Ce mémoire de recherche s'intéresse à concevoir l'architecture en milieu nordique, en abordant la question de savoir comment habiter dans un environnement climatique froid et extrême. En effet, les flux naturels tels que le vent, la neige et la glace créent des conditions de confort indésirables pendant la saison froide. Cette recherche prend donc l'hypothèse d'intégrer le climat nordique hivernal dans tout son potentiel de recherche et de création de formes en explorant sa valeur poétique où le climat serait utilisé comme déclencheur d'inspiration formel. Ainsi, par l'expérimentation des flux climatiques de l’hiver, ce mémoire de recherche développe un processus de conception dans le but de créer de nouvelles formes architecturales. La méthode développée intitulée le « processus d'habitabilité de la forme par le climat » a pour objectif de valider l'habitabilité de ces nouvelles typologies climatiques, réalisées au travers d'étapes expérimentales successives au moyen d'une approche à la fois tactile et numérique, qui pourraient offrir diverses ambiances une fois transposées à l'échelle de l'architecture. En combinant différents éclairages, matériaux et échelles, des maquettes sont produites afin de visualiser la possible habitabilité des nouvelles formes générées. Celles-ci sont étudiées au travers d'explorations photographiques, où les images sont ensuite davantage contextualisées au moyen de collages numériques par l'insertion de personnages et d'un environnement extérieur. Ces résultats formels, spatiaux et ambiants ont ainsi inspiré le développement d'un projet d'architecture qui, appuyé d'images éloquentes, a pour but de servir à inspirer les architectes concepteurs à concevoir et à expérimenter leur projet en milieu nordique. Pour finir, le processus développé sert à encourager la création de nouvelles formes et ambiances architecturales adaptées au défi critique imposé par le climat et propose une nouvelle représentation de notre rapport à l'hiver et à l'architecture. / This research focuses on designing architecture in the undesirable conditions of northern climates by addressing the question of how to inhabit the Nordicity by conceptualizing with a cold climatic environment. Indeed, natural flows such as wind, snow and ice create undesirable comfort conditions during the cold season. This research therefore takes the hypothesis of integrating the northern climate into all its potential for research and creation of forms by exploring its poetic value, where the climate would be used as a trigger for inspiration. Thus, by experimenting with winter cold climate fluxes, this research thesis develops a design process with the aim of creating new architectural forms. The method that has been developed entitled the « process of habitability of form by climate » aims to validate the habitability of these new climatic typologies, carried out through successive experimental stages using both a tactile and a digital approach, which could offer various atmospheres once transposed to the scale of architecture. By combining different lighting, materials and scales, models are produced to visualize the possible habitability of the new shapes generated. These are studied through photographic explorations, where images are thereafter contextualized by means of digital collages through the insertion of characters and an external environment. These formal, spatial and ambient results have thus guided the development of an architectural project. Supported by eloquent rendering images, this project has the purpose of inspiring architects and to convince them to design and experiment their project with the cold climatic environment. Finally, the process developed serves to encourage the creation of new architectural forms and atmospheres adapted to the critical challenge imposed by the climate and proposes a new representation of our relationship to winter and architecture.

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.

