Vision catadioptrique pour favoriser la perception d'environnements hétérogènes

Cette thèse présente les méthodes de conception de deux caméras catadioptriques capables de capturer des images exploitables d'environnements hétérogènes. Ces caméras s'inscrivent dans le domaine de la vision adaptative, qui rassemble les caméras dont la partie optique ou le capteur ont des propriétés hétérogènes qui peuvent varier au cours du temps. Les caméras adaptatives sont capables, entre autres, de capturer des environnements hétérogènes dont les propriétés physiques ou la géométrie varient dans l'espace. La thèse propose une revue de l'état de l'art des caméras adaptatives qui permettent de capturer certains types d'environnements hétérogènes. Dans un premier temps, on considère les scènes caractérisées par une variation spatiale de luminances, d'une gamme dynamique de l'ordre de 120 décibels. Ces scènes mettent en difficulté les caméras conventionnelles, dont les images ont des pixels d'intensité saturée et d'autres trop sombres, à cause de leur dynamique plus faible. Dans les deux cas, ces zones d'image n'apportent pas d'informations visuelles sur la scène, elles ne sont pas exploitables. Afin de capturer les luminances associées à ces zones claires et sombres, les caméras à large gamme dynamique (HDR) sont employées. Néanmoins, à l'heure actuelle, aucune caméra HDR n'est panoramique. C'est l'objet de la première contribution de cette thèse : concevoir une caméra panoramique HDR, afin d'améliorer la navigation de robots en extérieur par la perception visuelle seule dans des environnements à luminances variées. Montée sur un robot mobile, elle accroît le domaine de convergence et la précision en positionnement du robot en extérieur par asservissement visuel direct. Dans un second temps, on s'intéresse aux scènes dont le niveau de détail est non-uniforme dans l'espace : certains éléments de la scène présentent sont plus riches en informations visuelles que les autres. Afin de capturer de tels environnements hétérogènes, la deuxième contribution de cette thèse est une caméra adaptative. Elle s'appuie sur un nouveau miroir déformable dont les courbures locales permettent d'accroître ou de réduire le nombre de pixels qu'occupent les régions de la scène dans l'image. Cette caméra, surnommée Visadapt, capture des images multi-résolution selon le contenu de la scène. D'une scène à l'autre, il est possible de changer la forme du miroir afin d'optimiser la résolution des images qu'elle capture à cette nouvelle scène. La surface du miroir est constituée d'un matériau à la fois réfléchissant et déformable, le mylar et se déforme par une grille d'actionneurs linéaires placés sous sa surface. Ce miroir, plan à l’état initial, peut se déformer afin que les régions de la scène soient capturées par Visadapt à la résolution désirée. Une étude en simulation a permis de fixer les caractéristiques de Visadapt, notamment les dimensions et les matériaux des différents éléments qui la constituent, ainsi que l'espacement inter-actionneurs. Un prototype a été réalisé à partir des paramètres fixés en simulation. Les expérimentations réalisées ont montré que ce prototype est capable de magnifier jusqu'à quatre zones de la scène à la fois. Cette thèse se conclut sur des perspectives de travail qui proposent d'améliorer les prototypes des deux caméras conçues afin d'améliorer leurs performances et la variété des images qu'elles peuvent capturer. De plus, elle propose des pistes de recherche afin d'aller plus loin sur ces deux concepts de caméras et même sur la vision adaptative en général