Le nombre de transistors des processeurs, ainsi que leur frequence, ont suivi la loi de Moore pendant plusieurs decennies, au prix d'une complexite croissante des architectures. La recente de l'accroissement en frequence a notamment deux consequences: le parallelisme est desormais un des seuls vecteurs de gain de performances, et la chaine de compilation ainsi que le systeme d'exploitation sont indispensables pour l'obtention automatique de ces performances. Du a la complexite des mecanismes architecturaux difficiles a modeliser de facon realiste, les compilateurs restent cependant loin de pouvoir generer automatiquement des applications hautes performances, meme pour un seul core. Le travail que nous presentons se focalise sur d'une part l'optimisation et la generation de bibliotheques hautes performances et leur reutilisation automatique dans un contexte applicatif, d'autre part, sur l'evaluation et la modelisation des performances an de guider l'optimisation. Les resultats de ces travaux sont suivis de perspectives de recherche.

Les nouvelles architectures de calcul intensif intègrent de plus en plus de microprocesseurs qui eux-mêmes intègrent un nombre croissant de cœurs de calcul. Cette multiplication des unités de calcul dans les architectures ont fait apparaître des topologies fortement hiérarchiques. Ces architectures sont dites NUMA. Les algorithmes de simulation numérique et les solveurs de systèmes linéaires qui en sont une brique de base doivent s'adapter à ces nouvelles architectures dont les accès mémoire sont dissymétriques. Nous proposons dans cette thèse d'introduire un ordonnancement dynamique adapté aux architectures NUMA dans le solveur PaStiX. Les structures de données du solveur, ainsi que les schémas de communication ont dû être modifiés pour répondre aux besoins de ces architectures et de l'ordonnancement dynamique. Nous nous sommes également intéressés à l'adaptation dynamique du grain de calcul pour exploiter au mieux les architectures multi-cœurs et la mémoire partagée. Ces développements sont ensuite validés sur un ensemble de cas tests sur différentes architectures.

CCSL (Clock Constraint Specification Language) a été construit pour abstraire les données et l'algorithme dans l'intention de focaliser sur les événements et le contrôle. Même si CCSL a été initialement conçu pour servir de modèle de temps au profil UML MARTE, il est devenu un langage de modélisation à part entière dédié à la capture des relations de causalités, chronologiques et temporelles, propres à un modèle. Il est destiné à complémenter des modèles syntaxiques qui eux capturent les structures de données, l'architecture et l'algorithme. Ce document commence par décrire les modèles de parallélisme qui ont inspirés CCSL. Ensuite, le langage CCSL est présenté puis utilisé pour construire des bibliothèques dédiées à deux spécifications standardisées dans les domaines de l'avionique (AADL) et de l'automobile (East-ADL). Finalement, nous introduisons une technique basée sur des observateurs pour vérifier des implantations (Esterel et VHDL) et s'assurer qu'elles respectent bien les propriétés données par une spécification CCSL.

Le partitionnement de graphes est une technique employée dans de nombreux domaines scientifiques. Il est utilisé pour résoudre des problèmes d'optimisation, modélisés sous la forme de graphes valués ou non, et pour lesquels la recherche de bonnes solutions équivaut au calcul, éventuellement récursivement, de coupes sommet ou arête les plus petites possible et qui équilibrent les tailles des sous-parties séparées. La plupart des méthodes actuelles de partitionnement de graphes mettent en oeuvre un schéma multi-niveaux, dans lequel le graphe à partitionner est successivement contracté pour former une famille de graphes de plus en plus petits, mais de structure topologique similaire, de sorte qu'une partition initiale calculée sur le plus petit graphe puisse être propagée de proche en proche, par prolongations et raffinements successifs, jusqu'à obtenir un partitionnement du graphe initial. Du fait de l'augmentation croissante de la taille des problèmes à résoudre, ceux-ci ne peuvent plus être traités de façon séquentielle sur un unique ordinateur. Il est donc nécessaire de concevoir des algorithmes parallèles de partitionnement de graphes, aptes à traiter des graphes à plusieurs milliards de sommets distribués sur plusieurs milliers de processeurs. Plusieurs auteurs s'étaient déjà attelés à cette tâche, mais la performance des algorithmes proposés, ou la qualité des solutions produites, se dégradent lorsque le nombre de processeurs augmente. Ce mémoire présente les travaux réalisées au sein du projet PT-Scotch sur la conception d'algorithmes efficaces et robustes pour la parallélisation du schéma multi-niveaux. Il se concentre en particulier sur les phases de contraction et de raffinement, qui sont les plus critiques en termes de performance et de qualité des solutions produites. Il propose un algorithme parallèle probabiliste d'appariement, ainsi qu'un ensemble de méthodes permettant de réduire l'espace des solutions au cours la phase de raffinement et facilitant l'usage de méthodes globales, qui passent mieux à l'échelle mais sont en général bien plus coûteuses que les algorithmes d'optimisation locale habituellement mis en oeuvre dans le cas séquentiel.