Compte tenu de la fréquence élevée et de l'impact majeur des inondations, les décideurs, les acteurs des municipalités et le ministère de la sécurité publique ont un besoin urgent de disposer d'outils permettant de prédire ou d'évaluer l'importance des inondations et leur impact sur la population. D'après les statistiques, le premier étage des bâtiments, ainsi que les ouvertures inférieures, sont plus susceptibles de subir des dommages lors d'une inondation. Ainsi, dans le cadre de l'évaluation de l'impact des inondations, il serait nécessaire d'identifier l'emplacement de l'ouverture la plus basse des bâtiments et surtout sa hauteur par rapport au sol. Le système de balayage laser mobile (MLS) monté sur un véhicule s'est avéré être l'une des sources les plus fiables pour caractériser les bâtiments. Il peut produire des millions de points géoréférencés en 3D avec un niveau de détail suffisant, grâce à son point de vue depuis la rue et sa proximité. De plus, l'augmentation du nombre de jeux de données, issues des MLS acquis dans les villes et les environnements ruraux, permet de développer des approches pour caractériser les maisons résidentielles à l'échelle provinciale. Plusieurs défis sont associés à l'extraction d'informations descriptives des façades de bâtiments à l'aide de données MLS. Ainsi, les occlusions devant une façade rendent impossible l'obtention de points 3D sur ces parties de la façade. Aussi, comme les fenêtres sont principalement constituées de verre, qui ne réfléchit pas les signaux laser, les points disponibles pour celles-ci sont généralement limités. De plus, les approches de détection exploitent la répétitivité et les positions symétriques des ouvertures sur la façade. Mais ces caractéristiques sont absentes pour des maisons rurales et résidentielles. Finalement, la variabilité de la densité de points dans les données MLS rend difficile le processus de détection lorsqu'on travaille à l'échelle d'une ville. Par conséquent, l'objectif principal de cette recherche est de concevoir et de développer une approche globale d'extraction efficace des ouvertures présentes sur une façade. La solution proposée se compose de trois phases: l'extraction des façades, la détection des ouvertures et l'identification des occlusions. La première phase utilise une approche de segmentation adaptative par croissance de régions pour extraire la boîte englobante 3D de la façade. La deuxième phase combine la détection de trous avec une technique de maillage pour extraire les boîtes englobantes 2D des ouvertures. La dernière phase, qui vise à discriminer les occlusions des ouvertures, est en cours d'achèvement. Des évaluations qualitatives et quantitatives ont été réalisées à l'aide d'un jeu de données réelles, fourni par Jakarto Cartographie 3D Inc., de la province de Québec, au Canada. Les statistiques ont révélé que l'approche proposée pouvait obtenir de bons taux de performance malgré la complexité du jeu de données, représentatif des données acquises en situation réelle. Les défis concernant l'auto-occlusion de certaines façades et la présence de grandes occlusions environnantes seront à étudier plus en profondeur afin d'obtenir des informations plus précises sur les ouvertures des façades. / Given the high frequency and major impact of floods, decision-makers, stakeholders in municipalities and public security ministry are in the urgent need to have tools allowing to predict or assess the significance of flood events and their impact on the population. Based on statistics, the first floor of the buildings, as well as the lower openings, are more likely subject to potential damage during a flood event. Thus, in the context of flood impact assessment, it would be required identifying the location of the buildings' lowest opening and especially its height above the ground. The capacity to characterize building with a relevant level of detail depends on the data sources used for the modeling. Different sources of data have been employed to characterize buildings' façade and openings. Mobile Laser Scanning (MLS) system mounted on a vehicle has proved to be one of the most reliable sources in this domain. It can produce millions of 3D georeferenced points with sufficient level of detail of the building facades and its openings, due to its street-view and close-range distance. Moreover, the increase of MLS providers and acquisitions in towns and rural environments, makes it possible to develop approaches to characterize residential houses at a provincial scale. Although being effective, several challenges are associated with extracting descriptive information of building facades using MLS data. The presence of occlusion in front of a facade makes it impossible to obtain the 3D points of the covered parts of the facade. Given the fact that windows mostly consist of glass and laser signals could not be reflected from the glass, limited points are usually available for windows. While the repetitive pattern and symmetrical positions of the openings on the facade makes it easier for the detection system to extract them, this characteristic is missing on the facade on rural and residential houses. The inconsistency of the point density in MLS data make the detection process even harder when working at city scale. Accordingly, the main objective of this research is to design and develop a comprehensive approach that effectively extracts facade openings. In order to meet the research project objective, the proposed solution consists of three phases including facade extraction, opening detection, and occlusion recognition. The first phase employs an adaptive region growing segmentation approach to extract the 3D bounding box of the facade. The second phase combines a hole-based assumption with an XZ gridding technique to extract 2D bounding boxes of the openings. The last phase which recognizes holes related to the occlusion from the openings is currently being completed. Qualitative and quantitative evaluations were performed using a real-word dataset provided by Jakarto Cartographie 3D inc. of the Quebec Province, Canada. Statistics revealed that the proposed approach could obtain good performance rates despite the complexity of the dataset, representative of the data acquired in real situations. Challenges regarding facade's self-occlusion and the presence of large surrounding occlusions should be further investigated for obtaining more accurate opening information on the facade.

