Cette thèse se situe dans le cadre de la chirurgie de la prothèse totale de la hanche (PTH) assistée par ordinateur. Le but de ce travail est l'obtention d'un modèle 3D du bassin du patient à partir de données incomplètes. <br />Actuellement dans un processus conventionnel, la planification de la PTH se fait avec une radiographie tandis que les systèmes d'assistance chirurgicale de la PTH, utilisent un volume 3D du bassin construit à partir d'images médicales IRM, TDM ou Scanner. Néanmoins la reconstruction du volume 3D s'avère limitée par plusieurs facteurs : (i) le temps d'attente de rendez vous pour l'examen de ce type est trop long, (ii) les appareils sont peu accessibles pour les cliniques, (iii) la difficulté de la segmentation automatique pour l'obtention du volume 3D et (iv) l'impossibilité de l'exposition aux études IRM, Scanner ou TDM pour certains patients. <br />A partir de cette problématique, ce travail de thèse apporte deux contributions principales : <br />– une étude des principales caractéristiques du bassin et du fémur utiles pour la reconstruction d'un modèle 3D, <br />– une méthodologie pour l'obtention d'un volume 3D du bassin à partir d'une radiographie et quelques images échographiques. <br />La méthode proposée est composée de trois étapes : (i) obtention des données radiographiques et échographiques du bassin du patient, (ii) inférence de l'atlas du bassin du patient et (iii) obtention du modèle 3D par la déformation d'un maillage s'adaptant à l'atlas inféré. Dans ce travail un atlas est constitué par un ensemble de points caractéristiques du bassin. Pour résoudre les problèmes liés à la représentation d'un atlas générique, à l'inférence et au traitement de l'information des données radiographiques et échographiques nous avons fait appel aux techniques bayésiennes.

Ce mémoire s'intéresse à la vision par ordinateur appliquée à des projets d'art technologique. Le sujet traité est la calibration de systèmes de caméras et de projecteurs dans des applications de suivi et de reconstruction 3D en arts visuels et en art performatif. Le mémoire s'articule autour de deux collaborations avec les artistes québécois Daniel Danis et Nicolas Reeves. La géométrie projective et les méthodes de calibration classiques telles que la calibration planaire et la calibration par géométrie épipolaire sont présentées pour introduire les techniques utilisées dans ces deux projets. La collaboration avec Nicolas Reeves consiste à calibrer un système caméra-projecteur sur tête robotisée pour projeter des vidéos en temps réel sur des écrans cubiques mobiles. En plus d'appliquer des méthodes de calibration classiques, nous proposons une nouvelle technique de calibration de la pose d'une caméra sur tête robotisée. Cette technique utilise des plans elliptiques générés par l'observation d'un seul point dans le monde pour déterminer la pose de la caméra par rapport au centre de rotation de la tête robotisée. Le projet avec le metteur en scène Daniel Danis aborde les techniques de calibration de systèmes multi-caméras. Pour son projet de théâtre, nous avons développé un algorithme de calibration d'un réseau de caméras wiimotes. Cette technique basée sur la géométrie épipolaire permet de faire de la reconstruction 3D d'une trajectoire dans un grand volume à un coût minime. Les résultats des techniques de calibration développées sont présentés, de même que leur utilisation dans des contextes réels de performance devant public. / This thesis focuses on computer vision applications for technological art projects. Camera and projector calibration is discussed in the context of tracking applications and 3D reconstruction in visual arts and performance art. The thesis is based on two collaborations with québécois artists Daniel Danis and Nicolas Reeves. Projective geometry and classical camera calibration techniques, such as planar calibration and calibration from epipolar geometry, are detailed to introduce the techniques implemented in both artistic projects. The project realized in collaboration with Nicolas Reeves consists of calibrating a pan-tilt camera-projector system in order to adapt videos to be projected in real time on mobile cubic screens. To fulfil the project, we used classical camera calibration techniques combined with our proposed camera pose calibration technique for pan-tilt systems. This technique uses elliptic planes, generated by the observation of a point in the scene while the camera is panning, to compute the camera pose in relation to the rotation centre of the pan-tilt system. The project developed in collaboration with Daniel Danis is based on multi-camera calibration. For this studio theatre project, we developed a multi-camera calibration algorithm to be used with a wiimote network. The technique based on epipolar geometry allows 3D reconstruction of a trajectory in a large environment at a low cost. The results obtained from the camera calibration techniques implemented are presented alongside their application in real public performance contexts.

