Cette thèse présente un système de retour articulatoire visuel, dans lequel les articulateurs visibles et non visibles d'une tête parlante sont contrôlés par inversion à partir de la voix d'un locuteur. Notre approche de ce problème d'inversion est basée sur des modèles statistiques élaborés à partir de données acoustiques et articulatoires enregistrées sur un locuteur français à l'aide d'un articulographe électromagnétique. Un premier système combine des techniques de reconnaissance acoustique de la parole et de synthèse articulatoire basées sur des modèles de Markov cachés (HMMs). Un deuxième système utilise des modèles de mélanges gaussiens (GMMs) pour estimer directement les trajectoires articulatoires à partir du signal acoustique. Pour généraliser le système mono-locuteur à un système multi-locuteur, nous avons implémenté une méthode d'adaptation du locuteur basée sur la maximisation de la vraisemblance par régression linéaire (MLLR) que nous avons évaluée à l'aide un système de reconnaissance articulatoire de référence. Enfin, nous présentons un démonstrateur de retour articulatoire visuel.

La détection d'homologues lointains est essentielle pour le classement fonctionnel et structural des séquences protéiques et pour l'amélioration de l'annotation des génomes très divergents. Pour le classement des séquences, nous présentons la méthode "ILP-SVM homology", combinant la programmation logique inductive (PLI) et les modèles propositionnels. Elle propose une nouvelle représentation logique des propriétés physico-chimiques des résidus et des positions conservées au sein de l'alignement de séquences. Ainsi, PLI trouve les règles les plus fréquentes et les utilise pour la phase d'apprentissage utilisant des modèles d'arbre de décision ou de machine à vecteurs de support. La méthode présente au moins les mêmes performances que les autres méthodes trouvées dans la littérature. Puis, nous proposons la méthode CASH pour annoter les génomes très divergents. CASH a été appliqué à Plasmodium falciparum, mais reste applicable à toutes les espèces. CASH utilise aussi bien l'information issue de génomes proches ou éloignés de P. falciparum. Chaque domaine connu est ainsi représenté par un ensemble de modèles évolutifs, et les sorties sont combinées par un méta-classificateur qui assigne un score de confiance à chaque prédiction. Basé sur ce score et sur des propriétés de co-ocurrences de domaines, CASH trouve l'architecture la plus probable de chaque séquence en appliquant une approche d'optimisation multi-objectif. CASH est capable d'annoter 70% des domaines protéiques de P. falciparum, contre une moyenne de 58% pour ses concurrents. De nouveaux domaines protéiques ont pu être caractérisés au sein de protéines de fonction inconnue ou déjà annotées.

Les travaux présentés sont dédiés à la possibilité de faire de l'inférence statistique à partir de données séquentielles. Le problème est le suivant. Étant donnée une suite d'observations x_1,...,x_n,..., on cherche à faire de l'inférence sur le processus aléatoire ayant produit la suite. Plusieurs problèmes, qui d'ailleurs ont des applications multiples dans différents domaines des mathématiques et de l'informatique, peuvent être formulés ainsi. Par exemple, on peut vouloir prédire la probabilité d'apparition de l'observation suivante, x_{n+1} (le problème de prédiction séquentielle); ou répondre à la question de savoir si le processus aléatoire qui produit la suite appartient à un certain ensemble H_0 versus appartient à un ensemble différent H_1 (test d'hypothèse) ; ou encore, effectuer une action avec le but de maximiser une certain fonction d'utilité. Dans chacun de ces problèmes, pour rendre l'inférence possible il faut d'abord faire certaines hypothèses sur le processus aléatoire qui produit les données. La question centrale adressée dans les travaux présentés est la suivante : sous quelles hypothèses l'inférence est-elle possible ? Cette question est posée et analysée pour des problèmes d'inférence différents, parmi lesquels se trouvent la prédiction séquentielle, les tests d'hypothèse, la classification et l'apprentissage par renforcement.