La sécurité dans les mines souterraines est l’une des principales préoccupations des entreprises d’exploitation minières. La surveillance des moindres changements ou déformations au niveau des tunnels et galeries miniers, notamment la convergence des tunnels (rétrécissement diamétral d’une section de tunnel), figure parmi les principales priorités de ces entreprises. Les techniques de surveillance de la convergence des tunnels miniers communément utilisées se basent essentiellement sur des mesures ponctuelles et limitées qui sont généralement longues et coûteuses. Les technologies LiDAR mobiles émergentes et prometteuses amènent des pistes de solutions qui permettent de gagner en efficacité et en sécurité. Cependant, la détection et la mesure précise de convergence des tunnels miniers au moyen de données LiDAR mobile demeurent problématiques en raison des enjeux suivants : la précision des nuages de points, l’irrégularité de la zone observée, la variabilité de la densité des scans et de leur prise de vue, la présence d’obstructions, la complexité de l’alignement parfait des nuages de points. La recherche visée dans ce mémoire de maîtrise s’inscrit dans le cadre du projet « MinEyes » et elle a pour objectif principal de détecter et de mesurer la convergence de tunnels miniers souterrains à partir de données LiDAR mobile. Pour ce faire, nous proposons une méthode multi-échelles de comparaison de nuages de points qui prend en considération les irrégularités de surface des tunnels miniers et qui permet une meilleure détection de leurs changements et une mesure plus précise de leur convergence. La méthode proposée se base sur une approche de comparaison modèle à modèle locale des nuages de points LiDAR mobile souterrain. Les résultats obtenus sont très prometteurs comparés à ceux d’autres méthodes de détection de changement dans les nuages de points LiDAR (ex. : méthodes C2C, C2M). Une analyse statistique des résultats a également permis de confirmer la robustesse de la méthode proposée surtout dans des zones rugueuses des tunnels miniers. / Security in underground mines is one of the main concerns of mining companies. Monitoring any changes or distortions in mining tunnels and galleries, including tunnel’s convergence, is one of the top priorities for those companies. Commonly used convergence monitoring techniques in underground tunnels are based on limited measurements that are usually very time-consuming and costly in terms of process. Emerging mobile LiDAR technologies offer alternative solutions that are far more efficient and lower in risk. However, the accurate measurements of convergence in mining tunnels using mobile LiDAR data remains challenging because of the following issues: limited precision of LiDAR point clouds, the roughness and irregularity of the studied surfaces in the tunnels, the irregularity of the scan density, the presence of occlusions and the complexities of reliable registration of point clouds. This research work is defined as a part of the ‘MinEyes project’ in collaboration with the company Pecktech which main objective is to detect and measure the convergence of underground mining tunnels from mobile LiDAR data. To do so, we propose a multi-scale point cloud comparison method that considers the surface irregularities of the mining tunnels and allows a better detection of their changes and a more precise measurement of their convergence. The proposed method is based on a local model-to-model comparison method of underground mobile LiDAR point clouds. The results obtained are very promising compared to other LiDAR point cloud comparison methods (e.g. C2C, C2M methods). A statistical analysis of the results also has confirmed the efficiency of the proposed method, especially in the rough areas of the mining tunnels.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre général de la 3D interactive en temps réel comme outil de représentation, d’aide à la conception et à la communication des idées et hypothèses de design. Un facteur, l’interaction et plus précisément la navigation dans les Environnements Virtuels (EV) 3D non immersifs est l’objet de cette recherche. Par le biais d’une approche expérimentale, l’influence de la 3D interactive en temps réel sur l’acquisition des connaissances spatiales est illustrée par l'étude du mode d’exploration dans un espace virtuel complexe. En effet, les résultats de la recherche montrent une influence positive de la 3D interactive sur la formation d’une compréhension spatiale des environnements en mode d’exploration actif. Alors qu’en mode d’exploration passif, il s’est avéré que les esquisses comportaient plus d’erreurs dans la représentation des espaces. / This research is part of the general framework of real time 3D interaction as a tool for representation, aided design and communication of design ideas. A factor, interaction and more precisely, navigation in a non immersive 3D Virtual Environment (VE), is the research subject. Using an experimental approach, the influence of real time 3D interaction on the acquisition of spatial knowledge is demonstrated, through observation of exploration modes in a complex virtual space. The research results stress a positive influence on spatial understanding through 3D interaction of visited environments during an active exploration. However, during passive exploration mode, the results revealed sketches with more spatial representations errors.

