Ce travail de thèse présente un nouveau modèle de projection pour les cameras fisheye, qui est mathématiquement simple et pourtant montre une haute précision une fois appliqué aux caméras réelles. Les propriétés géométriques de ce modèle ont été analysées en utilisant le concept de surface de projection, introduit dans ce travail. En particulier, une inverse analytique de ce modèle a été établie, ainsi qu'une équation implicite des projections de lignes droites. Cette dernière nous a permis de développer une méthode de reconstruction 3D directe basée vision pour les caméras fisheye sans rectifier les images. Cela a été fait grâce à une algorithme de rastérisation de courbes implicites. Cet algorithme de reconstruction nous permet d'employer le Semi-Global Matching pour obtenir une reconstruction 3D précise. Tous ces éléments ont été employés dans un système de localisation visuelle directe avec deux méthodes de recalage d'images : minimisation d'erreur photométrique et maximisation d'information mutuelle. L'étalonnage intrinsèque et extrinsèque d'un robot mobile équipé de caméras fisheye a été considéré et une toolbox d'étalonnage a été développée.