De nombreux domaines issus de l'industrie et des sciences appliquées ont été, au cours des dernières années, les témoins d'une révolution numérique. Cette tendance s'est accompagnée d'une croissance continue du volume des données--vidéos, musiques et images, dont le traitement est devenu un véritable défi technique. Par exemple, il est aujourd'hui fréquent de prendre des centaines de photographies de plusieurs millions de pixels, la moindre application de méthodes du traitement de l'image devenant alors une opération difficile. Dans ce contexte, la parcimonie est apparue comme un concept central en apprentissage statistique et traitement du signal. Il est en effet naturel de représenter, analyser et exploiter les données disponibles à travers un nombre réduit de paramètres. Par exemple, on peut imaginer effectuer de la reconnaissance d'objets sur des images de hautes résolutions en n'utilisant qu'un petit sous-ensemble pertinent de pixels. Alors que les approches générales favorisant la parcimonie ont déjà été l'objet de nombreux travaux--débouchant sur d'élégantes fondations théoriques, des outils algorithmiques efficaces et plusieurs succès pratiques--cette thèse se concentre sur une forme particulière et plus récente de parcimonie, nommée parcimonie structurée. Comme son nom l'indique, nous considérerons des situations où nous ne serons pas simplement intéréssés par la parcimonie, mais où nous aurons également à disposition des connaissances a priori nous renseignant sur certaines propriétés structurelles. En continuant d'exploiter l'exemple de la reconnaissance d'objets mentioné ci-dessus, nous savons que des pixels voisins sur une image ont tendance à partager des propriétés similaires, telles que la classe de l'objet à laquelle ils appartiennent. Ainsi, une approche encourageant la parcimonie devrait tirer partie de cette information spatiale. L'objectif de cette thèse est de comprendre et analyser le concept de parcimonie structurée, en se basant sur des considérations statistiques, algorithmiques et appliquées. Nous commencerons par introduire une famille de normes structurées parcimonieuses dont les propriétés sont étudiées en détail. En particulier, nous montrerons à quel type d'information structurelle ces normes correspondent, et nous présenterons sous quelles conditions statistiques elles sont capables de produire une séléction consistente de variables. Nous étudierons ensuite l'apprentissage de dictionnaires parcimonieux et structurés, où nous exploiterons les normes introduites précédemment dans un cadre de factorisation de matrices. L'approche qui en résulte est fléxible et versatile, et nous montrerons que les éléments de dictionnaire appris exhibent une structure parcimonieuse adaptée à la classe de signaux considérée. Concernant l'optimisation, nous proposerons différents outils algorithmiques efficaces et capables de passer à l'échelle, tels que des stratégies à ensemble de variables actives ou encore des méthodes proximales. Grâce à ces outils algorithmiques, nous illustrerons sur de nombreuses applications issues de domaines variés, quand et pourquoi la parcimonie structurée peut être bénéfique. Ces illustrations contiennent par exemple, des tâches de restauration en traitement de l'image, la modélisation de documents textuels sous la forme d'une hiérarchie de thèmes, la prédiction de la taille d'objets à partir de signaux d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou encore des problèmes de segmentation d'images en vision par ordinateur.