Cette thèse s’intéresse à trois problèmes fondamentaux de la vision par ordinateur qui sont le suivi vidéo, le calibrage et la reconstruction 3D. Les approches proposées sont strictement basées sur des contraintes photométriques et géométriques présentent dans des images 2D. Le suivi de mouvement se fait généralement dans un flux vidéo et consiste à suivre un objet d’intérêt identifié par l’usager. Nous reprenons une des méthodes les plus robustes à cet effet et l’améliorons de sorte à prendre en charge, en plus de ses translations, les rotations qu’effectue l’objet d’intérêt. Par la suite nous nous attelons au calibrage de caméras; un autre problème fondamental en vision. Il s’agit là, d’estimer des paramètres intrinsèques qui décrivent la projection d’entités 3D dans une image plane. Plus précisément, nous proposons des algorithmes de calibrage plan pour les cam ́eras linéaires (pushbroom) et les vidéo projecteurs lesquels ́etaient, jusque là, calibrés de façon laborieuse. Le troisième volet de cette thèse sera consacré à la reconstruction 3D par ombres projetée. À moins de connaissance à-priori sur le contenu de la scène, cette technique est intrinsèquement ambigüe. Nous proposons une méthode pour réduire cette ambiguïté en exploitant le fait que les spots de lumières sont souvent visibles dans la caméra. / The topic of this thesis revolves around three fundamental problems in computer vision; namely, video tracking, camera calibration and shape recovery. The proposed methods are solely based on photometric and geometric constraints found in the images. Video tracking, usually performed on a video sequence, consists in tracking a region of interest, selected manually by an operator. We extend a successful tracking method by adding the ability to estimate the orientation of the tracked object. Furthermore, we consider another fundamental problem in computer vision: cali- bration. Here we tackle the problem of calibrating linear cameras (a.k.a: pushbroom) and video projectors. For the former one we propose a convenient plane-based cali- bration algorithm and for the latter, a calibration algorithm that does not require a physical grid and a planar auto-calibration algorithm. Finally, we pointed our third research direction toward shape reconstruction using coplanar shadows. This technique is known to suffer from a bas-relief ambiguity if no extra information on the scene or light source is provided. We propose a simple method to reduce this ambiguity from four to a single parameter. We achieve this by taking into account the visibility of the light spots in the camera. / Cette thése a été réalisée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Institut National Polytechnique de Grenoble (France). La recherche a été effectuée au sein des laboratoires de vision 3D (DIRO, UdM) et PERCEPTION-INRIA (Grenoble).

