM calibration, the kinematic chain parametric errors are extracted one by one when a global optimization algorithm is usually performed nowadays.We focus on the case of CMMs calibration and we propose a precise analysis of all the sources of errors. It includes factors which influence was not studied before. They appear to result from the fact that a single tracking interferometer is used to calibrate the CMM. A simulation module based on a Monte Carlo approach has been developed. It enables the study of the influence of each source of errors independently from the other ones. Hence, the relevance of a measuring strategy can be assessed beforehand. This module simulates the behaviour of both the CMM and the Laser Tracer to evaluate uncertainties. We propose two indicators to observe the relative influence of each uncertainty factor. The first one is linked to the reference frame that is built on the successive positions of the Laser Tracer. The second one represents the global uncertainty one the kinematic chain parametric errors. This uncertainty assessment module has been successfully used to highlight the importance of sources of errors which role used to not be studied.The calibration procedure and uncertainty assessment module we propose have been successfully applied to a 3-axis cartesian CMM in laboratory conditions. Plus, since the reference measuring frame and the kinematic chain parametric errors identification are performed separately, the method we propose can be applied to other measuring devices. We especially explain how to apply it in the case of a measuring device based on stereovision.

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

Ce mémoire porte sur la conception d'une interface utilisateur basée sur la reconnaissance de gestes pour la commande d'un capteur 3D tenu en main. L'interface proposée permet à l'opérateur d'un tel équipement de commander le logiciel à distance alors qu'il se déplace autour d'un objet à numériser sans devoir revenir auprès du poste de travail. À cet effet, un prototype fonctionnel est conçu au moyen d'une caméra Azure Kinect pointée vers l'utilisateur. Un corpus de gestes de la main est défini et reconnu au moyen d'algorithmes d'apprentissage automatique, et des métaphores d'interactions sont proposées pour la transformation rigide 3D d'un objet virtuel à l'écran. Ces composantes sont implantées dans un prototype fonctionnel compatible avec le logiciel VXelements de Creaform. / This thesis presents the development of a gesture-based user interface for the operation of handheld 3D scanning devices. This user interface allows the user to remotely engage with the software while walking around the target object. To this end, we develop a prototype using an Azure Kinect sensor pointed at the user. We propose a set of hand gestures and a machine learning-based approach to classification for triggering momentary actions in the software. Additionally, we define interaction metaphors for applying 3D rigid transformations to a virtual object on screen. We implement these components into a proof-of-concept application compatible with Creaform VXelements.

Alors que les principes de développement durable, d’écologie du bâtiment et d’efficacité énergétique prennent une place toujours plus importante dans le design architectural, le CLT, par ses caractéristiques intrinsèques, est un matériau de construction idéal pour une architecture écoresponsable. Cependant, les bâtiments en CLT aspirant à offrir de bonnes performances énergétiques sont généralement limités par les directives et règles de conception, ce qui encourage peu les expérimentations formelles qui permettraient d’explorer des stratégies passives alternatives basées sur la forme du bâtiment. Le mémoire vise à démontrer qu’une approche de conception intégrée conjuguée avec la précision et la diversité des éléments issus de la fabrication numérique permet dorénavant aux architectes d’intégrer des formes et des espaces complexes dans la conception de bâtiments en CLT. Par un processus de recherche -création, le projet de recherche démontre qu’il est possible d’effectuer des explorations formelles tout en validant la composition structurelle et en générant les détails d’assemblage de la structure. L’utilisation d’une seule et unique interface de travail, nommément un logiciel de modélisation paramétrique 3D, simplifie le travail du concepteur. Ce logiciel permet en effet un partage aisé du modèle entre les différents professionnels associés au projet et, en plus, il génère les fichiers de découpe pour les machines-outils à commande numérique, ce qui contribue à une réalisation plus efficace. / While the principles of sustainable development, building ecology and energy efficiency are becoming ever more important in architectural design, the CLT, by its intrinsic characteristics, is an ideal building material for eco-responsible architecture. However, CLT buildings aspiring to provide good energy performance are generally constrained by design guidelines and rules, which does not encourage formal experiments that would explore alternative passive strategies based on the shape of the building.The purpose of the dissertation is to demonstrate that an integrated design approach combined with the precision and diversity of the elements of digital fabrication now allows architects to integrate complex shapes and spaces into CLT building design. Through a research-creation process, the research project demonstrates that it is possible to carry out formal explorations while validating the structural composition and generating the assembly details of the structure. The use of a single work interface, namely 3D parametric software, simplifies the work of the designer. This software makes it easy to share the model among the various professionals associated with the project and, in addition, it generates the cutting files for CNC machine tools, which contributes to a more efficient realization.

Les capteurs basés sur la lumière structurée codée prennent une ampleur grandissante dans le domaine de la numérisation 3D. Ce type de capteur permet une numérisation plus rapide de la surface d'un objet comparativement aux capteurs laser ou aux systèmes de palpage (i.e. numérisation avec contact). De plus, les capteurs fonctionnant par la projection d'une seule trame offrent la possibilité de numériser des scènes en mouvement, ce qui est un avantage indéniable sur la majorité des capteurs commercialisés depuis quelques années. Le projet de recherche traité dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre du développement d'un capteur basé sur la lumière blanche structurée, conçu par l'équipe de vision 3D du Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques de l'Université Laval. Un tel capteur utilise un projecteur afin de projeter un patron de lumière codée sur la scène. Ce patron se déforme au contact de la surface et sa réflexion est captée par une caméra. Cette déformation permet de déduire la profondeur de la surface et ainsi calculer la position de points 3D représentant la surface de l'objet. Le rôle de ce mémoire est de développer et implanter un algorithme de segmentation d'images qui a comme objectif d'extraire le patron de la scène. Les images acquises par le capteur sont traitées en utilisant une approche basée sur les arêtes pour détecter les primitives contenue dans le patron. Chacune de ces primitives encode un symbole formant un mot codé. Le but de l'algorithme est donc de déterminer la position et l'étiquette (i.e. la valeur du symbole) associées à ces primitives. L'apparence de la scène complique cette tâche, car les propriétés de la surface (e.g. texture, déformations géométriques, type de matériaux) peuvent interférer avec la réflexion du patron. Par exemple, un objet de couleur foncée réfléchira très peu la lumière projetée, tandis qu'une surface géométriquement complexe déformera le patron, pouvant rendre les symboles flous et difficiles à détecter. La robustesse de l'algorithme face à ces défis est analysée et nous soulevons les limitations d'une telle approche de segmentation.