Cette thèse s'intéresse aux mécanismes permettant de faciliter l'acquisition autonome de comportements chez les êtres vivants et propose d'utiliser ces mécanismes dans le cadre de tâches robotiques. Des réseaux de neurones artificiels sont utilisés pour modéliser certaines structures cérébrales, à la fois afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces structures dans le cerveau des mammifères et pour obtenir des algorithmes robustes et adaptatifs de contrôle en robotique. Les travaux présentés se basent sur un modèle de l'hippocampe permettant d'apprendre des relations temporelles entre des événements perceptifs. Les neurones qui forment le substrat de cet apprentissage, appelés cellules de transition, permettent de faire des prédictions sur les événements futurs que le robot pourrait rencontrer. Ces transitions servent de support à la con- struction d'une carte cognitive, située dans le cortex préfrontal et/ou pariétal. Cette carte peut être apprise lors de l'exploration d'un environnement inconnu par un robot mobile et ensuite utilisée pour planifier des chemins lui permettant de rejoindre un ou plusieurs buts. Outre leur utilisation pour la construction d'une carte cognitive, les cellules de transition servent de base à la conception d'un modèle d'apprentissage par renforcement. Une implémen- tation neuronale de l'algorithme de Q-learning, utilisant les transitions, est réalisée de manière biologiquement plausible en s'inspirant des ganglions de la base. Cette architecture fournit une stratégie de navigation alternative à la planification par carte cognitive, avec un apprentissage plus lent, et correspondant à une stratégie automatique de bas-niveau. Des expériences où les deux stratégies sont utilisées en coopération sont réalisées et des lésions du cortex préfrontal et des ganglions de la base permettent de reproduire des résultats expérimentaux obtenus chez les rats. Les cellules de transition peuvent apprendre des relations temporelles précises permettant de prédire l'instant où devrait survenir un événement. Dans un modèle des interactions entre l'hippocampe et le cortex préfrontal, nous montrons comment ces prédictions peuvent expliquer certains enregistrements in-vivo dans ces structures cérébrales, notamment lorsqu'un rat réalise une tâche durant laquelle il doit rester immobile pendant 2 secondes sur un lieu but pour obtenir une récompense. L'apprentissage des informations temporelles provenant de l'environnement et du comportement permet de détecter des régularités. A l'opposé, l'absence d'un événe- ment prédit peut signifier un échec du comportement du robot, qui peut être détecté et utilisé pour adapter son comportement en conséquence. Un système de détection de l'échec est alors développé, tirant parti des prédictions temporelles fournies par l'hippocampe et des interactions entre les aspects de modulation comportementale du cortex préfrontal et d'apprentissage par renforcement dans les ganglions de la base. Plusieurs expériences robotiques sont conduites dans lesquelles ce signal est utilisé pour moduler le comportement d'un robot, dans un premier temps de manière immédiate, afin de mettre fin aux actions du robot qui le mènent à un échec et envisager d'autres stratégies. Ce signal est ensuite utilisé de manière plus permanente pour moduler l'apprentissage des associations menant à la sélection d'une action, afin que les échecs répétés d'une action dans un contexte particulier fassent oublier cette association. Finalement, après avoir utilisé le modèle dans le cadre de la navigation, nous montrons ses capacités de généralisation en l'utilisant pour le contrôle d'un bras robotique. Ces travaux constituent une étape importante pour l'obtention d'un modèle unifié et générique permettant le contrôle de plates-formes robotiques variés et pouvant apprendre à résoudre des tâches de natures différentes.

L'analyse bioinformatique des données de transcriptomique a pour but d'identifier les gènes qui présentent des variations d'expression entre différentes situations, par exemple entre des échantillons de tissu sain et de tissu malade et de caractériser ces gènes à partir de leurs annotations fonctionnelles. Dans ce travail de thèse, je propose quatre contributions pour la prise en compte des connaissances du domaine dans ces méthodes. Tout d'abord je définis une nouvelle mesure de similarité sémantique et fonctionnelle (IntelliGO) entre les gènes, qui exploite au mieux les annotations fonctionnelles issues de l'ontologie GO ('Gene Ontology'). Je montre ensuite, grâce à une méthodologie d'évaluation rigoureuse, que la mesure IntelliGO est performante pour la classification fonctionnelle des gènes. En troisième contribution je propose une approche différentielle avec affectation floue pour la construction de profils d'expression différentielle (PED). Je définis alors un algorithme d'analyse de recouvrement entre classes fonctionnelles et ensemble des références, ici les PEDs, pour mettre en évidence des gènes ayant à la fois les mêmes variations d'expression et des annotations fonctionnelles similaires. Cette méthode est appliquée à des données expérimentales produites à partir d'échantillons de tissus sains, de tumeur colo-rectale et de lignée cellulaire cancéreuse. Finalement, la mesure de similarité IntelliGO est généralisée à d'autres vocabulaires structurés en graphe acyclique dirigé et enraciné (rDAG) comme l'est l'ontologie GO, avec un exemple d'application concernant la réduction sémantique d'attributs avant la fouille.

