Ce mémoire porte sur la reconstruction 3D active par la lumière structurée et se veut une introduction au travers d'une vue d'ensemble du domaine. L'accent est mis sur une compréhension des différents aspects du scan 3D, en commençant par l'acquisition du matériel et en allant jusqu'au calcul d'un modèle 3D. Les défis techniques les plus fréquents dans un contexte de scan 3D avec de l'équipement à faible coût sont abordés, de façon à donner une idée générale des problèmes à anticiper à quelqu'un qui souhaiterait se lancer dans la conception ou l'utilisation de ce type de scanneur. Afin d'aider à peser les forces et faiblesses de chaque algorithme formant l'état de l'art actuel en lumière structurée, une revue des différentes stratégies existantes est également donnée. L'étude du domaine a mené à une contribution sous la forme d'un article, qui a été intégré dans le chapitre 6. Cet article propose une amélioration en ce qui concerne la performance et la précision d'un algorithme de scan 3D existant et a été publié dans la International Virtual Conference on 3D Vision en novembre 2020. / This thesis focuses on active 3D reconstruction with structured light and is intended to be an introduction through an overview of the field. It is focused on understanding the different aspects of a 3D scanner, from the acquisition of the material to the final mesh reconstruction. The most common technical difficulties that arise in the context of low-cost 3D scanning are addressed, to give a general idea of the potential technical problems that may occur when using a DIY 3D scanner built from scratch. To help assess the strengths and weaknesses of each algorithm of the current state of the art in structured light, a review of the different strategies is also proposed. The study of this domain led to the contribution of a paper, presented here in its entirety in chapter 6. This paper describes an improvement of an existing algorithm, both in terms of performance and precision, and was published in the International Virtual Conference on 3D Vision in November 2020.

Cette thèse porte sur la reconstruction active de modèles 3D à l’aide d’une caméra et d’un projecteur. Les méthodes de reconstruction standards utilisent des motifs de lumière codée qui ont leurs forces et leurs faiblesses. Nous introduisons de nouveaux motifs basés sur la lumière non structurée afin de pallier aux manques des méthodes existantes. Les travaux présentés s’articulent autour de trois axes : la robustesse, la précision et finalement la comparaison des patrons de lumière non structurée aux autres méthodes. Les patrons de lumière non structurée se différencient en premier lieu par leur robustesse aux interréflexions et aux discontinuités de profondeur. Ils sont conçus de sorte à homogénéiser la quantité d’illumination indirecte causée par la projection sur des surfaces difficiles. En contrepartie, la mise en correspondance des images projetées et capturées est plus complexe qu’avec les méthodes dites structurées. Une méthode d’appariement probabiliste et efficace est proposée afin de résoudre ce problème. Un autre aspect important des reconstructions basées sur la lumière non structurée est la capacité de retrouver des correspondances sous-pixels, c’est-à-dire à un niveau de précision plus fin que le pixel. Nous présentons une méthode de génération de code de très grande longueur à partir des motifs de lumière non structurée. Ces codes ont l’avantage double de permettre l’extraction de correspondances plus précises tout en requérant l’utilisation de moins d’images. Cette contribution place notre méthode parmi les meilleures au niveau de la précision tout en garantissant une très bonne robustesse. Finalement, la dernière partie de cette thèse s’intéresse à la comparaison des méthodes existantes, en particulier sur la relation entre la quantité d’images projetées et la qualité de la reconstruction. Bien que certaines méthodes nécessitent un nombre constant d’images, d’autres, comme la nôtre, peuvent se contenter d’en utiliser moins aux dépens d’une qualité moindre. Nous proposons une méthode simple pour établir une correspondance optimale pouvant servir de référence à des fins de comparaison. Enfin, nous présentons des méthodes hybrides qui donnent de très bons résultats avec peu d’images. / This thesis deals with active 3D reconstruction from camera-projector systems. Standard reconstruction methods use coded light patterns that come with their strengths and weaknesses. We introduce unstructured light patterns that feature several improvements compared to the current state of the art. The research presented revolves around three main axes : robustness, precision and comparison of existing unstructured light patterns to existing methods. Unstructured light patterns stand out first and foremost by their robustness to interreflections and depth discontinuities. They are specifically designed to homogenize the indirect lighting generated by their projection on hard to scan surfaces. The downside of these patterns is that matching projected and captured images is not straightforward anymore. A probabilistic correspondence method is formulated to solve this problem efficiently. Another important aspect of reconstruction obtained with unstructured light pat- terns is their ability to recover subpixel correspondences, that is with a precision finer than the pixel level. We present a method to produce long codes using unstructured light. These codes enable us to extract more precise correspondences while requiring less patterns. This contribution makes our method one of the most accurate - yet robust to standard challenges - method of active reconstruction in the domain. Finally, the last part of this thesis adresses the comparison of existing reconstruction methods on several aspects, but mainly on the impact of using less and less patterns on the quality of the reconstruction. While some methods need a fixed number of images, some, like ours, can accommodate fewer patterns in exchange for some quality loss. We devise a simple method to capture an optimal correspondence map that can be used as a groundtruth for comparison purposes. Last, we present several hybrid methods that perform quite well even with few images.

