Les travaux proposés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre des projets ANR-Cam-Relief et du CPER-CREATIS soutenus par l’Agence Nationale de la Recherche, la région Champagne-Ardenne et le FEDER. Ces études s'inscrivent également dans le cadre d’une collaboration avec la société 3DTV-Solutions et deux groupes du CReSTIC (AUTO et SIC). L’objectif de ce projet est ,entre autre, de concevoir par analogie aux systèmes 2D grands publics actuels, des systèmes de prise de vue 3D permettant de restituer sur écrans reliefs (auto-stéréoscopiques) visibles sans lunettes, des images 3D de qualité. Notre intérêt s’est porté particulièrement sur les systèmes de prise de vue à configuration parallèle et décentrée. Les travaux de recherche menés dans cette thèse sont motivés par l’incapacité des configurations statiques de ces systèmes de prise de vue de capturer correctement des scènes dynamiques réelles pour une restitution autostéréoscopique correcte. Pour surmonter cet obstacle, un schéma d’adaptation de laconfiguration géométrique du système de prise de vue est proposé. Afin de déterminer les paramètres devant être concernés par cette adaptation, une étude de l’effet de la constance de chaque paramètre sur la qualité du rendu relief est menée. Les répercussions des contraintes dynamiques et mécaniques sur le relief restitué sont ensuite examinées. La précision de positionnement des paramètres structurels est abordée à travers la proposition de deux méthodes d’évaluation de la qualité du rendu relief, pour déterminer les seuils d’erreur de positionnement des paramètres structurels du système de prise de vue. Enfin, le problème de la calibration est abordée, où l’on propose une méthode basée sur la méthode de transformation linéaire directe DLT, et des perspectives sont envisagées pour l’asservissement de ces systèmes de prise de vue par asservissement classique ou par asservissement visuel. / The works proposed in this thesis are part of the projects ANR-Cam-Relief and CPER-CREATIS supported by the National Agency of Research, the Champagne-Ardenne region and the FEDER.These studies also join within the framework of a collaboration with the 3DTV-Solutions society and two groups of the CReSTIC (AUTO and SIC).The objective of this project is, among others, to design by analogy to the current 2D popularized systems, 3D shooting systems allowing to display on 3D screens (auto-stereoscopic) visible without glasses, 3D quality images. Our interest has focused particularly on shooting systems with parallel and decentred configuration. There search works led in this thesis are motivated by the inability of the static configurations of these shooting systems to capture correctly real dynamic scenes for a correct auto-stereoscopic endering. To overcome this drawback, an adaptation scheme of the geometrical configuration of the shooting system is proposed. To determine the parameters to be affected by this adaptation,the effect of the constancy of each parameter on the rendering quality is studied. The repercussions of the dynamic and mechanical constraints on the 3D rendering are then examined. Positioning accuracy of the structural parameters is approached through two methods proposed for the rendering quality assessment, to determine the thresholds of positioning error of the structural parameters of the shooting system. Finally, the problem of calibration is discussed where we propose an approach based on the DLT method, and perspectives are envisaged to automatic control of these shooting systems by classical approaches or by visual servoing.

Cette thèse traite du développement de la déflectométrie à décalage de phase en contexte industriel. Cette technique optique permet de mesurer le champ des pentes à la surface d'objets réfléchissants ; elle est particulièrement adaptée à la caractérisation de leurs défauts, qui se traduisent par des valeurs de courbure locale importantes. Plusieurs aspects de la déflectométrie ont été étudiés. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la question de la normalisation des mesures de pentes et de courbures. L'étude détaillée menée sur une pièce de référence interne nous a permis de mettre en évidence l'attention que l’on doit porter à la définition d'étalons fiables de pentes et de courbures. Elle nous a amenés à proposer un étalon spécifique pour ce type de mesure. Une deuxième partie concerne le problème de l'étalonnage du système déflectométrique, indispensable pour permettre la mesure quantitative de pentes. Après avoir mis en évidence l'intérêt des techniques de mesure de phase pour la détermination de la pose de caméras, nous avons développé une méthode d'étalonnage dédiée au cas particulier d'une configuration proche de l'incidence normale. La dernière partie de cette thèse traite de la mesure de forme par déflectométrie, problématique complexe en raison du couplage pente / altitude inhérent à cette technique. Nous avons proposé une solution itérative ne nécessitant aucune modification du montage de base. Cette méthode, dont le principe a été validé par simulation, offre des perspectives pour la mesure d'objets non plans et de