Dans un contexte concurrentiel, la richesse des entreprises réside dans leurs clients. Il est plus rentable de fidéliser un client existant que d'en acquérir un nouveau. De ce fait, les entreprises cherchent à mieux connaître leurs clients pour trouver des moyens de les fidéliser. Cette approche de la connaissance des clients fondée sur l'analyse des données se heurte toutefois au volume important des données. Ce constat pousse les entreprises à Extraire des Connaissances à partir des Données. Ces connaissances et leur actionnabilité fournissent aux experts un outil d'aide à la décision dont la performance peut être mesurée par le retour sur investissement généré par les actions. Les systèmes de recommandation sont adaptés pour mettre en place ces outils car ils permettent de filtrer l'information puis de recommander de manière proactive des produits susceptibles de fidéliser le client. Dans le cadre d'une stratégie commerciale basée sur les forces de vente, comment fidéliser les clients pour accroître leur valeur ? Une mauvaise recommandation intrusive peut en effet avoir des répercussions importantes sur le client et le commercial peut refuser d'utiliser le système s'il ne juge pas les recommandations suffisamment pertinentes. Pour s'affranchir de ces contraintes, nous avons proposé la méthodologie CAPRE qui consiste à extraire des comportements de référence sous la forme de cohortes de règles en ciblant raisonnablement les clients présentant un manque à gagner et en quantifiant le profit espéré. Cette approche a été mise en oeuvre au sein de l'outil ARKIS. Notre méthodologie a été validée sur le jeu de données MovieLens puis validée et appliquée sur les données opérationnelles du groupe VM Matériaux.

Depuis la fin des années 1990, les images optiques à très hautes résolutions spatiales issues de capteurs satellitaires sont de plus en plus accessibles par une vaste communauté d'utilisateurs. En particulier, différents systèmes satellitaires sont maintenant disponibles et produisent une quantité de données importante, utilisable pour l'observation de la Terre. En raison de cet important volume de données,les méthodes analytiques manuelles deviennent inadaptées pour un traitement efficace de ces données. Il devient donc crucial d'automatiser ces méthodes par des procédés informatiques, capables de traiter cette quantité de données hétérogènes.Dans le cadre de cette thèse, nos recherches se sont focalisées sur le développement de nouvelles approches basées régions (i.e., segmentation et classification) permettant l'extraction de plusieurs niveaux de connaissance et d'information à partir d'ensembles d'images à différentes résolutions spatiales. De telles images offrent en effet des vues différentes de la scène étudiée, ce qui peut permettre de faciliter l'extraction des objets d'intérêt. Ces derniers étant structurés sous la forme de hiérarchies d'objets complexes, nos travaux se sont naturellement tournés (1) vers l'utilisation d'approches de segmentation hiérarchique fournissant des ensembles de partitions de la scène à différents niveaux de détail et (2) vers l'intégration de connaissances de haut-niveau dans les processus de fouille de données. De manière plus générale, nous nous sommes intéressés à élaborer un outil informatique reposant sur une stratégie d'analyse descendante,similaire à celle d'un utilisateur, qui consiste à interpréter la scène en considérant, en premier lieu, les grandes zones composant les territoires (à partir des images aux résolutions les plus grossières) puis à affiner récursivement le niveau d'interprétation pour en extraire des zones plus spécialisées (à partir des images aux résolutions les plus fines).L'ensemble de ces travaux a été implanté dans une bibliothèque logicielle et validé dans le contexte de l'analyse d'environnements urbains à partir d'ensembles d'images multi résolutions.

