[pt] Este trabalho é composto do projeto e implementação de um sistema gráfico para uso em microcomputadores do tipo IBM PC visando aplicações em CDA, animação e processamento de imagens. Com várias configurações programáveis destaca-se a capacidade do uso de altas resoluções e grande número de cores, podendo chegar a 16 milhões. Todo o processamento é feito por um microprocessador RISC, o que se traduz em alto desempenho e grande flexibilidade na execução de rotinas e algoritmos gráficos. / [en] The contents of this work are the Project and implementation of a graphic system for IBM PC microcomputers for use in CAD, animation, and image processing. Among its features stand out the display resolution and up to 16 million colors. All the processing are made by a RISC microprocessor, leading to a high performance and great flexibility in routine and graphics algorithm execution.

Le contrôle d'écoulement en utilisant des capteurs optiques est étudié dans un contexte expérimental. Le calcul de champs de vitesses en temps réel en utilisant une caméra pour l'acquisition et une carte graphique pour le calcul est détaillé. La validité de l'approche en terme de rapidité et de précision est étudiée. Un guide complet pour l'optimisation logicielle et matérielle est donné. Nous démontrons que le calcul dynamique de champs de vitesse est non seulement possible mais plus facile à gérer que l'utilisation d'un appareillage (PIV) classique. Un canal hydrodynamique est utilisé pour toutes les expériences. Celui-ci comporte une marche descendante pour le contrôle d' écoulements décollés. Les actionneurs sont des jets. Dans le cas de la marche descendante une étude paramétrique approfondie est faite pour qualifier les effets d'une injection en amont des jets, celle-ci étant traditionnellement effectuée à l'arrête de la marche.Plusieurs méthodes de contrôle sont étudiées. Un algorithme de contrôle basique de type PID est mis en place pour démontrer la viabilité du contrôle d'écoulement en boucle fermée par capteurs optiques. La zone de recirculation située derrière la marche est calculée en temps réel dans un plan vertical et horizontal. La taille de cette région est manipulée avec succès. Une approche basée sur des observations de la dynamique de l'écoulement est présentée.Des résultats précédents dans la littérature montrent que la recirculation peut être réduite avec succès en agissant sur l'écoulement à la fréquence naturelle de lâchés tourbillonnaires liés à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz de la couche cisaillée crée par la marche. Une éthode basée de détection de vortex est introduite pour calculer cette fréquence, qui est ensuite utilisée dans une boucle de contrôle qui assure que l'écoulement est toujours pulsé à la bonne fréquence. Ainsi en utilisant des capteurs optiques la recirculation est réduite de façon simple.Ensuite nous implémentons un contrôle de type feed-forward dont l'efficacité a préalablement été démontrée en simulation. Cette approche vise à prévenir l'amplification de perturbations amont par la couche cisaillée. Nous montrons comment une telle méthode peut être implémentée avec succès dans un contexte expérimental. Enfin, nous implémentons également une approche radicalement différente basée sur un algorithme génétique. Des lois de contrôle aléatoires sont testées et évaluées. Les meilleurs sont répliquées, mutées et croisées. Ce processus se poursuit itérativement jusqu'à ce que le coût soit minimisé. Bien que lente à converger cette approche donne des résultats encourageants à travers une loi de commande originale. / Flow control using optical sensors is experimentally investigated. Real-time computation of flow velocity fields is implemented. This novel approach featuring a camera for acquisition and a graphic processor unit (GPU) for processing is presented and detailed. Its validity with regards to speed and precision is investigated. A comprehensive guide to software and hardware optimization is given. We demonstrate that online computation of velocity fields is not only achievable but offers advantages over traditional particle image velocimetry (PIV) setups. It shows great promise not only for flow control but for parametric studies and prototyping also.A hydrodynamic channel is used in all experiments, featuring a backward facing step for separated flow control. Jets are used to provide actuation. A comprehensive parametric study is effected to determine the effects of upstream jet injection. It is shown upstream injection can be very effective at reducing recirculation, corroborating results from the literature.Both open and closed loop control methods are investigated using this