Le but de ce travail est d'analyser des scènes sous-marines naturelles et en particulier cartographier des environnements sous-marins en 3D. Il existe aujourd'hui de nombreuses techniques pour résoudre ce problème. L'originalité de ce travail se trouve dans la fusion de deux cartes obtenues avec des capteurs de différentes résolutions.Dans un premier temps, un engin autonome (ou un bateau) analyse les fonds marins avec un sonar multifaisceaux et crée une première carte globale de la zone. Cette carte est ensuite décomposée en petites cellules représentant une mosaïque du fond marin. Une deuxième analyse est ensuite réalisée sur certaines cellules particulières à l'aide d'un second capteur avec une résolution plus élevée. Cela permettra d'obtenir une carte détaillée 3D de la cellule. Un véhicule autonome sous-marin ou un plongeur muni d'un système de vision stéréoscopique effectuera cette acquisition. Ce projet se décompose en deux parties, la première s'intéressera à la reconstruction 3D de scènes sous-marines en milieu contraint à l'aide d'une paire stéréoscopique. La deuxième partie de l'étude portera sur l'aspect multimodal. Dans notre cas, nous utilisons cette méthode pour obtenir des reconstructions précises d'objets d'intérêts archéologiques (statues, amphores, etc.) détectés sur la carte globale. La première partie du travail concerne la reconstruction3D de la scène sous-marine.Même si aujourd'hui le monde de la vision a permis de mieux appréhender ce type d'image, l'étude de scène sous-marine naturelle pose encore de nombreux problèmes. Nous avons pris en compte les bruits sous-marins lors de la création du modèle 3D vidéo ainsi que lors de la calibration des appareils photos. Une étude de robustesse à ces bruits a été réalisée sur deux méthodes de détections et d'appariements de points d'intérêt. Cela a permis d'obtenir des points caractéristiques précis et robustes pour le modèle 3D. La géométrie épipolaire nous a permis de projeter ces points en 3D. La texture a été ajoutée sur les surfaces obtenues par triangulation de Delaunay. La deuxième partie consiste à fusionner le modèle 3D obtenu précédemment et la carte acoustique. Dans un premier temps, afin d'aligner les deux modèles 3D (le modèle vidéo et le modèle acoustique), nous appliquons un recalage approximatif en sélectionnant manuellement quelques paires de points équivalents sur les deux nuages de points. Pour augmenter la précision de ce dernier, nous utilisons un algorithme ICP (Iterative Closest Points). Dans ce travail nous avons créé une carte 3D sous-marine multimodale réalisée à l'aide de modèles 3D " vidéo " et d'une carte acoustique globale.

Ce mémoire s'inscrit dans le domaine de la vision par ordinateur. Elle s'intéresse à la calibration de systèmes de caméras stéréoscopiques, à la mise en correspondance caméra-projecteur, à la reconstruction 3D, à l'alignement photométrique de projecteurs, au maillage de nuages de points, ainsi qu'au paramétrage de surfaces. Réalisé dans le cadre du projet LightTwist du laboratoire Vision3D, elle vise à permettre la projection sur grandes surfaces arbitraires à l'aide de plusieurs projecteurs. Ce genre de projection est souvent utilisé en arts technologiques, en théâtre et en projection architecturale. Dans ce mémoire, on procède au calibrage des caméras, suivi d'une reconstruction 3D par morceaux basée sur une méthode active de mise en correspondance, la lumière non structurée. Après un alignement et un maillage automatisés, on dispose d'un modèle 3D complet de la surface de projection. Ce mémoire introduit ensuite une nouvelle approche pour le paramétrage de modèles 3D basée sur le calcul efficace de distances géodésiques sur des maillages. L'usager n'a qu'à délimiter manuellement le contour de la zone de projection sur le modèle. Le paramétrage final est calculé en utilisant les distances obtenues pour chaque point du modèle. Jusqu'à maintenant, les méthodes existante ne permettaient pas de paramétrer des modèles ayant plus d'un million de points. / This thesis falls within the field of computer vision. It focuses on stereoscopic camera calibration, camera-projector matching, 3D reconstruction, projector blending, point cloud meshing, and surface parameterization. Conducted as part of the LightTwist project at the Vision3D laboratory, the work presented in this thesis aims to facilitate video projections on large surfaces of arbitrary shape using more than one projector. This type of projection is often seen in theater, digital arts, and architectural projections. To this end, we begin with the calibration of the cameras, followed by a piecewise 3D reconstruction using an active unstructured light scanning method. An automated alignment and meshing of the partial reconstructions yields a complete 3D model of the projection surface. This thesis then introduces a new approach for the parameterization of 3D models based on an efficient computation of geodesic distances across triangular meshes. The only input required from the user is the manual selection of the boudaries of the projection area on the model. The final parameterization is computed using the geodesic distances obtained for each of the model's vertices. Until now, existing methods did not permit the parameterization of models having a million vertices or more.