Les réseaux de neurones formels permettent de construire, par apprentissage statistique, une vaste famille de modèles et de correcteurs non linéaires. L'objet de cette thèse est la définition des modalités de mise en œuvre de réseaux de neurones et l'évaluation de leur apport pour la modélisation et la commande non adaptatives de processus dynamiques non linéaires. Sur le plan théorique, nous présentons la modélisation et la commande de processus par réseaux de neurones dans un cadre aussi général que possible, en les plaçant dans la perspective de l'Automatique classique. En modélisation, les résultats concernant les systèmes linéaires nous aident à formuler les prédicteurs non linéaires optimaux théoriques correspondant à diverses hypothèses sur le bruit intervenant dans le processus à modéliser ; une méthodologie d'apprentissage associée fournit des prédicteurs neuronaux qui sont des réalisations des prédicteurs théoriques. Nous proposons ensuite une famille de systèmes de commande neuronaux, dont nous étudions les propriétés et les liens avec les systèmes de commande classique, linéaire ou non, en insistant notamment sur la robustesse ; ceci nous conduit à développer la commande avec modèle interne neuronale. Sur le plan pratique, nous illustrons notre démarche et nos résultats par une application industrielle, le pilotage d'un véhicule autonome tout-terrain, dont le volant, l'accélérateur et le frein sont commandés par des réseaux neuronaux.

Les Serious Games sont des jeux vidéo qui n'ont pas pour objectif premier le divertissement et qui peuvent être utilisé pour l'enseignement. Pertinents dans de nombreux domaines d'éducation, ils posent pourtant des problèmes liés à leur création fastidieuse et coûteuse en moyens et en temps. Dans cette thèse, nous nous intéressons tout particulièrement aux Serious Games pour l'éducation, appelés Learning Games (LG) et plus particulièrement aux LG pour la formation continue pour les étudiants en école d'ingénieur. Tout d'abord, nous avons procédé à une étude des besoins concrets des créateurs de LG, ainsi qu'à un état de l'art des méthodologies et des outils existants. En premier lieu, ces recherches nous ont montré qu'il n'existait aucune solution adaptée pour faciliter la collaboration entre les différents concepteurs de LG, occupant des rôles complémentaires (expert du domaine, expert pédagogique, game designer...). Nos recherches mettent également en avant le besoin de modélisation et de représentation du scénario du LG pour aider les concepteurs à imaginer un LG qui soit à la fois ludique et attractif tout en gardant le fort potentiel éducatif indispensable à la formation. Pour répondre au premier besoin, nous proposons une méthodologie globale de création collaborative de LG, détaillant chaque tâche des acteurs ainsi que les outils mis à leur disposition. Pour répondre au deuxième besoin, nous proposons un modèle de scénarisation de LG qui représente d'un côté la structure pédagogique choisie par l'expert pédagogique et de l'autre côté la mise en scène ludique imaginée par le game designer. Pour réifier nos propositions, nous avons développé un environnement informatique d'aide à la conception, appelé LEGADEE (LEarning GAme DEsign Environment). LEGADEE guide chaque concepteur avec une " barre d'outils " adaptée à son rôle spécifique et qui propose également un système de validation qui analyse la création en cours. Enfin, nous avons imaginé un protocole d'évaluation pour valider notre environnement auteur ainsi que la méthodologie et le modèle proposés dans lequel nous comparons 24 scénarios de LG dont la moitié a été conçu avec LEGADEE et la moitié sans. Notre évaluation montre que l'utilisation de notre outil a tendance à améliorer certains critères qualité des LG. Elle montre aussi les limites de nos hypothèses et donne des pistes d'améliorations futures, tant sur LEGADEE que sur la méthode d'évaluation elle-même.