Dans cette thèse nos contributions à la résolution de deux problématiques rencontrées en vision numérique et en photogrammétrie, qui sont le calibrage de caméras et la stéréovision, sont présentées. Ces deux problèmes font l’objet de très nombreuses recherches depuis plusieurs années. Les techniques de calibrage existantes diffèrent beaucoup suivant le type de caméras à calibrer (classique ou panoramique, à focale fixe ou à focale variable, ..). Notre première contribution est un banc de calibrage, à l’aide des éléments d’optique diffractive, qui permet de calibrer avec une bonne précision une très grande partie des caméras existantes. Un modèle simple et précis qui décrit la projection de la grille formée sur l’image et une méthode de calibrage pour chaque type de caméras est proposé. La technique est très robuste et les résultats pour l’ensemble des caméras calibrées sont optimaux. Avec la multiplication des types de caméras et la diversité des modèles de projections, un modèle de formation d'image générique semble très intéressant. Notre deuxième contribution est un modèle de projection unifié pour plusieurs caméras classiques et panoramiques. Dans ce modèle, toute caméra est modélisée par une projection rectiligne et des splines cubiques composées permettant de représenter toutes sortes de distorsions. Cette approche permet de modéliser géométriquement les systèmes de stéréovision mixtes ou panoramiques et de convertir une image panoramique en une image classique. Par conséquent, le problème de stéréovision mixte ou panoramique est transformé en un problème de stéréovision conventionnelle. Mots clés : calibrage, vision panoramique, distorsion, fisheye, zoom, panomorphe, géométrie épipolaire, reconstruction tridimensionnelle, stéréovision hybride, stéréovision panoramique. / This thesis aims to present our contributions to the resolution of two problems encountered in the field of computer vision and photogrammetry, which are camera calibration and stereovision. These two problems have been extensively studied in the last years. Different camera calibration techniques have been developed in the literature depending on the type of camera (classical or panoramic, with zoom lens or fixed lens..). Our first contribution is a compact and accurate calibration setup, based on diffractive optical elements, which is suitable for different kind of cameras. The technique is very robust and optimal results were achieved for different types of cameras. With the multiplication of camera types and the diversity of the projection models, a generic model has become very interesting. Our second contribution is a generic model, which is suitable for conventional and panoramic cameras. In this model, composed cubic splines functions provide more realistic model of both radial and tangential distortions. Such an approach allows to model either hybrid or panoramic stereovision system and to convert panoramic image to classical image. Consequently, the processing challenges of a hybrid stereovision system or a panoramic stereovision system are turned into simple classical stereovision problems. Keywords: Calibration, panoramic vision, distortions, fisheye, zoom, panomorph, epipolar geometry, three-dimensional reconstruction, hybrid stereovision, panoramic stereovision.

Il existe désormais une grande variété de lentilles panoramiques disponibles sur le marché dont certaines présentant des caractéristiques étonnantes. Faisant partie de cette dernière catégorie, les lentilles Panomorphes sont des lentilles panoramiques anamorphiques dont le profil de distorsion est fortement non-uniforme, ce qui cause la présence de zones de grandissement augmenté dans le champ de vue. Dans un contexte de robotique mobile, ces particularités peuvent être exploitées dans des systèmes stéréoscopiques pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt qui permettent à la fois une bonne connaissance de l’environnement, mais également l’accès à des détails plus fins en raison des zones de grandissement augmenté. Cependant, à cause de leur complexité, ces lentilles sont difficiles à calibrer et, à notre connaissance, aucune étude n’a réellement été menée à ce propos. L’objectif principal de cette thèse est la conception, l’élaboration et l’évaluation des performances de systèmes stéréoscopiques Panomorphes. Le calibrage a été effectué à l’aide d’une technique établie utilisant des cibles planes et d’une boîte à outils de calibrage dont l’usage est répandu. De plus, des techniques mathématiques nouvelles visant à rétablir la symétrie de révolution dans l’image (cercle) et à uniformiser la longueur focale (cercle uniforme) ont été développées pour voir s’il était possible d’ainsi faciliter le calibrage. Dans un premier temps, le champ de vue a été divisé en zones à l’intérieur desquelles la longueur focale instantanée varie peu et le calibrage a été effectué pour chacune d’entre elles. Puis, le calibrage général des systèmes a aussi été réalisé pour tout le champ de vue simultanément. Les résultats ont montré que la technique de calibrage par zone ne produit pas de gain significatif quant à la qualité