grandes dimensions, tels que des miroirs solaires ou encore des verres automobiles / This work deals with the development of phase stepping deflectometry in an industrial context. This optical method allows the measurement of slope fields on the surface of specular objects. It is particularly suited to the characterization of their defects that result in high local curvature values. Several aspects of deflectometry were studied. First we examined the question of the standardization of slope and curvature measurements. The detailed study made on an internal reference part allowed us to show that the definition of slope and curvature measurement standards deserves special attention. It led us to suggest a specific measurement standard for this kind of measurement. The second part of this work details the problem of the calibration of the deflectometric system, essential for the quantitative measurement of slopes. First, the interest of phase measurement techniques for the determination of camera pose is highlighted. The principle of our calibration method, dedicated to the particular case of normal configurations, is then explained. The last part of this work deals with the shape measurement by deflectometry. This problematic is very complex because of the slope / altitude coupling inherent in this technique. We suggest an iterative solution that does not require any modification of the basic setup. This method, whose principle was validated using simulations, offers perspectives for the measurement of large non-flat objects, such as solar mirrors or automotive glasses

Le placement de caméra en environnement virtuel consiste à positionner et orienter une caméra virtuelle 3D de façon à respecter un ensemble de propriétés visuelles ou cinématographiques définies par l'utilisateur. Réaliser cette tâche est difficile en pratique. En effet, l'utilisateur possède une vision claire du résultat qu'il souhaite obtenir en termes d'agencement des objets à l'image. Toutefois le processus classique de placement de caméra est particulièrement contre-intuitif. L'utilisateur doit effectuer une inversion mentale afin d'inférer la position et l'orientation de la caméra dans l'environnement 3D amenant au résultat souhaité. Des méthodes d'aide au placement de caméra apparaissent donc particulièrement profitables pour les utilisateurs. Dans cette thèse, nous identifions trois axes de recherche relativement peu couverts par la littérature dédiée au placement de caméra et qui nous apparaissent pourtant essentiels. D'une part, les approches existantes n'offrent que peu de flexibilité tant dans la résolution que dans la description d'un problème en termes de propriétés visuelles, en particulier lorsque celui-ci ne possède aucune solution. Nous proposons une méthode de résolution flexible qui calcule l'ensemble des solutions, maximisant la satisfaction des propriétés du problème, que celui-ci soit sur-contraint ou non. D'autre part, les méthodes existantes ne calculent qu'une seule solution, même lorsque le problème possède plusieurs classes de solutions équivalentes en termes de satisfaction de propriétés. Nous introduisons la méthode des volumes sémantiques qui calcule l'ensemble des classes de solutions sémantiquement équivalentes et propose un représentant de chacune d'elles à l'utilisateur. Enfin, le problème de l'occlusion, bien qu'essentiel dans la transmission de l'information, n'est que peu abordé par la communauté. En conséquence, nous présentons une nouvelle méthode de prise en compte de l'occlusion dans des environnements dynamiques temps réel.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse s’intéresse à définir de nouvelles méthodes cliniques d’investigation permettant de juger de l’impact de l’avance en âge sur la motricité. En particulier, cette thèse se focalise sur deux principales perturbations possibles lors de l’avance en âge : la chute et l’altération de la marche.Ces deux perturbations motrices restent encore mal connues et leur analyse en clinique pose de véritables défis technologiques et scientifiques. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes originales de détection qui peuvent être utilisées dans la vie courante ou en clinique, avec un minimum de contraintes techniques.Dans une première partie, nous abordons le problème de la détection de la chute à domicile, qui a été largement traité dans les années précédentes. En particulier, nous proposons une approche permettant d’exploiter le volume du sujet, reconstruit à partir de plusieurs caméras calibrées. Ces méthodes sont généralement très sensibles aux occultationsqui interviennent inévitablement dans le domicile et nous proposons donc une approche originale beaucoup plus robuste à ces occultations. L’efficacité et le fonctionnement en temps réel ont été validés sur plus d’une vingtaine de vidéos de chutes et de leurres, avec des résultats approchant les 100% de sensibilité et de spécificité en utilisant 4 caméras ou plus.Dans une deuxième partie, nous allons un peu plus loin dans l’exploitation des volumes reconstruits d’une personne, lors d’une tâche motrice particulière : la marche sur tapis roulant, dans un cadre