Des applications en vision artificielle exploitent des caméras très variées : fish-eye, systèmes catadioptriques et multi-caméras, etc. Ces caméras ont des caractéristiques intéressantes, dont surtout un champ de vue étendu. Le calibrage et la reconstruction 3D sont deux problèmes fondamentaux en vision artificielle. Les modèles et algorithmes pour ces problèmes sont habituellement de nature paramétrique, s'appliquent à un seul type de caméra et sont rarement capables de gérer des réseaux de caméras hétérogènes. Afin de résoudre ces problèmes, nous introduisons un modèle de formation d'image générique, dans lequel toute caméra est modélisée par l'ensemble de ses pixels et l'ensemble de lignes de vue associées. Nous proposons des méthodes de calibrage générique pour ce modèle, qui calculent toutes ces lignes de vue et permettent de calibrer toute caméra avec la même approche. Nous proposons également des algorithmes génériques pour la reconstruction 3D et l'auto-calibrage.

Dans ce document, je décris mes activités professionnelles, pour la période allant de 1998 à 2005. <br />La plus grande partie de ce document (parties II à VI) <br />est rédigée en anglais. Elle contient la description des résultats<br />scientifiques que j'ai obtenus durant cette période. Un résumé en français en est donné dans la première<br />partie du manuscrit. Il est précédé d'une description de mes activités d'animation <br />de la recherche (organisations de colloques, participations à des comités de programme, <br />responsabilités scientifiques, participations à des<br />projets, communications invitées, etc.) <br />et des tâches administratives et d'enseignement dont j'ai eu la charge.<br />Ce document est accompagné par une sélection des articles les plus<br />représentatifs de mes activités de recherche pour la période concernée.

Au sein du département RFS (Radio Frequency Solutions) de Thales Systèmes Aéroportés sont conçus des modules d'émission-réception utilisés dans des applications radar et guerre électronique. Les fonctions hyperfréquences élémentaires (amplification, atténuation, mélange,...), réalisées en technologie MMIC, sont mises en boîtier et interconnectées. Ceci constitue l'architecture du module et doit assurer une protection (vis-à-vis de l'atmosphère et de la CEM) ainsi qu'une souplesse de montage mécanique et au final une réduction des coûts de fabrication. L'architecture des modules devient ainsi la clé de voûte de systèmes complexes tels que les antennes à balayage électronique développée au sein de ce département. <br /><br />Les outils de simulation doivent évoluer dans le but de prévenir les effets parasites, dus aux boîtiers et interconnexions, susceptibles d'apparaître. Les logiciels de simulation EM sont recommandés de par les géométries complexes des architectures des modules. Malheureusement, les simulateurs EM sont limités par leur incapacité à traiter simultanément les boîtiers et circuits actifs qu'ils protègent. C'est pour cette raison qu'un outil de simulation EM global adapté à ce type de simulation et aux besoins industriels a été proposé, validé et exploité au cours de cette thèse. <br /><br />La méthode choisie est une implémentation de l'approche de compression, qui associe deux logiciels commerciaux de façon séquentielle. Ceci est permis par une procédure de calibrage numérique des ports internes qui fait l'interface entre les environnements de simulation EM et circuit. Cette approche modulable est rapide car elle ne requiert qu'une seule simulation EM pour de nombreuses simulations. La modification des circuits actifs ou des études de dispersion sont aisément envisageables. Cette approche est basée sur l'hypothèse de localisation. Une validation approfondie de cette hypothèse permet de conclure à la nécessité d'indépendance intrinsèque des éléments localisés vis-à-vis de l'environnement pour un bon fonctionnement de l'approche de compression. Cette hypothèse est confirmée grâce à l'application de l'approche de compression à des niveaux d'échelle différents (à l'échelle du boîtier ou du MMIC). <br /><br />L'approche de compression proposée a été validée sur des structures complexes de boîtiers intégrant des amplificateurs MMIC, en régime linéaire ainsi que non-linéaire. L'influence des transitions, éléments d'interconnexion et du couplage EM, est parfaitement prise en compte par cet outil de simulation. Des règles de conception sur les dimensions des boîtiers (hauteur, largeur, positionnement des puces, ...), des transitions et interconnexions sont déduites des simulations.