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L’acétylcholine (ACh) endogène de la corne dorsale de la moelle épinière (CDME) exerce une analgésie puissante utilisée en clinique, dont la source et les mécanismes demeurent inconnus. Elle siège probablement au niveau d’un plexus de fibres cholinergiques de la CDME d’origine non-élucidée. Dans ce contexte, nous avons pu établir que ce plexus est principalement issu d’interneurones cholinergiques spinaux caractérisés dans ces travaux, qui seraient donc le substrat probable de l’analgésie décrite. Décrits comme concourant aux effets aigus et analgésiques de la morphine, nous avons, par ailleurs, pu observer que les récepteurs de l’ACh participaient également aux effets chroniques et pro-algésique de la morphine, notamment au niveau de la CDME. Ceci place donc l’ACh comme un effecteur ou intermédiaire de la morphine.Nos travaux suggèrent ainsi que le système cholinergique spinal pourrait constituer une cible thérapeutique alternative pour de nouveaux traitements de la douleur / In the spinal cord dorsal horn (SCDH), endogenous acetylcholine (ACh) acts as a powerful analgesia, of clinical use. Though its source and mechanisms remain unravelled, this analgesia probably lies in a plexus of cholinergic fibers (PCF) located in the SCDH and of undetermined origin. In this context, we established that the PCF mainly originates from a spinal population of cholinergic interneurons, fully characterized in this work. These are, thus, the likely substrate of the spinal cholinergic analgesia.Besides, ACh receptors (AChR) partly mediate the analgesic acute effects of morphine. In this work, we also observed that a chronically-administered AChR agonist reproduces as well the pro-algesic effects of morphine in the same conditions. Thus, ACh appears as a possible intermediary or a final effecter of the morphine pain pathways.Our data suggest that the cholinergic system could become a new putative therapeutic target in pain management and treatment.

Les systèmes multicaméras utilisés pour la vidéosurveillance sont complexes, lourds et coûteux. Pour la surveillance d'une pièce, serait-il possible de les remplacer par un système beaucoup plus simple utilisant une seule caméra et une ou plusieurs sources lumineuses en misant sur les ombres projetées pour obtenir de l'information 3D ? Malgré les résultats intéressants offerts par les systèmes multicaméras, la quantité d'information à traiter et leur complexité limitent grandement leur usage. Dans le même contexte, nous proposons de simplifier ces systèmes en remplaçant une caméra par une source lumineuse. En effet, une source lumineuse peut être vue comme une caméra qui génère une image d'ombre révélant l'objet qui bloque la lumière. Notre système sera composé par une seule caméra et une ou plusieurs sources lumineuses infrarouges (invisibles à l'oeil). Malgré les difficultés prévues quant à l'extraction de l'ombre et la déformation et l'occultation de l'ombre par des obstacles (murs, meubles...), les gains sont multiples en utilisant notre système. En effet, on peut éviter ainsi les problèmes de synchronisation et de calibrage de caméras et réduire le coût en remplaçant des caméras par de simples sources infrarouges. Nous proposons deux approches différentes pour automatiser la reconnaissance de postures humaines. La première approche reconstruit la forme 3D d'une personne pour faire la reconnaissance de la posture en utilisant des descripteurs de forme. La deuxième approche combine directement l'information 2D (ombre+silhouette) pour faire la reconnaissance de postures. Scientifiquement, nous cherchons à prouver que l'information offerte par une silhouette et l'ombre générée par une source lumineuse est suffisante pour permettre la reconnaissance de postures humaines élémentaires (p.ex. debout, assise, couchée, penchée, etc.). Le système proposé peut être utilisé pour la vidéosurveillance d'endroits non encombrés tels qu'un corridor dans une résidence de personnes âgées (pour la détection des chutes p. ex.) ou d'une compagnie (pour la sécurité). Son faible coût permettrait un plus grand usage de la vidéosurveillance au bénéfice de la société. Au niveau scientifique, la démonstration théorique et pratique d'un tel système est originale et offre un grand potentiel pour la vidéosurveillance. / Human posture recognition (HPR) from video sequences is one of the major active research areas of computer vision. It is one step of the global process of human activity recognition (HAR) for behaviors analysis. Many HPR application systems have been developed including video surveillance, human-machine interaction, and the video retrieval. Generally, applications related to HPR can be achieved using mainly two approaches : single camera or multi-cameras. Despite the interesting performance achieved by multi-camera systems, their complexity and the huge information