de diagnostic clinique. Dans cette partie, nous analysons plus particulièrement la qualité de la marche. Pour cela nous développons le concept d’utilisation de caméras de profondeur pour la quantification de l’asymétrie spatiale au cours du mouvement des membres inférieurs pendant la marche. Après avoir détecté chaque pas dans le temps, cette méthode réalise une comparaison de surfaces de chaque jambe avec sa correspondante symétrique du pas opposé. La validation effectuée sur une cohorte de 20 sujets montre la viabilité de la démarche / This thesis is concerned with defining new clinical investigation method to assess the impact of ageing on motricity. In particular, this thesis focuses on two main possible disturbance during ageing : the fall and walk impairment. This two motricity disturbances still remain unclear and their clinical analysis presents real scientist and technological challenges. In this thesis, we propose novel measuring methods usable in everyday life or in the walking clinic, with a minimum of technical constraints.In the first part, we address the problem of fall detection at home, which was widely discussed in previous years. In particular, we propose an approach to exploit the subject’s volume, reconstructed from multiple calibrated cameras. These methods are generally very sensitive to occlusions that inevitably occur in the home and we therefore propose an original approach much more robust to these occultations. The efficiency and realtime operation has been validated on more than two dozen videos of falls and lures, with results approaching 100 % sensitivity and specificity with at least four or more cameras.In the second part, we go a little further in the exploitation of reconstructed volumes of a person at a particular motor task : the treadmill, in a clinical diagnostic. In this section we analyze more specifically the quality of walking. For this we develop the concept of using depth camera for the quantification of the spatial and temporal asymmetry of lower limb movement during walking. After detecting each step in time, this method makes a comparison of surfaces of each leg with its corresponding symmetric leg in the opposite step. The validation performed on a cohort of 20 subjects showed the viability of the approach.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un algorithme générique permettant de résoudre le problème de calcul de pose et le problème de reconstruction avec un modèle perspectif de caméra. Étant donnés une image et un modèle 3D de la scène (ou objet) visible dans l'image, le calcul de pose consiste à calculer la position et l'orientation de la caméra par rapport à la scène. Nous étudions successivement le cas de correspondances 2D 3D de points, et le cas des droites. La méthode proposée améliore de manière itérative la pose calculée avec un modèle affine de caméra (orthographique à l'échelle ou paraperspectif) pour converger, à la limite, vers une estimation de la pose calculée avec un modèle perspectif de caméra. Nous étudions les relations mathématiques et géométriques existant entre les modèles orthographique à l'échelle, paraperspectif et perspectif de caméra. Nous introduisons une façon simple de prendre en compte la contrainte d'orthogonalité associée à une matrice de rotation. Nous analysons la sensibilité de la méthode par rapport aux erreurs d'étalonnage de la caméra et nous définissons les conditions expérimentales optimales par rapport à un étalonnage imprécis. Nous étudions la convergence de la méthode sur la base de considérations numériques et expérimentales et nous testons son efficacité avec des données synthétiques et réelles. Dans un second temps, nous étendons les algorithmes de calcul de pose précédents au problème de la reconstruction euclidienne avec un modèle perspectif de caméra, à partir d'une séquence d'images. La méthode proposée converge en quelques itérations, est efficace du point de vue calculatoire, et ne souffre pas de la nature non linéaire du problème traité. Comparativement à des méthodes telles que la factorisation ou les invariants affines, notre méthode résout le problème de l'ambiguïté de signe d'une façon très simple et fournit des résultats bien plus précis. Nous décrivons la nouvelle méthode en détail, et comparons la complexité de la méthode proposée avec une méthode de minimisation non linéaire. Nous présentons ensuite une seconde approche du problème de reconstruction euclidienne en considérant un modèle affine de caméra non étalonnée montée sur le bras d'un robot. Nous montrons comment utiliser l'information euclidienne fournie par le déplacement du robot afin d'obtenir une reconstruction euclidienne, et expliquons comment obtenir l'étalonnage du modèle affine de caméra ainsi que l'étalonnage caméra-pince. Afin de pouvoir utiliser en pratique ces algorithmes de reconstruction, nous présentons une méthode de poursuite de points caractéristiques sur une séquence monoculaire d'images, puis sur une séquence stéréoscopique. Nous proposons également une méthode pour obtenir une précision sous-pixellique des positions des points dans les images pour un faible coût calculatoire.

