Etude de caméras sphériques : du traitement des images aux applications en robotique
Résumé
La vision omnidirectionnelle permet de percevoir l'environnement sur 360◦. C'est un atout considérable pour un robot mobile puisque grâce à cette particularité, il peut tirer parti d'une information globale de la scène à tout moment. Les premières recherches allant dans ce sens remontent en 1990 avec les travaux de Yasushi Yagi qui a proposé d'utiliser un dispositif nommé COPIS en associant une caméra perspective et un miroir conique pour obtenir une vue panoramique de la scène. En 1995, Mouaddib et Pégard présentent un procédé similaire pour localiser un robot dans son environnement. Bien que ce système possède des avantages pour la localisation, il se révèle peu adéquat pour reconstruire l'environnement 3D. D'autres systèmes catadioptriques (caméra+miroir) ont par la suite été employés. En 1997, Nayar en a fait une analyse théorique et a démontré que pour obtenir une vision omnidirectionnelle à l'aide d'une caméra et un miroir, il n'existait que deux configurations possibles. L'une consiste à associer une caméra orthographique avec un miroir paraboloïde (caméra paracatadioptrique), l'autre associe une caméra perspective avec un miroir hyperboloïde dont l'un des foyers correspond au centre optique de la caméra. Ces deux types de capteurs ont connu de nombreux développements puisque la propriété d'un point de vue unique leur confère une géométrie projective semblable aux caméras perspectives classiques. Pour ces caméras, les méthodes d'estimation du déplacement développées pour les caméras perspectives deviennent dès lors applicables dès que nous travaillons sur les plans projectifs dont le centre de projection est confondu avec le foyer du miroir. C'est à cette période que l'on voit apparaitre les premières méthodes de reconstruction 3D d'environnement à partir de caméra catadioptrique centrale. En 2001, Geyer et Daniilidis ainsi que Barreto et ont démontré que les caméras à projection centrale (perspective, catadioptrique à point de vue unique) étaient en fait équivalentes à une image sphérique dans laquelle la projection s'effectuait en son centre. Cette propriété importante a permis de développer les premières méthodes de traitement des images adaptées aux images catadioptriques. Plus récemment, Ying et Hu ainsi que Courbon et al. ont démontré que l'on pouvait également représenter certaines caméras fish-eye par des images sphériques. Ainsi, la sphère nous fournit un cadre générique pour l'étude de plusieurs types de caméras telles que les caméras perspectives, catadioptriques à point de vue unique, fish-eyes, LadyBug. Ce manuscrit a pour objectif de montrer que la modélisation sphérique offre un outil performant pour ces caméras. Il synthétise une grande partie de mes travaux menés depuis mon recrutement en tant que Maître de Conférences en septembre 2005.
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