Les machines de fabrication additive métallique actuelles sont dispendieuses et généralement peu productives. De plus, la plupart des pièces issues de la fabrication additive doivent être usinées après l’impression pour obtenir de bonnes tolérances géométriques. L’objectif de ce projet de recherche est de développer un système de fabrication additive hybride pouvant remplacer les machines d’usinage traditionnelles. Les systèmes hybrides combinent les avantages de la fabrication additive et de l’usinage dans un seul système. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un système de fabrication additive hybride formant des pièces en aluminium à partir d’un filament d’Al4043. Ce système utilise une technologie innovatrice qui se base sur le principe de chauffage par induction. Le filament est fondu directement par induction à l’intérieur d’un tube, puis un flux d’argon permet à l’aluminium en fusion de s’éjecter du tube. Cette méthode permet de faire des préformes en aluminium qui peuvent être usinées afin d’obtenir une pièce finale. Cette technologie permettrait de fabriquer une machine hybride à faible coût tout en ayant un taux de déposition élevé. Le système a été installé sur un bras robotisé FANUC. Les résultats préliminaires démontrent qu’il est possible de générer des gouttelettes d’aluminium de manière contrôlée en pulsant le débit d’argon grâce à une valve. Les gouttelettes sont générées à chaque pulse puis sont projetées sur un substrat en suivant une trajectoire précise. L’accumulation des gouttelettes formera une couche d’aluminium, puis les couches seront empilées pour former une pièce. Des pièces en aluminium ont été mises en forme grâce à ce nouveau procédé de fabrication additive. Le volume des pièces pouvant être imprimées est limité par la perte d’efficacité du système de chauffage par induction après plusieurs minutes d’utilisation. La densité apparente la plus élevée obtenue avec ce système est de 84%. / Current metal additive manufacturing machines are expensive and generally unproductive. In addition, the majority of parts from additive manufacturing must be machined after printing to achieve good geometric tolerances. The objective of this research project is to develop a hybrid additive manufacturing system that can replace traditional machining machines. Hybrid systems combine the benefits of additive manufacturing and machining into a single system. This thesis presents the development and usage of a hybrid additive manufacturing system that can form aluminum parts from a Al4043 filament. The system presented in this thesis uses an innovative technology that is based on the principle of induction heating. The filament is melted directly by induction inside a tube, then a flow of argon allows the molten aluminum to eject from the tube. This method makes aluminum preforms that can be machined to obtain a final piece. With this technology, it could be possible to manufacture a hybrid machine at low cost while having a high deposition rate. The system was installed on a FANUC robotic arm. Preliminary results demonstrate that it is possible to generate aluminum droplets in a controlled manner by pulsing the argon flow through a valve. The droplets are generated at each pulse and are projected onto a substrate along a precise trajectory. The accumulation of droplets will form a layer of aluminum, then the layers will be stacked to form a part. Aluminum parts have been shaped by this new additive manufacturing process. The volume of parts that can be printed is limited by the loss of efficiency of the induction heating system after several minutes of use. The highest bulk density obtained with this system is 84%.