Le noyau d'une cellule est hétérogène par sa structure et son activité et beaucoup de ses composants interagissent de façon dynamique. Lors de l'étude de processus cellulaires comme la réponse au stress thermique, des expériences classiques de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), qui sont habituellement limitées à un seul volume d'observation, n'apportent que des résultats partiels à cause des informations spatiales manquantes. Ce mémoire de thèse présente une nouvelle technique de FCS multi-confocale (mFCS) qui permet des mesures FCS simultanées à différents endroits d'une cellule. La technique est basée sur l'emploi d'un modulateur spatial de lumière pour la création de plusieurs volumes d'observations distincts et d'une caméra ''electron-multiplying'' CCD (EMCCD) pour la détection en parallèle. La résolution spatiale ainsi que la sensibilité du système mFCS sont proches de celles d'un système FCS classique et en utilisant un mode d'acquisition particulier une résolution temporelle de $14mu s$ a pu être atteinte. La technique mFCS est appliquée à l'étude de la réponse cellulaire au stress thermique en observant le facteur de transcription heat shock factor 1 (HSF1), qui est un régulateur clé de la réponse au stress thermique. Des mesures mFCS dans des cellules vivantes révèlent des changements dans la dynamique de HSF1 pendant le choc thermique. Ces changements concernent l'affinité ainsi que l'homogénéité spatiale des interactions avec l'ADN. En outre, nous avons également évalué les performances d'une caméra CMOS-SPAD et testé le dispositif en tant que capteur alternatif pour la mFCS en cellules vivantes.

En tant que phénomène divisé entre technique et esthétique, le mouvement de caméra s’avère parfois difficile à analyser. Comme le remarque Vivian Sobchack (1982, 317), le vocabulaire typiquement utilisé pour aborder les mouvements de caméra nous renvoie à leur processus de création et n’est pas suffisant pour rendre compte de l’expérience que nous en avons lors du visionnement d’un film. Le projet de cette thèse est d’aborder les mouvements de caméra du point de vue des rapports qui se tissent entre la caméra, le corps et l’espace, et ce, à la fois au moment de la production d’un film et dans le cadre de l’expérience spectatorielle. Un phénomène particulier guide notre étude, soit ce que nous appelons l’ « image exo- centrique ». Celle-ci propose une organisation unique du triptyque corps-caméra-espace qui se décline en trois mouvements : 1) la caméra est fixée au corps qu’elle filme, 2) elle est portée à une certaine distance du corps (devant ou derrière) et 3) elle est retournée sur le corps qui la porte. Notre étude suit ces trois mouvements en se focalisant sur trois paradigmes : la proximité, l’affranchissement, la réflexion. Pour mener à bien ce projet, cette thèse s’inspire de l’approche phénoménologique en proposant des descriptions des mouvements de caméra qui sont fondées sur l’apparence du phénomène à l’écran, une méthode qui nous permet d’écarter les préconceptions typiquement liées au vocabulaire traditionnel des études cinématographiques. Plus spécifiquement, c’est à la postphénoménologie de Don Ihde et à l’étude phénoménologique du cinéma de Vivian Sobchack que nous faisons appel afin d’interroger l’influence de la machine dans notre expérience du monde, ainsi qu’afin de reconnaître les particularités de l’expérience cinématographique. À travers la figure de l’image exo-centrique, cette thèse propose de nouvelles interprétations des mouvements de caméra en remettant en question les rapports corps-caméra- espace à travers l’histoire des techniques de prise de vues. / As a phenomenon that is as much technical as it is formal, camera movement can pose problems to those wishing to analyze it. As Vivian Sobchack (1982, 317) put it, the vocabulary typically used to describe camera movement refers back to filmmaking techniques and is not sufficient to describe the experience of camera movement as seen on screen. The goal of this dissertation is to approach camera movement from the point of view of the relations between bodies, cameras, and spaces, that is, both at the time of filming and in the context of the film viewing experience. One key example of camera movement guides this project, namely what we call “exo- centric images.” This phenomenon derives from a unique arrangement or the body-camera-space triad that is divided into three steps: 1) the camera is linked to the body which it films, 2) it is carried with, but away from, the body (in front or behind), and 3) it is flipped back onto the body that carries it. Building from these three “movements,” this dissertation focusses on three paradigmatic body-camera-space relations: proximity, emancipation, reflection. To accomplish its goal, this dissertation builds from phenomenology by proposing descriptions of camera movements that are based solely on the appearance of the phenomenon perceived on screen, a method that allows us to be free from the preconceptions tied to the vocabulary typically used in film studies. More specifically, we call upon Don Ihde’s postphenomenology as well as Vivian Sobchack’s film phenomenology as a way to question the intermediary role of a machine in our experience of the world, as well as to recognize the specificities of the film viewing experience. Through the exo-centric image, this dissertation puts forward new ways of interpreting camera movement by interrogating the relations between bodies, cameras and spaces throughout the history of filmmaking techniques.

