Applications de la vision omnidirectionnelle à la perception de scènes pour des systèmes mobiles

Ce mémoire présente une synthèse des travaux que j’ai menés à l’ESIGELEC au sein de son institut de recherche l’IRSEEM. Mes activités de recherche ont porté dans un premier temps sur la conception et l’évaluation de dispositifs de mesure de la dynamique de la marche de personnes atteintes de pathologies de la hanche, dans le cadre de ma thèse effectuée à l’université de Rouen en lien le Centre Hospitalo-Universitaire de Rouen. En 2003, j’ai rejoint les équipes de recherche qui se constituaient avec la mise sur pieds de l’IRSEEM, Institut de Recherche en Systèmes Electroniques Embarqués, créé en 2001. Dans ce laboratoire, j’ai structuré et développé une activité de recherche dans le domaine de la vision par ordinateur appliquée au véhicule intelligent et à la robotique mobile autonome. Dans un premier temps, j’ai concentré mes travaux à l’étude de systèmes de vision omnidirectionnelle tels que les capteurs catadioptriques centraux et leur utilisation pour des applications mobiles embarquées ou débarquées : modélisation et calibrage, reconstruction tridimensionnelle de scènes par stéréovision et déplacement du capteur. Dans un second temps, je me suis intéressé à la conception et la mise en œuvre de systèmes de vision à projection non centrale (capteurs catadioptriques à miroirs composés, caméra plénoptique). Ces travaux ont été effectués au travers en collaboration avec le MIS de l‘Université Picardie Jules Verne et l’ISIR de l’Université Pierre et Marie Curie. Enfin, dans le cadre d’un programme de recherche en collaboration avec l’Université du Kent, j’ai consacré une partie de mes travaux à l’adaptation de méthodes de traitement d’images et de classification pour la détection de visages sur images omnidirectionnelles (adaptation du détecteur de Viola et Jones) et à la reconnaissance biométrique d’une personne par analyse de sa marche. Aujourd’hui, mon activité s’inscrit dans le prolongement du renforcement des projets de l’IRSEEM dans le domaine de la robotique mobile et du véhicule autonome : mise en place d’un plateau de mesures pour la navigation autonome, coordination de projets de recherche en prise avec les besoins industriels. Mes perspectives de recherche ont pour objet l’étude de nouvelles solutions pour la perception du mouvement et la localisation en environnement extérieur et sur les méthodes et moyens nécessaires pour objectiver la performance et la robustesse de ces solutions sur des scénarios réalistes

Conception de systèmes tomographiques à imageurs multiples pour la dosimétrie à scintillation volumétrique

Cette thèse se cadre dans le développement de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. Étant donné la complexité des distributions de dose de radiation qu’impliquent les techniques modernes de traitement en radiothérapie externe, il est nécessaire d’avoir des outils cliniques offrant une mesure complète d’une distribution tridimensionnelle (3D) de dose administrée par un accélérateur linéaire médical. Des solutions prometteuses, ayant une capacité de mesure intéressante autant spatialement que temporellement, résident dans la dosimétrie à scintillation volumétrique. Dans le but de faciliter le développement de prototypes expérimentaux, cette thèse met de l’avant un processus de conception généralisé qui exploite les fonctionnalités de tracé réel de rayons d’un logiciel de conception optique. L’approche proposée permet une modélisation optique complète de systèmes tomographiques employant multiples caméras — de type standard ou plénoptique — pour imager la lumière fluorescente émise d’un volume scintillant sous l’effet de la radiation. La thèse fournit le bagage à la fois contextuel et théorique de la physique médicale et de l’ingénierie optique nécessaire à la compréhension et l’appréciation des travaux présentés, tout en cadrant la motivation de ceux-ci dans une réalité clinique, soit celle de la radiothérapie externe. Les contributions principales de la thèse se divisent en trois portions. D’abord, des travaux de simulation valident le processus généralisé de modélisation optique de systèmes à imageurs multiples et le calcul de leur modèle tomographique au moyen d’un logiciel de conception optique. Ensuite, à partir du processus de simulation de prototypes virtuels, une étude de faisabilité démontre la mise en application d’un prototype expérimental employant de multiples caméras plénoptiques pour des mesures volumétriques en dosimétrie à scintillation. Enfin, une analyse comparative entre l’emploi des caméras standards versus plénoptiques dans le contexte de tomographie à émission est présentée, puis des pistes à explorer sont discutées afin de mieux élucider la question de leur apport tomographique respectif. En somme, le processus de conception généralisé mis de l’avant dans cette thèse découple et simplifie les étapes de développement expérimental, offrant une flexibilité accrue de design de futurs outils cliniques pour la dosimétrie 3D. Ce travail ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique.This thesis simplifies and generalizes the developmental workflow of volumetric scintillation dosimetry systems. Due to the high complexity of radiation dose distributions delivered to patients by means of modern radiotherapy treatment techniques, it is essential to have clinical tools capable of measuring the full three-dimensional (3D) dose distributions delivered by medical linear accelerators. Imaging-based volumetric scintillation dosimetry offers promising solutions with potential for both high spatial and temporal resolution. To ease the development of experimental prototypes, this thesis puts forth a generalized design workflow based on the real ray tracing capabilities of optical design software. The proposed method allows for a complete and precise optical modeling of tomographic systems composed of multiple cameras, either standard or plenoptic, used to image the fluorescent light emission induced by radiation in translucent scintillator volumes. This thesis provides the reader with both the contextual and theoretical background in medical physics and optical engineering to understand fully and to appreciate the work carried out in the context of external beam radiation therapy. The main contributions of the thesis are three-fold. First, a simulative study serves to validate the generalized workflow for optical and tomographic modeling of multiple imager-based scintillation dosimetry systems using optical design software. Subsequently, a feasibility study demonstrates the simulation-to-experimental implementation of a tomographic-based prototype using multiple plenoptic camera images of a plastic scintillator volume for volumetric dose measurements. Finally, a comparative analysis between the use of sandard versus plenoptic cameras in the context of emission computed tomography is carried out, leading to the discussion of potential future work needed to better define and quantify the tomographic contribution of each respective type of imaging system. Concretely, the generalized design workflow based on the innovative use of optical design software elaborated within the pages of this thesis both simplifies and decouples the phases of prototype development, offering increased flexibility in designing future clinical tools for 3D dosimetry. This work thus paves the way for developing next-generation measurement systems in volumetric scintillation dosimetry and other tomography-based imaging applications