La compréhension et la prévision de l'évolution des fluides géophysiques sont d'une importance capitale et constituent un domaine de recherche scientifique aux enjeux conséquents. Une bonne prévision est basée sur la prise en compte de toutes les informations disponibles sur le système considéré. Ces informations incluent les modèles, les observations et les connaissances a priori. L'assimilation de données permet de les combiner de façon optimale pour déterminer les entrées du modèle. Les dernières décennies ont vu croître en densité et en qualité la couverture satellitaire produisant, entre autres, des séquences d'images montrant l'évolution dynamique de certains phénomènes géophysiques tels que les dépressions et les fronts. Ces séquences d'images sont jusqu'à présent sous-utilisées en assimilation de données. Cette thèse propose une extension de l'assimilation variationnelle de données aux observations de type séquence d'images. Après avoir présenté les images, leur utilisation actuelle et ses limites, nous introduisons les notions de niveau d'interprétation, d'espaces et d'opérateur image. Ces notions sont utilisées pour formuler l'assimilation directe de séquences d'images. Nous proposons également une nouvelle approche de régularisation par diffusion généralisée pour les problèmes inverses. Les résultats préliminaires en traitement d'images et en assimilation directe de séquence d'images montrent une méthode prometteuse qui résout la plupart des problèmes rencontrés avec les approches classiques de régularisation.

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L'ergonomie est un facteur de conception des postes de travail important, l'apparition de troubles musculo-squelettiques (TMS) y étant directement liée. L'objectif de cette thèse est la conception d'outils d'analyse du membre supérieur utilisables pour améliorer l'ergonomie des postes de travail et diminuer les risques d'apparition de TMS. Les contributions principales de cette thèse sont : - Un modèle biomécanique du membre supérieur basé sur l'anatomie fonctionnelle ; - Une chaine de traitement complète, de la capture de mouvements à l'estimation des efforts musculaires « par dynamique inverse » ; - L'ajout de contraintes complémentaires simulant la co-activation des muscles agonistes et antagonistes au mouvement ; - La présentation et l'évaluation d'une méthode d'estimation des efforts musculaires par interpolation ; - La définition et l'évaluation d'un critère ergonomique permettant d'évaluer la pénibilité d'un mouvement.

Ce document constitue une synth`ese de travaux de recherche en vue de l'obten- tion du diplˆome d'habilitation `a diriger les recherches. A la suite ce cette in- troduction r ́edig ́ee en franc ̧ais, le reste de ce document sera en anglais. Je suis actuellement charg ́e de recherches INRIA au centre de Rennes Bretagne Atlantique. J'ai rejoint en Septembre 2001 l' ́equipe Vista dirig ́ee par Patrick Bouthemy, puis l' ́equipe Visages dirig ́ee par Christian Barillot en Janvier 2004. Depuis Janvier 2010, je travaille dans l' ́equipe-projet Serpico dirig ́ee par Charles Kervrann dont l'objet est l'imagerie et la mod ́elisation de la dynamique intra- cellulaire. Parmi mes activit ́es pass ́ees, ce document va se concentrer uniquement sur les activit ́es portant sur la neurochirurgie guid ́ee par l'image. En parti- culier, les travaux effectu ́es sur le recalage non-rigide ne seront pas pr ́esent ́es ici. Concernant le recalage, ces travaux ont commenc ́e pendant ma th`ese avec le d ́eveloppement d'une m ́ethode de recalage 3D bas ́e sur le flot optique [72], l'incorporation de contraintes locales dans ce processus de recalage [74] et la validation de m ́ethodes de recalage inter-sujets [71]. J'ai poursuivi ces travaux apr`es mon recrutement avec Anne Cuzol et Etienne M ́emin sur la mod ́elisation fluide du recalage [44], avec Nicolas Courty sur l'acc ́el ́eration temps-r ́eel de m ́ethode de recalage [42], et sur l' ́evaluation des m ́ethodes de recalage dans deux contextes : celui de l'implantation d' ́electrodes profondes [29] et le re- calage inter-sujets [92]. L'utilisation de syst`emes dits de neuronavigation est maintenant courante dans les services de neurochirurgie. Les b ́en ́efices, attendus ou report ́es dans la litt ́erature, sont une r ́eduction de la mortalit ́e et de la morbidit ́e, une am ́elio- ration de la pr ́ecision, une r ́eduction de la dur ́ee d'intervention, des couˆts d'hospitalisation. Tous ces b ́en ́efices ne sont pas `a l'heure actuelle d ́emontr ́es `a ma connaissance, mais cette question d ́epasse largement le cadre de ce doc- ument. Ces syst`emes de neuronavigation permettent l'utilisation du planning chirurgical pendant l'intervention, dans la mesure ou` le patient est mis en cor- respondance g ́eom ́etrique avec les images pr ́eop ́eratoires `a partir desquelles est pr ́epar ́ee l'intervention. Ces informations multimodales sont maintenant couramment utilis ́ees, com- prenant des informations anatomiques, vasculaires, fonctionnelles. La fusion de ces informations permet de pr ́eparer le geste chirurgical : ou` est la cible, quelle est la voie d'abord, quelles zones ́eviter. Ces informations peuvent main- tenant ˆetre utilis ́ees en salle d'op ́eration et visualis ́ees dans les oculaires du mi- croscope chirurgical grˆace au syst`eme de neuronavigation. Malheureusement, cela suppose qu'il existe une transformation rigide entre le patient et les im- ages pr ́eop ́eratoires. Alors que cela peut ˆetre consid ́er ́e comme exact avant l'intervention, cette hypoth`ese tombe rapidement sous l'effet de la d ́eformation des tissus mous. Ces d ́eformations, qui doivent ˆetre consid ́er ́ees comme un ph ́enom`ene spatio-temporel, interviennent sous l'effet de plusieurs facteurs, dont la gravit ́e, la perte de liquide c ́ephalo-rachidien, l'administration de pro- duits anesth ́esiants ou diur ́etiques, etc. Ces d ́eformations sont tr`es difficiles `a mod ́eliser et pr ́edire. De plus, il s'agit d'un ph ́enom`ene spatio-temporel, dont l'amplitude peut varier consid ́era- blement en fonction de plusieurs facteurs. Pour corriger ces d ́eformations, l'imagerie intra-op ́eratoire apparait comme la seule piste possible.

