Dans le circuit de la greffe de cornée, l'endothélium de chaque greffon est observé en microscopie optique conventionnelle afin de vérifier que sa densité cellulaire est suffisante pour maintenir une bonne transparence après l'opération. Les greffons étant conservés dans un milieu spécifique, ils sont imprégnés de liquide et présentent donc des plis qui perturbent l'observation et le comptage des cellules. Ce problème pratique est à l'origine d'une étude théorique sur les concepts de profondeur de champ étendue et de shape-from-focus. A partir d'une séquence d'images acquise par sectionnement optique, les informations les plus nettes permettent d'une part d'accéder à la topographie de la surface observée et d'autre part de restaurer l'image de sa texture. Une reconstruction surfacique 3-D est alors obtenue en projetant la texture sur la topographie. Cette thèse considère essentiellement l'étape fondamentale de mesure de netteté du processus de reconstruction. Des nouvelles mesures génériques offrant une haute sensibilité à la netteté sont introduites. De par une stratégie 3-D originale au travers de la séquence d'images, une autre mesure très robuste au bruit est proposée. Toutes ces mesures sont testées sur des données simulées puis diverses acquisitions réelles en microscopie optique conventionnelle et comparées aux méthodes de la littérature. Par ailleurs, la mesure 3-D améliore nettement les reconstructions d'endothéliums cornéens à partir de leurs acquisitions particulièrement perturbées (inversions de contraste). Un processus itératif complet de reconstruction 3-D d'endothéliums cornéens est finalement décrit, aboutissant à des résultats solides et exploitables.

La tomographie des temps de première arrivée cherche à estimer un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir des temps de première arrivée pointés sur les sismogrammes. Le modèle de vitesse obtenu peut alors permettre une interprétation structurale du milieu ou bien servir de modèle initial pour d'autres traitements de l'imagerie sismique. Les domaines d'application de cette méthode s'étendent, à des échelles différentes, de la géotechnique à la sismologie en passant par la géophysique pétrolière. Le savoir-faire du géophysicien joue un rôle important dans la difficile résolution du problème tomographique non-linéaire et mal posé. De nombreuses recherches ont entrepris de faciliter et d'améliorer cette résolution par des approches mathématique ou physique. Dans le cadre de ce travail, nous souhaitons développer une approche pragmatique, c'est-à-dire que nous considérons que le problème tomographique doit être résolu par un algorithme interactif dont les paramètres de réglage sont clairement définis. L'aspect interactif de l'algorithme facilite l'acquisition du savoir-faire tomographique car il permet de réaliser, dans un temps raisonnable, de nombreuses simulations pour des paramétrisations différentes. Le but poursuivi dans cette thèse est de définir, pour le cas spécifique de la tomographie des temps de première arrivée, un algorithme qui réponde au mieux à ces critères. Les algorithmes de tomographie des temps de première arrivée classiquement mis en oeuvre aujourd'hui ne répondent pas à nos critères d'une approche pragmatique. En effet, leur implémentation ne permet pas d'exploiter l'architecture parallèle des supercalculateurs actuels pour réduire les temps de calcul. De plus, leur mise en oeuvre nécessite une paramétrisation rendue complexe du fait de la résolution du système linéaire tomographique. Toutes ces limitations pratiques sont liées à la formulation même de l'algorithme à partir de la méthode de Gauss- Newton. Cette thèse repose sur l'idée de formuler la résolution du problème tomographique à partir de la méthode de plus grande descente pour s'affranchir de ces limitations. L'étape clé de cette formulation réside dans le calcul du gradient de la fonction coût par rapport aux paramètres du modèle. Nous utilisons la méthode de l'état adjoint et une méthode définie à partir d'un tracé de rais a posteriori pour calculer ce gradient. Ces deux méthodes se distinguent par leur formulation, respectivement non-linéaire et linéarisée, et par leur mise en oeuvre pratique. Nous définissons ensuite clairement la paramétrisation du nouvel algorithme de tomographie et validons sur un supercalculateur ses propriétés pratiques : une parallélisation directe et efficace, une occupation mémoire indépendante du nombre de données observées et une mise en œuvre simple. Finalement, nous présentons des résultats de tomographie pour des acquisitions de type sismique réfraction, 2-D et 3-D, synthétiques et réelles, marines et terrestres, qui valident le bon comportement de l'algorithme, en termes de résultats obtenus et de stabilité. La réalisation d'un grand nombre de simulations a été rendue possible par la rapidité d'exécution de l'algorithme, de l'ordre de quelques minutes en 2-D.