Le réflectomètre six-portes est un dispositif de mesure en hyperfréquences qui permet de déterminer le facteur de réflexion d'un dispositif sous test (qui est directement lié avec son impédance d'entrée) ou alternativement de trouver le rapport en module et phase entre deux différents signaux. Ce type de mesure est utilisé très souvent dans le domaine des hyperfréquences, d'un coté dans les laboratoires pour caractériser des composants et de l'autre coté dans des applications comme les radars de sécurité pour les automobiles, les démodulateurs numériques ou le contrôle d'antennes adaptatives. <br /><P><br />L'un des avantages du réflectomètre six-portes par rapport aux autres systèmes qui mesurent les mêmes quantités est sa structure très simple : il s'agit essentiellement d'un circuit linéaire avec six accès dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. Il est donc beaucoup plus facile à réaliser et moins coûteux que les autres types de système qui nécessitent généralement des composants plus sophistiqués comme par exemple des mélangeurs de bonne qualité. <br /><P><br />Après un calibrage du réflectomètre six-portes, il est possible de calculer le facteur de réflexion du dispositif sous test ou le rapport en module et phase entre deux signaux différents ainsi que des informations sur la précision de ces valeurs à partir des puissances mesurées par les quatre détecteurs. On peut donc dire que le calcul numérique à l'aide d'un ordinateur remplace le besoin de disposer d'un circuit de mesure très sophistiqué qui permet d'obtenir les résultats d'une manière plus directe. <br /><P><br />Malgré cet avantage considérable que présente la simplicité du circuit, les réflectomètres six-portes sont à ce jour surtout utilisés dans des laboratoires de métrologie en raison de la bonne précision des mesures qu'ils permettent de réaliser ; par contre, leur emploi dans des produits commercialisés est très faible et concerne principalement des applications très spécialisés. Il existe plusieurs raisons pour ce fait, entre autres la bande de fréquences assez réduite dans laquelle fonctionnent la plupart des réflectomètres six-portes, l'encombrement de certaines de ces structures qui contiennent souvent plusieurs coupleurs directifs, et aussi des problèmes qui peuvent apparaître dans la procédure de calibrage du système dans certaines situations. <br /><P><br />Dans cette thèse, nous présentons donc plusieurs développements pour résoudre ces problèmes afin de rendre possible une utilisation des réflectomètres six-portes à plus grande échelle dans des produits industriels. Il s'agit d'abord d'un algorithme de calibrage très robuste qui élimine les difficultés que pouvaient présenter dans certaines situations les algorithmes utilisés auparavant. Puis, nous avons développé un réflectomètre six-portes en technologie hybride à bas coût avec une surface de 20 cm² incluant les détecteurs de puissance, qui fonctionne sur une très large bande de fréquences, de 1.5 MHz à 2200 MHz. Finalement, nous présentons un réflectomètre six-portes que nous avons réalisé en technologie intégrée monolithique MMIC. Le circuit occupe une surface de 2.2 mm² incluant les détecteurs et fonctionne entre 1.3 GHz et 3.0 GHz. Ses meilleures caractéristiques se trouvent autour de la fréquence de 1.8 GHz, la fréquence de la nouvelle gamme de radiomobiles DCS 1800. <br /><P><br />Tous ces développements devraient beaucoup faciliter l'utilisation des réflectomètres six-portes dans des applications industrielles destinées à un grand public comme des radars de sécurité pour les automobiles ou des démodulateurs numériques pour les radiomobiles. Nous espérons que les résultats de notre travail aideront à convaincre un plus grand nombre de fabricants des avantages de ce dispositif encore relativement nouveau.