to be processed greatly limit their widespread use for HPR. The main goal of this thesis is to simplify the multi-camera system by replacing a camera by a light source. In fact, a light source can be seen as a virtual camera, which generates a cast shadow image representing the silhouette of the person that blocks the light. Our system will consist of a single camera and one or more infrared light sources. Despite some technical difficulties in cast shadow segmentation and cast shadow deformation because of walls and furniture, different advantages can be achieved by using our system. Indeed, we can avoid the synchronization and calibration problems of multiple cameras, reducing the cost of the system and the amount of processed data by replacing a camera by one light source. We introduce two different approaches in order to automatically recognize human postures. The first approach directly combines the person’s silhouette and cast shadow information, and uses 2D silhouette descriptor in order to extract discriminative features useful for HPR. The second approach is inspired from the shape from silhouette technique to reconstruct the visual hull of the posture using a set of cast shadow silhouettes, and extract informative features through 3D shape descriptor. Using these approaches, our goal is to prove the utility of the combination of person’s silhouette and cast shadow information for recognizing elementary human postures (stand, bend, crouch, fall,...) The proposed system can be used for video surveillance of uncluttered areas such as a corridor in a senior’s residence (for example, for the detection of falls) or in a company (for security). Its low cost may allow greater use of video surveillance for the benefit of society.

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La modélisation automatique de villes à partir d’images satellites est l'un des principaux défis en lien avec la reconstruction urbaine. Son objectif est de représenter des villes en 3D de manière suffisamment compacte et précise. Elle trouve son application dans divers domaines, qui vont de la planification urbaine aux télécommunications, en passant par la gestion des catastrophes. L'imagerie satellite offre plusieurs avantages sur l'imagerie aérienne classique, tels qu'un faible coût d'acquisition, une couverture mondiale et une bonne fréquence de passage au-dessus des sites visités. Elle impose toutefois un certain nombre de contraintes techniques. Les méthodes existantes ne permettent que la synthèse de DSM (Digital Surface Models), dont la précision est parfois inégale. Cette dissertation décrit une méthode entièrement automatique pour la production de modèles 3D compacts, précis et répondant à une sémantique particulière, à partir de deux images satellites en stéréo. Cette méthode repose sur deux grands concepts. D'une part, la description géométrique des objets et leur assimilation à des catégories génériques sont effectuées simultanément, conférant ainsi une certaine robustesse face aux occlusions partielles ainsi qu'à la faible qualité des images. D'autre part, la méthode opère à une échelle géométrique très basse, ce qui permet la préservation de la forme des objets, avec finalement, une plus grande efficacité et un meilleur passage à l'échelle. Pour générer des régions élémentaires, un algorithme de partitionnement de l'image en polygones convexes est présenté. / Automatic city modeling from satellite imagery is one of the biggest challenges in urban reconstruction. The ultimate goal is to produce compact and accurate 3D city models that benefit many application fields such as urban planning, telecommunications and disaster management. Compared with aerial acquisition, satellite imagery provides appealing advantages such as low acquisition cost, worldwide coverage and high collection frequency. However, satellite context also imposes a set of technical constraints as a lower pixel resolution and a wider that challenge 3D city reconstruction. In this PhD thesis, we present a set of methodological tools for generating compact, semantically-aware and geometrically accurate 3D city models from stereo pairs of satellite images. The proposed pipeline relies on two key ingredients. First, geometry and semantics are retrieved simultaneously providing robust handling of occlusion areas and low image quality. Second, it operates at the scale of geometric atomic regions which allows the shape of urban objects to be well preserved, with a gain in scalability and efficiency. Images are first decomposed into convex polygons that capture geometric details via Voronoi diagram. Semantic classes, elevations, and 3D geometric shapes are then retrieved in a joint classification and reconstruction process operating on polygons. Experimental results on various cities around the world show the robustness, scalability and efficiency of the proposed approach.