setup. Basic control is introduced to ascertain the effectiveness of this optical setup. The recirculation region created in the backward-facing step flow is computed in the vertical symmetry plane and the horizontal plane. We show that the size of this region can be successfully manipulated through set-point adaptive control and gradient based methods.A physically driven control approach is introduced. Previous works have shown successful reduction recirculation reduction can be achieved by periodic actuation at the natural Kelvin-Helmholtz frequency of the shear layer.A method based on vortex detection is introduced to determine this frequency, which is used in a closed loop to ensure the flow is always adequately actuated. Thus showing how recirculation reduction can be achieved through simple and elegant means using optical sensors. Next a feed-forward approach based on ARMAX models is implemented. It was successfully used in simulations to prevent amplification of upstream disturbances by the backward-facing step shear layer. We show how such an approach can be successful in an experimental setting.Higher Reynolds number flows exhibit non-linear behavior which can be difficult to model in a satisfactory manner thus a new approach was attempted dubbed machine learning control and based on genetic programming. A number of random control laws are implemented and rated according to a given cost function. The laws that perform best are bred, mutated or copied to yield a second generation. The process carries on iteratively until cost is minimized. This approach can give surprising insights into effective control laws.

This work deals with parallel computing on modern processors - multi-core CPU and GPU. The goal is to learn about computing on this devices suitable for parallelization, define their advantages and disadvantages, test their properties in examples and select appropriate tools to implement a library for parallel image processing. This library is going to be used for the vanishing point estimation in the path finding mobile robot.

La reconstruction tomographique à partir de données de projections est un problème inverse largement utilisé en imagerie médicale et de façon plus modeste pour le contrôle nondestructif. Avec un nombre suffisant de projections, les algorithmes analytiques permettentdes reconstructions rapides et précises. Toutefois, dans le cas d’un faible nombre de vues(imagerie faible dose) et/ou d’angle limité (contraintes spécifiques liées à l’installation), lesdonnées disponibles pour l’inversion ne sont pas complètes, le mauvais conditionnementdu problème s’accentue, et les résultats montrent des artefacts importants. Pour aborderces situations, une approche alternative consiste à discrétiser le problème de reconstruction,et à utiliser des algorithmes itératifs ou une formulation statistique du problème afinde calculer une estimation de l’objet inconnu. Ces méthodes sont classiquement basées surune discrétisation du volume en un ensemble de voxels, et fournissent des cartes 3D de ladensité de l’objet étudié. Les temps de calcul et la ressource mémoire de ces méthodesitératives sont leurs principaux points faibles. Par ailleurs, quelle que soit l’application, lesvolumes sont ensuite segmentés pour une analyse quantitative. Devant le large éventaild’outils de segmentation existant, basés sur différentes interprétations des contours et defonctionnelles à minimiser, les choix sont multiples et les résultats en dépendent.Ce travail de thèse présente une nouvelle approche de reconstruction simultanée àla segmentation des différents matériaux qui composent le volume. Le processus dereconstruction n’est plus basé sur une grille régulière de pixels (resp. voxels), mais sur unmaillage composé de triangles (resp. tétraèdres) non réguliers qui s’adaptent à la formede l’objet. Après une phase d’initialisation, la méthode se décompose en trois étapesprincipales que sont la reconstruction, la segmentation et l’adaptation du maillage, quialternent de façon itérative jusqu’à convergence. Des algorithmes itératifs de reconstructioncommunément utilisés avec une représentation conventionnelle de l’image ont étéadaptés et optimisés pour être exécutés sur des grilles irrégulières composées d’élémentstriangulaires ou tétraédriques. Pour l’étape de segmentation, deux méthodes basées surune approche paramétrique (snake) et l’autre sur une approche géométrique (level set)ont été mises en oeuvre afin de considérer des objets de différentes natures (mono- etmulti- matériaux). L’adaptation du maillage au contenu de l’image estimée est basée surles contours segmentés précédemment, pour affiner la maille au niveau