Dans le contexte de la fusion de données en imagerie médicale, cette thèse s'intéresse aux problèmes de recalage non-rigide en imagerie cérébrale, monomodalité et multimodalité. Dans un premier temps, nous avons développé une approche originale pour estimer une transformation $3D$ dense entre deux volumes IRM de deux sujets différents. Cette méthode est basée sur une estimation du flot optique, exprimé dans un cadre statistique robuste. Nous avons également proposé un schéma de minimisation efficace, à la fois multirésolution et multigrille, s'appuyant sur des contraintes anatomiques. Nous avons validé cette méthode sur des données synthétiques, puis sur une base de donnée de 18 sujets. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au problème du recalage non-rigide multimodalité. Les images fonctionnelles IRMf, en acquisition EPI, présentent des déformations géométriques qui gênent l'interprétation des données fonctionnelles. Nous avons proposé un algorithme de recalage non-rigide multimodalité à l'aide d'une mesure de similarité adaptée, dans un cadre de minimisation multigrille. Dans un troisième temps, nous avons proposé un cadre de validation de méthodes de recalage non-rigides. 5 méthodes différentes, parmi lesquelles des approches classiques et des approches plus récentes, ont été évaluées sur la base de critères globaux (volume moyen, corrélation des Lvv, recouvrement des tissus anatomiques) et de critères locaux (recalage des sillons corticaux). Enfin, nous avons étudié des approches coopératives utilisant les processus de segmentation et de recalage. Basée sur une méthode de type ``ensemble de niveaux'', la segmentation de structures anatomiques peut être guidée par un champ grossier de déformation. Le recalage permet d'initialiser correctement les modèles déformables, entraînant une segmentation automatique, plus robuste, plus précise et considérablement plus rapide. D'autre part, la segmentation de structures anatomiques d'intérêt comme les sillons corticaux permet de contraindre le processus de recalage présenté dans la première partie. En particulier, le cadre statistique permet d'intégrer cette contrainte locale et éparse de manière naturelle. Sur la base de 18 sujets, nous avons montré l'apport de cette contrainte anatomique.

Dans cette thèse, nous considérons plusieurs problèmes statistiques liés au réchauffement climatique. Le travail est donc centré sur la compréhension et la modélidation de récentes évolutions des caractéristiques de la température come moyenne, variance, extrêmes et des liens entre ces quantités. Par ailleurs nous poursuivions deux objectifs particuliers liés aux risques importants : donner une méthodologie pour calculer les niveaux de retour en situation non stationnaire (risques économiques, sanitaires et industriels) et fabriquer un modèle réaliste de simulation permettant de calculer certains de ces risques de définition compliquée. Le contexte étant celui du changement climatique, en incluant bien entendu des aspects métamathématiques.