Avec les échographes classiques, le médecin explore un volume à partir de plans de coupe. Il intègre ensuite les informations volumiques en coordonnant les images obtenues et les positions de la sonde. Les techniques d'échographie tridimensionnelle récupèrent directement les données volumiques, qui peuvent ensuite être exploitées de manière plus ou moins automatique. L'objectif de cette thèse est de permettre l'évaluation clinique des techniques ultrasonores tridimensionnelles, notamment en ce qui concerne l'exploration de la région thyroïdienne. Pour ce faire, nous avons développé un système qui repère les mouvements de la sonde échographique pendant que l'opérateur explore le volume étudié. Deux systèmes de repérages ont été testés : un bras mécanique et un capteur électromagnétique. Dans une première étape, nous avons étudié les problèmes de calibrage et la précision du repérage dans les conditions d'utilisation. Les caractéristiques des données ultrasonores rendent le problème de la visualisation des données tridimensionnelles particulièrement difficile. Nous proposons une méthode interactive pour obtenir des images tridimensionnelles réalistes et estimer le volume des structures étudiées. Les images obtenues facilitent alors l'échange d'informations entre l'opérateur et le chirurgien ou le patient. Nous présentons enfin deux méthodes de segmentation pour améliorer la visualisation des données dans deux situations précises. En ce qui concerne la région thyroïdienne, la segmentation semi-automatique de la carotide facilite la localisation des adénomes. En obstétrique, un algorithme de détection des parois la cavité utérine permet d'améliorer la visualisation du foetus.

Une des techniques pour obtenir des images de structures hétérogènes ou d'objets enfouis dans un milieu (sol, murs, ...) repose sur la mesure du champ électromagnétique diffracté par les inhomo-généités lorsqu'elles sont soumises à une illumination incidente. Cela nécessite la mise en oeuvre d'un système d'acquisition microonde doté d'un réseau de capteurs linéaire ou plan. Ses critères de conception sont dictés par les algorithmes d'imagerie qui nécessitent le plus souvent des données multifréquences acquises sur une large fenêtre d'observation. Ce travail de thèse repose sur la caractérisation, le calibrage et la validation expérimentale d'un prototype d'imageur multistatique ultra large bande. Un descriptif des systèmes actuels d'imagerie microonde a permis tout d'abord de valider les critères retenus pour le cahier des charges initial et de décrire les considérations associées à un problème de détection subsurface. Le Système d'Imagerie Microonde à Impulsions Synthétiques (SIMIS), dévelopé au LEAT, est caractérisé par ses performances théoriques, et une attention particulière a porté sur l'optimisation de la dynamique de détection. Afin de corriger les erreurs systématiques, le calibrage du radar est accompli sur chaque module successivement, puis, plusieurs études portant sur les erreurs de dérive et les erreurs aléatoires sont proposées. Le système est ensuite utilisé en chambre anéchoïque pour la détection de cibles canoniques (un cylindre métallique et un parallélépipède diélectrique) dans une configuration 2D-TM. La détection des deux objets est confirmée par l'observation d'hyperboles de diffraction sur des images apparentées B-scan. Une modification du système est effectuée et validée afin de réduire le couplage inter-antennes au sein du réseau de transducteurs. Cela permet, le cas échéant, de détecter les cibles à partir de la seule mesure du champ total. Les premiers résultats en imagerie qualitative sont obtenus par la technique du miroir à retournement temporel. Dans le domaine fréquentiel, l'utilisation de la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) a permis également de détecter les cibles lorsque la longueur d'onde est comparable à leur dimension transverse.