La présente thèse s’inscrit dans le domaine de la physique médicale et, plus précisément, de l’imagerie médicale tridimensionnelle (3D) et de la dosimétrie 3D pour la radiothérapie. L’objectif global du travail était de concevoir et évaluer un nouvel algorithme de reconstruction itératif rapide pour la tomodensitométrie (TDM) à faisceau conique, une modalité consistant à créer des images 3D des densités du sujet imagé à partir de mesures d’atténuation partielle d’un faisceau de radiation incidente. Cet algorithme a été implanté sur matériel graphique (GPU), une plate-forme de calcul hautement parallèle, menant à la conception de stratégies d’optimisation originales. En premier lieu, un nouvel algorithme itératif statistique régularisé, dénommé OSC-TV, a été conçu et implanté sur GPU. Il a été évalué sur des ensembles de projections synthétiques et cliniques de TDM à rayons X à faisceau conique. L’algorithme proposé a démontré une qualité d’image supérieure à celle de méthodes semblables pour des acquisitions basse-dose, ainsi que des temps de reconstruction compatibles avec les activités cliniques. L’impact principal de ce travail est la capacité d’offrir au patient une réduction de dose de radiation ionisante de deux à quatre fois par rapport aux protocoles d’acquisition usuels. En second lieu, cet algorithme a été testé sur des données expérimentales en tomographie optique à faisceau conique, donnant lieu à l’une des premières études de ce genre. La résolution spatiale des images 3D résultantes a été améliorée et le bruit a été réduit. L’on a aussi démontré l’importance de considérer le spectre de la source lumineuse afin d’assurer la justesse de l’estimation des densités. Le principal impact de l’étude est la démonstration de la supériorité de la reconstruction itérative pour des données affectées par les aberrations propres à la tomographie optique à faisceau conique, résultant potentiellement en l’amélioration de la dosimétrie 3D par gel radiochromique en radiothérapie. En troisième lieu, différentes approches de gestion de la matrice-système de type exact à rayons fins ont été évaluées pour la TDM à faisceau conique. Le pré-calcul et le stockage complet de la matrice-système dans la mémoire vive du GPU s’est montré comme l’approche la plus rapide, mais la moins flexible en termes de géométries représentables, en raison de la taille limitée de la mémoire vive. Le traçage de rayons à la volée est apparu très flexible, offrant aussi des temps de reconstruction raisonnables. En somme, les trois études ont permis de mettre en place et d’évaluer la méthode de reconstruction proposée pour deux modalités de tomographie, ainsi que de comparer différentes façons de gérer la matrice-système. / This thesis relates to the field of medical physics, in particular, three-dimensional (3D) imaging and 3D dosimetry for radiotherapy. The global purpose of the work was to design and evaluate a new fast iterative reconstruction algorithm for cone beam computed tomography (CT), an imaging technique used to create 3D maps of subject densities based on measurements of partial attenuation of a radiation beam. This algorithm was implemented for graphics processing units (GPU), a highly parallel computing platform, resulting in original optimization strategies. First, a new iterative regularized statistical method, dubbed OSC-TV, was designed and implemented for the GPU. It was evaluated on synthetic and clinical X ray cone beam CT data. The proposed algorithm yielded improved image quality in comparison with similar methods for low-dose acquisitions, as well as reconstruction times compatible with the clinical workflow. The main impact of this work is the capacity to reduce ionizing radiation dose to the patient by a factor of two to four, when compared to standard imaging protocols. Second, this algorithm was evaluated on experimental data from a cone beam optical tomography device, yielding one of the first studies of this kind. The spatial resolution of the resulting 3D images was improved, while the noise was reduced. The spectral properties of the light source were shown to be a key factor to take into consideration to ensure accurate density quantification. The main impact of the study was the demonstration of the superiority of iterative reconstruction for data affected by aberrations proper to cone beam optical tomography, resulting in a potential to improve 3D radiochromic gel dosimetry in radiotherapy. Third, different methods to handle an exact thin-ray system matrix were evaluated for the cone beam CT geometry. Using a GPU implementation, a fully pre-computed and stored system matrix yielded the fastest reconstructions, while being less flexible in terms of possible CT geometries, due to limited GPU memory capacity. On-the-fly ray-tracing was shown to be most flexible, while still yielding reasonable reconstruction times. Overall, the three studies resulted in the design and evaluation of the proposed reconstruction method for two tomographic modalities, as well as a comparison of the system matrix handling methods.