Conception et développement de composants logiciels et matériels pour un dispositif ophtalmique

Les recherches menées au cours de cette thèse de Doctorat s'inscrivent dans les activités du laboratoire commun OPERA (OPtique EmbaRquée Active) impliquant ESSILOR-LUXOTTICA et le CNRS. L'objectif est de contribuer au développement des "lunettes du futur" intégrant des fonctions d'obscurcissement, de focalisation ou d'affichage qui s'adaptent en permanence à la scène et au regard de l'utilisateur. Ces nouveaux dispositifs devront être dotés de capacités de perception, de décision et d'action, et devront respecter des contraintes d'encombrement, de poids, de consommation énergétique et de temps de traitement. Ils présentent par conséquent des connexions évidentes avec la robotique. Dans ce contexte, les recherches ont consisté à investiguer la structure et la construction de tels systèmes afin d'identifier leurs enjeux et difficultés. Pour ce faire, la première tâche a été de mettre en place des émulateurs de divers types de lunettes actives, qui permettent de prototyper et d'évaluer efficacement diverses fonctions. Dans cette phase de prototypage et de test, ces émulateurs s'appuient naturellement sur une architecture logicielle modulaire typique de la robotique. La seconde partie de la thèse s'est focalisée sur le prototypage d'un composant clé des lunettes du futur, qui implique une contrainte supplémentaire de basse consommation : le système de suivi du regard, aussi appelé oculomètre. Le principe d'un assemblage de photodiodes et d'un traitement par réseau de neurones a été proposé. Un simulateur a été mis au point, ainsi qu'une étude de l'influence de l'agencement des photodiodes et de l'hyper-paramétrisation du réseau sur les performances de l'oculomètre.The research carried out during this doctoral thesis takes place within the OPERA joint laboratory (OPtique EmbaRquée Active) involving ESSILOR-LUXOTTICA and the CNRS. The aim is to contribute to the development of "glasses of the future", which feature obscuration, focus or display capabilities that continuously adapt to the scene and the user gaze. These new devices will be endowed with perception, decision and action capabilities, and will have to respect constraints of space, weight, energy consumption and processing time. They therefore show obvious connections with robotics. In this context, the structure and building of such systems has been investigated in order to identify their issues and difficulties. To that end, the first task was to set up emulators of various types of active glasses, which enable the prototyping and effective testing of various functions. In this prototyping and testing phase, these emulators naturally rely on a modular software architecture typical of robotics. The second part of the thesis focused on the prototyping of a key component which implies an additional constraint on low consumption, namely the eye tracking system, also known as gaze tracker. The principle of a photodiode assembly and of a neural network processing has been proposed. A simulator has been developed, as well as a study of the influence of the arrangement of photodiodes and the hyper-parametrization of the network on the performance of the oculometer