Cette thèse s'intéresse à des aspects du tournage, de la projection et de la perception du cinéma stéréo panoramique, appelé aussi cinéma omnistéréo. Elle s'inscrit en grande partie dans le domaine de la vision par ordinateur, mais elle touche aussi aux domaines de l'infographie et de la perception visuelle humaine. Le cinéma omnistéréo projette sur des écrans immersifs des vidéos qui fournissent de l'information sur la profondeur de la scène tout autour des spectateurs. Ce type de cinéma comporte des défis liés notamment au tournage de vidéos omnistéréo de scènes dynamiques, à la projection polarisée sur écrans très réfléchissants rendant difficile l'estimation de leur forme par reconstruction active, aux distorsions introduites par l'omnistéréo pouvant fausser la perception des profondeurs de la scène. Notre thèse a tenté de relever ces défis en apportant trois contributions majeures. Premièrement, nous avons développé la toute première méthode de création de vidéos omnistéréo par assemblage d'images pour des mouvements stochastiques et localisés. Nous avons mis au point une expérience psychophysique qui montre l'efficacité de la méthode pour des scènes sans structure isolée, comme des courants d'eau. Nous proposons aussi une méthode de tournage qui ajoute à ces vidéos des mouvements moins contraints, comme ceux d'acteurs. Deuxièmement, nous avons introduit de nouveaux motifs lumineux qui permettent à une caméra et un projecteur de retrouver la forme d'objets susceptibles de produire des interréflexions. Ces motifs sont assez généraux pour reconstruire non seulement les écrans omnistéréo, mais aussi des objets très complexes qui comportent des discontinuités de profondeur du point de vue de la caméra. Troisièmement, nous avons montré que les distorsions omnistéréo sont négligeables pour un spectateur placé au centre d'un écran cylindrique, puisqu'elles se situent à la périphérie du champ visuel où l'acuité devient moins précise. / This thesis deals with aspects of shooting, projection and perception of stereo panoramic cinema, also called omnistereo cinema. It falls largely in the field of computer vision, but it also in the areas of computer graphics and human visual perception. Omnistereo cinema uses immersive screens to project videos that provide depth information of a scene all around the spectators. Many challenges remain in omnistereo cinema, in particular shooting omnistereo videos for dynamic scenes, polarized projection on highly reflective screens making difficult the process to recover their shape by active reconstruction, and perception of depth distortions introduced by omnistereo images. Our thesis addressed these challenges by making three major contributions. First, we developed the first mosaicing method of omnistereo videos for stochastic and localized motions. We developed a psychophysical experiment that shows the effectiveness of the method for scenes without isolated structure, such as water flows. We also propose a shooting method that adds to these videos foreground motions that are not as constrained, like a moving actor. Second, we introduced new light patterns that allow a camera and a projector to recover the shape of objects likely to produce interreflections. These patterns are general enough to not only recover the shape of omnistereo screens, but also very complex objects that have depth discontinuities from the viewpoint of the camera. Third, we showed that omnistereo distortions are negligible for a viewer located at the center of a cylindrical screen, as they are in the periphery of the visual field where the human visual system becomes less accurate.

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Cette thèse s'intéresse à des aspects du tournage, de la projection et de la perception du cinéma stéréo panoramique, appelé aussi cinéma omnistéréo. Elle s'inscrit en grande partie dans le domaine de la vision par ordinateur, mais elle touche aussi aux domaines de l'infographie et de la perception visuelle humaine. Le cinéma omnistéréo projette sur des écrans immersifs des vidéos qui fournissent de l'information sur la profondeur de la scène tout autour des spectateurs. Ce type de cinéma comporte des défis liés notamment au tournage de vidéos omnistéréo de scènes dynamiques, à la projection polarisée sur écrans très réfléchissants rendant difficile l'estimation de leur forme par reconstruction active, aux distorsions introduites par l'omnistéréo pouvant fausser la perception des profondeurs de la scène. Notre thèse a tenté de relever ces défis en apportant trois contributions majeures. Premièrement, nous avons développé la toute première méthode de création de vidéos omnistéréo par assemblage d'images pour des mouvements stochastiques et localisés. Nous avons mis au point une expérience psychophysique qui montre l'efficacité de la méthode pour des scènes sans structure isolée, comme des courants d'eau. Nous proposons aussi une méthode de tournage qui ajoute à ces vidéos des mouvements moins contraints, comme ceux d'acteurs. Deuxièmement, nous avons introduit de nouveaux motifs lumineux qui permettent à une caméra et un projecteur de retrouver la forme d'objets susceptibles de produire des interréflexions. Ces motifs sont assez généraux pour reconstruire non seulement les écrans omnistéréo, mais aussi des objets très complexes qui comportent des discontinuités de profondeur du point de vue de la caméra. Troisièmement, nous avons montré que les distorsions omnistéréo sont négligeables pour un spectateur placé au centre d'un écran cylindrique, puisqu'elles se situent à la périphérie du champ visuel où l'acuité devient moins précise. / This thesis deals with aspects of shooting, projection and perception of stereo panoramic cinema, also called omnistereo cinema. It falls largely in the field of computer vision, but it also in the areas of computer graphics and human visual perception. Omnistereo cinema uses immersive screens to project videos that provide depth information of a scene all around the spectators. Many challenges remain in omnistereo cinema, in particular shooting omnistereo videos for dynamic scenes, polarized projection on highly reflective screens making difficult the process to recover their shape by active reconstruction, and perception of depth distortions introduced by omnistereo images. Our thesis addressed these challenges by making three major contributions. First, we developed the first mosaicing method of omnistereo videos for stochastic and localized motions. We developed a psychophysical experiment that shows the effectiveness of the method for scenes without isolated structure, such as water flows. We also propose a shooting method that adds to these videos foreground motions that are not as constrained, like a moving actor. Second, we introduced new light patterns that allow a camera and a projector to recover the shape of objects likely to produce interreflections. These patterns are general enough to not only recover the shape of omnistereo screens, but also very complex objects that have depth discontinuities from the viewpoint of the camera. Third, we showed that omnistereo distortions are negligible for a viewer located at the center of a cylindrical screen, as they are in the periphery of the visual field where the human visual system becomes less accurate.