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juillet 2023) / Ce mémoire présente la modélisation et la simulation dynamique 3D de l'effecteur d'un robot humanoïde à l'aide du logiciel Simcenter Amesim. Ici, l'intérêt de modélisation et simulation porte sur un effecteur rigide pouvant entrer en contact multipoint avec son environnement et tenant lieu de mains et de pieds d'un robot humanoïde. On passe d'abord en revue les outils natifs disponibles dans Simcenter Amesim pour la gestion des contacts qui peuvent être intermittents. Les outils diffèrent selon que le modèle est en 1D, 2D ou 3D. Les outils 3D sont ensuite utilisés pour gérer les contacts multipoints entre un modèle d'effecteur simplifié et un environnement composé de plusieurs objets. Les résultats de simulation sont concluants, mais on constate des difficultés à effectuer les simulations lorsque le nombre de paires de contact est élevé. Ensuite, une extension des outils pour gérer le contact entre deux arêtes quelconques, toujours en utilisant les outils de contact natifs 3D et la programmation graphique est présentée. La technique fonctionne bien et permet, par exemple, de simuler un contact quelconque entre un effecteur et un barreau d'échelle ou entre un effecteur et une marche d'escalier.

Dans ce projet, nous étudions les problèmes de rétro-ingénierie et de contrôle de la qualité qui jouent un rôle important dans la fabrication industrielle. La rétro-ingénierie tente de reconstruire un modèle 3D à partir de nuages de points, qui s’apparente au problème de la reconstruction de la surface 3D. Le contrôle de la qualité est un processus dans lequel la qualité de tous les facteurs impliqués dans la production est abordée. En fait, les systèmes ci-dessus nécessitent beaucoup d’intervention de la part d’un utilisateur expérimenté, résultat souhaité est encore loin soit une automatisation complète du processus. Par conséquent, de nombreux défis doivent encore être abordés pour atteindre ce résultat hautement souhaitable en production automatisée. La première question abordée dans la thèse consiste à extraire les primitives géométriques 3D à partir de nuages de points. Un cadre complet pour extraire plusieurs types de primitives à partir de données 3D est proposé. En particulier, une nouvelle méthode de validation est proposée pour évaluer la qualité des primitives extraites. À la fin, toutes les primitives présentes dans le nuage de points sont extraites avec les points de données associés et leurs paramètres descriptifs. Ces résultats pourraient être utilisés dans diverses applications telles que la reconstruction de scènes on d’édifices, la géométrie constructive et etc. La seconde question traiée dans ce travail porte sur l’alignement de deux ensembles de données 3D à l’aide de primitives géométriques, qui sont considérées comme un nouveau descripteur robuste. L’idée d’utiliser les primitives pour l’alignement arrive à surmonter plusieurs défis rencontrés par les méthodes d’alignement existantes. Ce problème d’alignement est une étape essentielle dans la modélisation 3D, la mise en registre, la récupération de modèles. Enfin, nous proposons également une méthode automatique pour extraire les discontinutés à partir de données 3D d’objets manufacturés. En intégrant ces discontinutés au problème d’alignement, il est possible d’établir automatiquement les correspondances entre primitives en utilisant l’appariement de graphes relationnels avec attributs. Nous avons expérimenté tous les algorithmes proposés sur différents jeux de données synthétiques et réelles. Ces algorithmes ont non seulement réussi à accomplir leur tâches avec succès mais se sont aussi avérés supérieus aux méthodes proposées dans la literature. Les résultats présentés dans le thèse pourraient s’avérér utilises à plusieurs applications. / In this research project, we address reverse engineering and quality control problems that play significant roles in industrial manufacturing. Reverse engineering attempts to rebuild a 3D model from the scanned data captured from a object, which is the problem similar to 3D surface reconstruction. Quality control is a process in which the quality of all factors involved in production is monitored and revised. In fact, the above systems currently require significant intervention from experienced users, and