L'analyse du mouvement en 3 dimensions (3D) des fluides turbulents à évoluée vers un cadre nécessitant (i). un système de capteurs puissants (ii). le développement d'outils d'estimation de basse complexité (iii). des connaissances a priori issues de la physique du fluide. Des nouvelles techniques formulées dans ce contexte et s'appuyant sur le traitement d'images ont été proposées. Leur méthodologie repose sur la conjugaison du savoir propre à la communauté Vision par Ordinateur avec des modèles physiques de la dynamiques du fluide. Mais voilà, la plupart de ces procédures sont exprimées dans un cadre bidimensionnel (2D), dans le sens où elles reconstruisent un champ 2D à partir des deux images consécutives 2D ; dès lors, ces-dernières ne sont pas adaptées pour certains régimes du fluide. Récemment, des nouvelles contributions ont proposé l'estimation du champ 3D des fluides à partir des densités volumiques préalablement reconstruites. De plus, une amélioration de ces schémas classiques suggère un apport signifiant en netteté de la reconstruction dans un cadre joint d'estimation volume-mouvement. Motivés par ces développements, nous proposons dans cette étude une alternative au schéma joint déjà présent dans la littérature afin d'estimer la vitesse 3D des fluides à partir de plusieurs séquences synchronisées d'images 2D. Le cadre théorique de cette thèse a été présenté en connexion avec les communautés de la Vision par Ordinateur, du Traitement du Signal et de la Tomographie PIV. Notre travail peut être divisé en trois tâches majeures : (i). la formulation d'un modèle proche de la physique du système observé (ii). la conception des algorithmes de reconstruction volumique de basse complexité qui prennent en compte des particularités notables sur le système (iii). l'élaboration d'un schéma de reconstruction des champs de vitesse qui considère des scénarios bruités et la structure cohérente volumique entre deux instants. Nous évaluons les performances de nos méthodes sur des scènes réalistes représentant le signal de Tomographie PIV.