Les TBH SiGe sont parmi les composants les plus rapides et sont utilisés pour les applications millimétriques. Des systèmes fonctionnent à 820GHz avec ces composants ont été déjà mis en œuvre. Afin de concevoir des circuits fonctionnant à ces fréquences très élevées, une analyse détaillée du comportement intrinsèque doit être effectuée. L’objectif principal de cette thèse est la caractérisation de la partie intrinsèque de ces composants. Une bonne précision de mesure dans la gamme de fréquences ondes millimétriques représente un vrai challenge, puisque les grandeurs intrinsèques du dispositifs ont beaucoup plus faibles que les données brutes de mesure auxquelles est associée la partie extrinsèque du composant. Afin de corriger la partie extrinsèque, des techniques de de-embedding spécifiques sont mises au point pour obtenir ces caractéristiques intrinsèques réelles. De plus, une technique de calibration directement sur la puce, sans utiliser de calkit, a été élaborée. Ceci permet de s’affranchir des effets de couplage entre la surface du standard de calibrage et les pointes de test hyperfréquences. L’ensemble a été validé par des simulations de type électromagnétique. / SiGe HBTs have proven their capability to support large bandwidth and high data ratesfor high-speed communication systems. Systems operating at 820GHz with these componentshave already been implemented. To design circuits operating at high frequencies, adetailed analysis of the intrinsic behavior should be performed. The main objective of thisthesis is the characterization of the intrinsic part of these components. Good accuracy inthe millimeter wave frequency range represents a real challenge, since the intrinsic deviceparameters are much lower than the raw data measurement that is associated with theextrinsic part of the component. However, existing on-wafer de-embedding techniquesare known to be inadequate to remove completely the parasitic effects and to get thereal intrinsic characteristics. In addition, an on-wafer calibration technique has beendeveloped. This overcomes the effects of coupling between the surface of the standard calibrationand RF probe tips. The set has been validated by an electromagnetic simulation.

L'objectif de cette thèse est de concevoir un système automatique constitué d'une ou plusieurs caméras capables de détecter en trois dimensions un amalgame d'objets stockés dans un conteneur. Pour ceci, il est nécessaire de modéliser, de reconnaître et de localiser des formes dans une image. Dans un premier temps, Nous proposons une solution d'optimisation du calibrage de caméras. C'est une tâche essentielle pour récupérer des informations quantitatives sur les images capturées. Cette méthode nécessite des compétences spécifiques en matière de traitement d'image, ce qui n'est pas toujours le cas dans l'industrie. Nous proposons d'automatiser et d'optimiser le système d'étalonnage en éliminant la sélection des images par l'opérateur. Ensuite, nous proposons d'améliorer les systèmes de détection d'objets fins et sans motif. Enfin, nous proposons d'adapter des algorithmes évolutionnaires dans le but d'optimiser les temps de recherche. / The aim of this thesis is to design an automatic system involving one or several cameras capable of detecting in three dimensions a set of abjects placed in a bin. To do this, we must model, recognize and locate shapes in an image. First, we propose a solution to optimize the camera calibration system. This is an essential task for the retrieval of quantitative information about the captured images. However, the current methods require specific skills in image processing, which are not always available in industry. We propose to automate and optimize the calibration system by eliminating the selection of images by the operator. Second, we propose to improve the detection systems for thin and featureless abjects. Finally, we propose to adapt evolutionary algorithms to optimize search times.

La constante amélioration des technologies silicium permet aux transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) SiGeC (Silicium-Germanium : Carbone) de concurrencer les composants III-V pour les applications millimétriques et sous-THz (jusqu’à 300GHz). Le cycle de développement de la technologie (caractérisation-modélisation-conception-fabrication) nécessite plusieurs itérations, entraînant des coûts élevés. De plus, les méthodologies de mesure doivent être réévaluées et ajustées pour adresser des fréquences plus élevées. Afin de réduire le nombre d’itérations et de permettre la montée en fréquence de la mesure, un travail de fond sur la première étape, la caractérisation, s’avère indispensable.Pour répondre à cette exigence, une description et une étude des instruments de mesure (VNA) est réalisée dans un premier temps. Un état de l’art des méthodes de calibrage permet de choisir la solution la plus pertinente pour la calibration sur puce valable dans la gamme de fréquences sous-THz. Ensuite, après avoir relevé plusieurs défauts dans la méthode choisie (à savoir la méthode Thru-Reflect-Line : TRL), des solutions sont proposées concernant la modification des calculs des coefficients d’erreur et également en modifiant les standards utilisés durant le calibrage. Finalement, une étude sur les méthodes d’épluchage est réalisée. Une amélioration est proposée par la modification de deux standards évitant le principal problème de l’état de l’art, la surcompensation des composants parasites. / The continuous improvement in Silicon technologies allows SiGeC (Silicon-Germanium-Carbon) heterojunction bipolar transistors (HBT) to compete with III-V components for millimeter wave and sub-THz (below 300GHz) applications. The technology development cycle (characterization, modeling, design and fabrication) needs several iterations resulting in high costs. Furthermore, the measurement methodologies need to be re-assessed and modified to address higher measurement frequencies. In order to reduce the number of iterations and to allow reliable measurement in the sub-THz band, the characterization procedure has been revisited.First, a description and investigation of the measurement instrument (VNA) has been made. After exploring all possible calibration methods, the best candidate for an “on-wafer” calibration for the sub-THz frequency range has been selected. Then, after analyzing the limits of the chosen calibration method (Thru-Reflect-Line: TRL), workarounds are proposed, by modification of the errors coefficients calculation and by changing the standards used during the calibration process. At last, a study concerning the de-embedding methods is carried out. It is shown, that using two new standards helps to reduce the over-compensation of parasitic components.