des reconstructions 3D d’objet d’intérêt par rapport au calibrage général. Cependant, l’étude de cette nouvelle approche a permis de réaliser une évaluation des performances des systèmes stéréoscopiques Panomorphes sur tout le champ de vue et de montrer qu’il est possible d’effectuer des reconstructions 3D de qualité dans toutes les zones. De plus, la technique mathématique du cercle a produit des résultats de reconstructions 3D en général équivalents à l’utilisation des coordonnées originales. Puisqu’il existe des outils de calibrage qui, contrairement à celui utilisé dans ce travail, ne disposent que d’un seul degré de liberté sur la longueur focale, cette technique pourrait rendre possible le calibrage de lentilles Panomorphes à l’aide de ceux-ci. Finalement, certaines conclusions ont pu être dégagées quant aux facteurs déterminants influençant la qualité de la reconstruction 3D à l’aide de systèmes stéréoscopiques Panomorphes et aux caractéristiques à privilégier dans le choix des lentilles. La difficulté à calibrer les optiques Panomorphes en laboratoire a mené à l’élaboration d’une technique de calibrage virtuel utilisant un logiciel de conception optique et une boîte à outils de calibrage. Cette approche a permis d’effectuer des simulations en lien avec l’impact des conditions d’opération sur les paramètres de calibrage et avec l’effet des conditions de calibrage sur la qualité de la reconstruction. Des expérimentations de ce type sont pratiquement impossibles à réaliser en laboratoire mais représentent un intérêt certain pour les utilisateurs. Le calibrage virtuel d’une lentille traditionnelle a aussi montré que l’erreur de reprojection moyenne, couramment utilisée comme façon d’évaluer la qualité d’un calibrage, n’est pas nécessairement un indicateur fiable de la qualité de la reconstruction 3D. Il est alors nécessaire de disposer de données supplémentaires pour juger adéquatement de la qualité d’un calibrage. / A wide variety of panoramic lenses are available on the market. Exhibiting interesting characteristics, the Panomorph lens is a panoramic anamorphic optical system. Its highly non-uniform distortion profile creates areas of enhanced magnification across the field of view. For mobile robotic applications, a stereoscopic system for 3D reconstruction of objects of interest could greatly benefit from the unique features of these special lenses. Such a stereoscopic system would provide general information describing the environment surrounding its navigation. Moreover, the areas of enhanced magnification give access to smaller details. However, the downfall is that Panomorph lenses are difficult to calibrate, and this is the main reason why no research has been carried out on this topic. The main goal of this thesis is the design and development of Panomorph stereoscopic systems as well as the evaluation of their performance. The calibration of the lenses was performed using plane targets and a well-established calibration toolbox. In addition, new mathematical techniques aiming to restore the symmetry of revolution in the image and to make the focal length uniform over the field of view were developed to simplify the calibration process. First, the field of view was divided into zones exhibiting a small variation of the focal length and the calibration was performed for each zone. Then, the general calibration was performed for the entire field of view. The results showed that the calibration of each zone does not lead to a better 3D reconstruction than the general calibration method. However, this new approach allowed a study of the quality of the reconstruction over the entire field of view. Indeed, it showed that is it possible to achieve good reconstruction for all the zones of the field of view. In addition, the results for the mathematical techniques used to restore the symmetry of revolution were similar to the results obtained with the original data. These techniques could therefore be used to calibrate Panomorph lenses with calibration toolboxes that do not have two degrees of freedom relating to the focal length. The study of the performance of stereoscopic Panomorph systems also highlighted important factors that could influence the choice of lenses and configuration for similar systems. The challenge met during the calibration of Panomorph lenses led to the development of a virtual calibration technique that used an optical design software and a calibration toolbox. With this technique, simulations reproducing the operating conditions were made to evaluate their impact on the calibration parameters. The quality of 3D reconstruction of a volume was also evaluated for various calibration conditions. Similar experiments would be extremely tedious to perform in the laboratory but the results are quite meaningful for the user. The virtual calibration of a traditional lens also showed that the mean reprojection error, often used to judge the quality of the calibration process, does not represent the quality of the 3D reconstruction. It is then essential to have access to more information in order to asses the quality of a lens calibration.