Le drone orienté grand public est principalement une caméra volante, stabilisée et de bonne qualité. Ceux-ci ont démocratisé la prise de vue aérienne, mais avec leur succès grandissant, la notion de sécurité est devenue prépondérante.Ce travail s'intéresse à l'évitement d'obstacle, tout en conservant un vol fluide pour l'utilisateur.Dans ce contexte technologique, nous utilisons seulement une camera stabilisée, par contrainte de poids et de coût.Pour leur efficacité connue en vision par ordinateur et leur performance avérée dans la résolution de tâches complexes, nous utilisons des réseaux de neurones convolutionnels (CNN). Notre stratégie repose sur un systeme de plusieurs niveaux de complexité dont les premieres étapes sont de mesurer une carte de profondeur depuis la caméra. Cette thèse étudie les capacités d'un CNN à effectuer cette tâche.La carte de profondeur, étant particulièrement liée au flot optique dans le cas d'images stabilisées, nous adaptons un réseau connu pour cette tâche, FlowNet, afin qu'il calcule directement la carte de profondeur à partir de deux images stabilisées. Ce réseau est appelé DepthNet.Cette méthode fonctionne en simulateur avec un entraînement supervisé, mais n'est pas assez robuste pour des vidéos réelles. Nous étudions alors les possibilites d'auto-apprentissage basées sur la reprojection différentiable d'images. Cette technique est particulièrement nouvelle sur les CNNs et nécessite une étude détaillée afin de ne pas dépendre de paramètres heuristiques.Finalement, nous développons un algorithme de fusion de cartes de profondeurs pour utiliser DepthNet sur des vidéos réelles. Plusieurs paires différentes sont données à DepthNet afin d'avoir une grande plage de profondeurs mesurées. / Customer unmanned aerial vehicles (UAVs) are mainly flying cameras. They democratized aerial footage, but with thei success came security concerns.This works aims at improving UAVs security with obstacle avoidance, while keeping a smooth flight. In this context, we use only one stabilized camera, because of weight and cost incentives.For their robustness in computer vision and thei capacity to solve complex tasks, we chose to use convolutional neural networks (CNN). Our strategy is based on incrementally learning tasks with increasing complexity which first steps are to construct a depth map from the stabilized camera. This thesis is focused on studying ability of CNNs to train for this task.In the case of stabilized footage, the depth map is closely linked to optical flow. We thus adapt FlowNet, a CNN known for optical flow, to output directly depth from two stabilized frames. This network is called DepthNet.This experiment succeeded with synthetic footage, but is not robust enough to be used directly on real videos. Consequently, we consider self supervised training with real videos, based on differentiably reproject images. This training method for CNNs being rather novel in literature, a thorough study is needed in order not to depend too moch on heuristics.Finally, we developed a depth fusion algorithm to use DepthNet efficiently on real videos. Multiple frame pairs are fed to DepthNet to get a great depth sensing range.

Dans ce mémoire de maîtrise de type recherche, nous discutons essentiellement de la formation d’image. Dans un premier chapitre, nous décrivons les modèles classiques de formation d'image. Nous commençons par une description de la lumière voyageant dans la scène pour arriver à l'image formée sur le capteur. Ensuite, nous critiquons ces modèles sur le fait que le capteur entraine une perte d’informations sur la structure de la scène. De plus, pour un point donné du plan image, tous les rayons provenant de la scène ne sont pas pris en compte pour la formation d'une image. Nous essayons alors de combler ces défauts en introduisant la notion de champ lumineux dans le deuxième chapitre. Nous décrivons le modèle des champs lumineux d'une scène. Ce dernier permet alors d'estimer le champ lumineux à partir d'une image à l'aide de deux méthodes : la méthode des moindres carrés et une méthode variationnelle. Celles-ci sont présentées dans le troisième chapitre. Enfin, dans un quatrième chapitre, nous abordons un autre aspect de la formation d'image. En effet, nous travaillons sur une nouvelle matrice de filtres couleurs (color filter arrays, CFA) que nous nommons CFA de Burtoni. Dans ce chapitre, nous comparons, selon une mesure d'aliasing et de résolution, ce CFA avec d'autres CFAs existant dans la littérature, sans faire appel au démosaïquage. Afin d'effectuer ces comparaisons, nous introduisons également des classes d'images correspondantes à différents contenus comme les textures, les zoneshomogènes et les lignes.