La fracture de la hanche est une pathologie fréquente chez les personnes âgées et provoque des effets indésirables tels que la perte de mobilité et des complications secondaires. Le traitement actuel de la fracture de la hanche nécessite l'utilisation d'un appareil à rayons X (le fluoroscope). La méthode conventionnelle de traitement procède par essais/erreurs pour placer correctement un guide métallique dans l'os du patient, nécessitant à chaque essai la prise d'un cliché radiologique. Ceci engendre une exposition importante du chirurgien et du patient aux rayons X (nocifs pour la santé) suite à l'utilisation répétée du fluoroscope. La méthode par essai/erreur a en outre pour conséquence de provoquer un traumatisme supplémentaire au patient due à des pénétrations répétées du guide au niveau de l'os et produit souvent un montage orthopédique final sous-optimal. Nous proposons de pallier à ces inconvénients grâce à un système de chirurgie orthopédique assistée par ordinateur sans marqueur vissé sur l'os du patient se basant sur l'utilisation d'une caméra de positionnement 3D. Le prototype développé dans le cadre de ce projet ressemble en tout point au système final désiré avec fluoroscope. Des caméras CCD serviront de substitut au fluoroscope dans notre cas. Le système final possède l'avantage de servir de support au chirurgien en lui clarifiant les données qui lui sont nécessaires sans s'y substituer. Son principe de fonctionnement est le suivant: nous effectuons le calibrage intrinsèque du fluoroscope avant l'opération et nous sauvegardons les données obtenues. En tout début d'opération nous prenons deux clichés fluoroscopiques, un latéral et un antéropostérieur. Sur ces clichés vont apparaître des grilles de référence visibles au fluoroscope, ce qui permettra d'effectuer le calibrage extrinsèque du fluoroscope. En phase intra-opératoire (pendant l'opération) les instruments chirurgicaux vont apparaître en temps réel dans le repère des grilles de référence grâce à la caméra de positionnement 3D, des paramètres de calibrage du fluoroscope et des marqueurs fixés sur les instruments chirurgicaux ainsi que sur les grilles de référence. Les grilles de référence communes aux images préopératoires et intra-opératoires vont permettre une extrapolation de la position des instruments chirurgicaux pendant l'opération sur les images préopératoires. Le prototype développé fonctionne de façon tout à fait similaire au système final décrit précédemment. Le prototype servira principalement à tester le produit final et à détecter les failles éventuelles du système. Une analyse des erreurs est réalisée à l'aide de ce dernier afin de déterminer les sources d'erreur les plus importantes. Notre travail se base sur l'hypothèse qu'entre la prise des images préopératoires et la fin de l'intervention chirurgicale, la position du fémur relativement aux grilles de référence n'a pas changé. Une étude des déplacements de l'anatomie du patient a été entamée au cours de notre projet ce qui permettra éventuellement de valider l'hypothèse de départ, ce qui n'a pu être réalisé dans le cadre des présents travaux. Cette hypothèse découle du fait que dans les opérations de la hanche, la jambe du patient est sous traction ce qui limite les mouvements de cette dernière. Notre système de réalité augmenté permettra une réduction du temps opératoire, un recours moins important à la fluoroscopie, une meilleure précision de positionnement des instruments chirurgicaux et l'obtention de montages orthopédiques plus fiables et plus solides, tout cela pour une amélioration des soins apportés aux patients.