Les travaux menés dans cette thèse concernent le développement d’un dispositif de vision permettant l’estimation de caractéristiques géométriques d’un feu de végétation en propagation. Ce dispositif est composé de plusieurs systèmes de stéréovision multimodaux générant des paires d’images stéréoscopiques à partir desquelles des points tridimensionnels sont calculés et les caractéristiques géométriques de feu tels que sa position, vitesse, hauteur, profondeur, inclinaison, surface et volume sont estimées. La première contribution importante de cette thèse est la détection de pixels de feu de végétation. Tous les algorithmes de détection de pixels de feu de la littérature ainsi que ceux développés dans le cadre de cette thèse ont été évalués sur une base de 500 images de feux de végétation acquises dans le domaine du visible et caractérisées en fonction des propriétés du feu dans l’image (couleur, fumée, luminosité). Cinq algorithmes de détection de pixels de feu de végétation basés sur la fusion de données issues d’images acquises dans le domaine du visible et du proche-infrarouge ont également été développés et évalués sur une autre base de données composée de 100 images multimodales caractérisées. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne l’utilisation de méthodes de fusion d’images pour l’optimisation des points appariés entre les images multimodales stéréoscopiques. La troisième contribution importante de cette thèse est l’estimation des caractéristiques géométriques de feu à partir de points tridimensionnels obtenus depuis plusieurs paires d’images stéréoscopiques et recalés à l’aide de relevés GPS et d’inclinaison de tous les dispositifs de vision. Le dispositif d’estimation de caractéristiques géométriques à partir de systèmes de stéréovision a été évalué sur des objets rigides de dimensions connues et a permis d’obtenir les informations souhaitées avec une bonne précision. Les résultats des données obtenues pour des feux de végétation en propagation sont aussi présentés. Mots clefs : Feux de forêt, stéréovision, traitement d’images, segmentation, multimodal. / This thesis presents the geometrical characteristics measurement of spreading vegetation fires with multimodal stereovision systems. Image processing and 3D registration are used in order to obtain a three-dimensional modeling of the fire at each instant of image acquisition and then to compute fire front characteristics like its position, its rate of spread, its height, its width, its inclination, its surface and its volume. The first important contribution of this thesis is the fire pixel detection. A benchmark of fire pixel detection algorithms of the litterature and of those that are developed in this thesis have been on a database of 500 vegetation fire images of the visible spectra which have been characterized according to the fire properties in the image (color, smoke, luminosity). Five fire pixel detection algorithms based on fusion of data from visible and near-infrared spectra images have also been developed and tested on another database of 100 multimodal images. The second important contribution of this thesis is about the use of images fusion for the optimization of the matching point’s number between the multimodal stereo images. The second important contribution of this thesis is the registration method of 3D fire points obtained with stereovision systems. It uses information collected from a housing containing a GPS and an IMU card which is positioned on each stereovision systems. With this registration, a method have been developed to extract the geometrical characteristics when the fire is spreading. The geometrical characteristics estimation device have been evaluated on a car of known dimensions and the results obtained confirm the good accuracy of the device. The results obtained from vegetation fires are also presented. Key words: wildland fire, stereovision, image processing segmentation, multimodal.

La réalité augmentée (R.A.) est un domaine de recherche qui vise la combinaison d'environnements réels et virtuels en temps réel de façon à ce que ceux-ci semblent co-exister. De façon à obtenir un rendu réaliste, les interactions entre les deux environnements doivent être modélisées et gérées. Nous nous sommes intéressés à la gestion des occultations des objets virtuels par les objets réels. Cette gestion nécessite une acquisition d'informations 3D sur la scène réelle. Le projet du castelet électronique fournit un contexte applicatif approprié à cette étude. Deux approches d'acquisition sont présentées et analysées : une approche monoscopique basée sur une pré-modélisation approximative des objets réels et une approche stéréoscopique effectuant l'acquisition d'informations 3D en temps réel selon le point de vue