are thus still far from being fully automated. Therefore, many challenges still need to be addressed to achieve the desired performance for automated production. The first proposition of this thesis is to extract 3D geometric primitives from point clouds for reverse engineering and surface reconstruction. A complete framework to extract multiple types of primitives from 3D data is proposed. In particular, a novel validation method is also proposed to assess the quality of the extracted primitives. At the end, all primitives present in the point cloud are extracted with their associated data points and descriptive parameters. These results could be used in various applications such as scene and building reconstruction, constructive solid geometry, etc. The second proposition of the thesis is to align two 3D datasets using the extracted geometric primitives, which is introduced as a novel and robust descriptor. The idea of using primitives for alignment is addressed several challenges faced by existing registration methods. This alignment problem is an essential step in 3D modeling, registration and model retrieval. Finally, an automatic method to extract sharp features from 3D data of man-made objects is also proposed. By integrating the extracted sharp features into the alignment framework, it is possible implement automatic assignment of primitive correspondences using attribute relational graph matching. Each primitive is considered as a node of the graph and an attribute relational graph is created to provide a structural and relational description between primitives. We have experimented all the proposed algorithms on different synthetic and real scanned datasets. Our algorithms not only are successful in completing their tasks with good results but also outperform other methods. We believe that the contribution of them could be useful in many applications.

Les nuages de points en trois dimensions sont un format de données très commun en robotique mobile. Ils sont souvent produits par des capteurs spécialisés de type lidar. Les nuages de points générés par ces capteurs sont utilisés dans des tâches impliquant de l’estimation d’état, telles que la cartographie ou la localisation. Les algorithmes de recalage de nuages de points, notamment l’algorithme ICP (Iterative Closest Point), nous permettent de prendre des mesures d’égo-motion nécessaires à ces tâches. La fusion des recalages dans des chaînes existantes d’estimation d’état dépend d’une évaluation précise de leur incertitude. Cependant, les méthodes existantes d’estimation de l’incertitude se prêtent mal aux données en trois dimensions. Ce mémoire vise à estimer l’incertitude de recalages 3D issus d’Iterative Closest Point (ICP). Premièrement, il pose des fondations théoriques desquelles nous pouvons articuler une estimation de la covariance. Notamment, il révise l’algorithme ICP, avec une attention spéciale sur les parties qui sont importantes pour l’estimation de la covariance. Ensuite, un article scientifique inséré présente CELLO-3D, notre algorithme d’estimation de la covariance d’ICP. L’article inséré contient une validation expérimentale complète du nouvel algorithme. Il montre que notre algorithme performe mieux que les méthodes existantes dans une grande variété d’environnements. Finalement, ce mémoire est conclu par des expérimentations supplémentaires, qui sont complémentaires à l’article. / Three-dimensional point clouds are an ubiquitous data format in robotics. They are produced by specialized sensors such as lidars or depth cameras. The point clouds generated by those sensors are used for state estimation tasks like mapping and localization. Point cloud registration algorithms, such as Iterative Closest Point (ICP), allow us to make ego-motion measurements necessary to those tasks. The fusion of ICP registrations in existing state estimation frameworks relies on an accurate estimation of their uncertainty. Unfortunately, existing covariance estimation methods often scale poorly to the 3D case. This thesis aims to estimate the uncertainty of ICP registrations for 3D point clouds. First, it poses theoretical foundations from which we can articulate a covariance estimation method. It reviews the ICP algorithm, with a special focus on the parts of it that are pertinent to covariance estimation. Then, an inserted article introduces CELLO-3D, our data-driven covariance estimation method for ICP. The article contains a thorough experimental validation of the new algorithm. The latter is shown to perform better than existing covariance estimation techniques in a wide variety of environments. Finally, this thesis comprises supplementary experiments, which complement the article.