des détails del’objet et la rendre plus grossière dans les zones contenant peu d’information. En finde processus, le résultat est une image classique de reconstruction tomographique enniveaux de gris, mais dont la représentation par un maillage adapté au contenu proposeidirectement une segmentation associée. Les résultats montrent que la partie adaptative dela méthode permet de représenter efficacement les objets et conduit à diminuer drastiquementla mémoire nécessaire au stockage. Dans ce contexte, une version 2D du calcul desopérateurs de reconstruction sur une architecture parallèle type GPU montre la faisabilitédu processus dans son ensemble. Une version optimisée des opérateurs 3D permet descalculs encore plus efficaces. / Tomography reconstruction from projections data is an inverse problem widely used inthe medical imaging field. With sufficiently large number of projections over the requiredangle, the FBP (filtered backprojection) algorithms allow fast and accurate reconstructions.However in the cases of limited views (lose dose imaging) and/or limited angle (specificconstrains of the setup), the data available for inversion are not complete, the problembecomes more ill-conditioned, and the results show significant artifacts. In these situations,an alternative approach of reconstruction, based on a discrete model of the problem,consists in using an iterative algorithm or a statistical modelisation of the problem to computean estimate of the unknown object. These methods are classicaly based on a volumediscretization into a set of voxels and provide 3D maps of densities. Computation time andmemory storage are their main disadvantages. Moreover, whatever the application, thevolumes are segmented for a quantitative analysis. Numerous methods of segmentationwith different interpretations of the contours and various minimized energy functionalare offered, and the results can depend on their use.This thesis presents a novel approach of tomographic reconstruction simultaneouslyto segmentation of the different materials of the object. The process of reconstruction isno more based on a regular grid of pixels (resp. voxel) but on a mesh composed of nonregular triangles (resp. tetraedra) adapted to the shape of the studied object. After aninitialization step, the method runs into three main steps: reconstruction, segmentationand adaptation of the mesh, that iteratively alternate until convergence. Iterative algorithmsof reconstruction used in a conventionnal way have been adapted and optimizedto be performed on irregular grids of triangular or tetraedric elements. For segmentation,two methods, one based on a parametric approach (snake) and the other on a geometricapproach (level set) have been implemented to consider mono and multi materials objects.The adaptation of the mesh to the content of the estimated image is based on the previoussegmented contours that makes the mesh progressively coarse from the edges to thelimits of the domain of reconstruction. At the end of the process, the result is a classicaltomographic image in gray levels, but whose representation by an adaptive mesh toits content provide a correspoonding segmentation. The results show that the methodprovides reliable reconstruction and leads to drastically decrease the memory storage. Inthis context, the operators of projection have been implemented on parallel archituecturecalled GPU. A first 2D version shows the feasability of the full process, and an optimizedversion of the 3D operators provides more efficent compoutations.

[pt] Neste trabalho a arquitetura de placas gráficas que usam a tecnologia de varredura (raster scan) é analisada. É discutido então o uso de memórias dinâmicas do tipo VRAM para lidar com o problema do gargalo dos acessos à memória de vídeo. São analisados então alguns módulos importantes que podem ser considerados opcionais numa placa de vídeo, uma vez que a escolha por estes módulos depende da aplicação específica da placa gráfica. Finalmente, apresentamos a descrição do projeto e implementação de uma placa gráfica utilizando o processador gráfico TMS34010 com capacidade para realizar aquisição de imagens. / [en] In the present work, we analyse the architecture of raster- scan graphic boards. We discuss then the use of VRAM dynamic memories to deal with the video memories bottleneck problem. We also analyse a few important modules that may be considered optionals, since the choice of using these modules depends upon the specific use the graphic board will be given. At last, we present the description of the project and implementation of a graphic board using the TMS34010 graphic processor with image acquisition capabilities.