Continued technology scaling together with the integration of disparate technologies in a single chip means that device performance continues to outstrip interconnect and packaging capabilities, and hence there exist many difficult engineering challenges, most notably in power management, noise isolation, and intra and inter-chip communication. Significant research effort spanning many decades has been expended on traditional VLSI integration technologies, encompassing process, circuit and architectural issues to tackle these problems. Recently however, three- dimensional (3-D) integration has emerged as a leading contender in the challenge to meet performance, heterogeneous integration, cost, and size demands through this decade and beyond. Through silicon via (TSV) based 3-D wafer-level integration is an emerging vertical interconnect methodology that is used to route the signal and power supply links through all chips in the stack vertically. Delay and signal integrity (SI) calculation for signal propagation through TSVs is a critical analysis step in the physical design of such systems. In order to reduce design time and mirror well established practices, it is desirable to carry this out in two stages, with the physical structures being modelled by parasitic parameters in equivalent circuits, and subsequent analysis of the equivalent circuits for the desired metric. This thesis addresses both these issues. Parasitic parameter extraction is carried out using a field solver to explore trends in typical technologies to gain an insight into the variation of resistive, capacitive and inductive parasitics including coupling effects. A set of novel closed-form equations are proposed for TSV parasitics in terms of physical dimensions and material properties, allowing the electrical modelling of TSV bundles without the need for computationally expensive field-solvers. Suitable equivalent circuits including capacitive and inductive coupling are derived, and comparisons with field solver provided values are used to show the accuracy of the proposed parasitic parameter models for the purpose of performance and SI analysis. The deep submicron era saw the interconnection delay rather than the gate delay become the major bottleneck in modern digital design. The nature of this problem in 3-D circuits is studied in detail in this thesis. The ubiquitous technique of repeater insertion for reducing propagation delay and signal degradation is examined for TSVs, and suitable strategies and analysis techniques are proposed. Further, a minimal power smart repeater suitable for global on-chip interconnects, which has the potential to reduce power consumption by as much as 20% with respect to a traditional inverter is proposed. A modeling and analysis methodology is also proposed, that makes the smart repeater easier to amalgamate in CAD flows at different levels of hierarchy from initial signal planning to detailed place and route when compared to alternatives proposed in the literature. Finally, the topic of system-level performance estimation for massively integrated systems is discussed. As designers are presented with an extra spatial dimension in 3-D integration, the complexity of the layout and the architectural trade-offs also increase. Therefore, to obtain a true improvement in performance, a very careful analysis using detailed models at different hierarchical levels is crucial. This thesis presents a cohesive analysis of the technological, cost, and performance trade-offs for digital and mixed-mode systems, outlining the choices available at different points in the design and their ramifications / QC 20100916

Ce travail de thèse apporte des éléments en vue d'une meilleure compréhension de la circulation et des processus de dispersion associés aux vagues à proximité des plages. Un outil de modélisation numérique opérationnelle a été développé, fondé sur le modèle spectral d'état de mer WAVEWATCH III et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water. Le code MOHID a été étendu à l'approche glm2z pour la représentation des interactions 3-D vagues-courant. Les développements théoriques permettant l'obtention des équations glm2z sont rassemblés et détaillés dans ce travail. L'implémentation de ces équations au sein de l'outil de modélisation est exposée. L'outil construit est validé sur deux cas académiques, où est mise en évidence sa capacité à reproduire la solution fournie par des modèles numériques de référence. Par la suite, la modélisation est combinée à des observations in situ pour étudier deux sites de la côte Sud Atlantique française. Ces sites correspondent à des configurations littorales complexes, associant une influence significative des vagues et une stratification haline notable de la colonne d'eau. La confrontation des résultats du calcul 3-D aux mesures fournit des résultats encourageants et apporte des éléments utiles pour la compréhension de la variabilité des courants et des profils de salinité observés. Une baie estuarienne semi-fermée est tout d'abord étudiée. La modélisation y suggère un effet significatif des vagues sur la dispersion des panaches estuariens, susceptible d'impacter la vidange globale de la baie à l'échelle d'un épisode de précipitations. Le second site d'application permet l'étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d'un système barre/chenal, ainsi que la dispersion des eaux douces introduites par une rivière dans la zone de déferlement. Ce travail fournit finalement un outil de modélisation 3-D pour l'étude de la circulation et du transport sous l'effet de l'ensemble des forçages littoraux.

In heavily settled areas, deformations induced by the tunnel excavation may cause serious damage to nearby structures. In this study it is aimed to model ground deformations induced by main tunnels and connection tunnels excavations as well as groundwater drainage. Therefore, it is necessary to study effective means of controlling tunnel induced deformations. The main parameters affecting the failure and deformation state of the soil around a circular underground opening are the physical characteristics of the soil, the diameter of the opening, and the support pressure. During the construction stage of Necatibey Station of Kizilay&Ccedil / ayyolu metro line (Ankara, Turkey), challenging ground conditions involving highly heterogeneous and locally water saturated foundation soils have been encountered. Possibility of damage at the surface and/or on the underground structures can be estimated using finite difference method (FDM) of analysis. In this study, two geophysical methods namely Electrical Resistivity Imaging (ERI) and Ground Penetrating Radar (GPR) were utilized to distinguish soil types at the study area. By correlating these geophysical survey results with the boring v logs, 3-Dimensional soil profile was revealed at the study area to build up a basis for numerical models. 3-Dimensional (3D) FDM analyses were conducted to assess tunneling induced deformations, along with movements around shallow soft ground main tunnels and connection tunnels. During sequential excavations, temporary and permanent shotcrete lining was also simulated. The soil behavior is assumed to be governed by an elastic-perfectly plastic constitutive relation based on the Mohr&ndash / Coulomb criterion. The computed deformations around these openings have been compared with the in-situ measurements. The results of the study revealed that the 3-D elasto-plastic analyses yield comparably good correlation with the in-situ measurements. Also, in this study, the effects of main tunnels excavations on each other and the effects of connection tunnels excavations on main tunnels were identified in terms of ground deformations. In order to simulate induced surface settlement due to groundwater withdrawal at the site 3-D fully coupled (fluidmechanical) numerical models were run using different time durations. The model studies revealed that deformations monitored at the ground surface are directly related with the tunnel construction practice. Pumping groundwater has very little or no effect on the measured deformations.

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s'est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l'OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l'hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l'analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l'efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress - BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L'approche Euler-Lagrange dite " particle tracking " a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l'aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n'étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l'efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes

On s'intéresse dans ce travail à l'aspect tridimensionnel (3D) de la propagation sonore en milieux océaniques petits fonds dans le cadre des problèmes inverses. Les problèmes inverses en acoustique sous-marine se basent sur la modélisation bidimensionnelle (2D) de la propagation, ignorant ainsi les effets de réfraction horizontale, qualifiés d'effets 3D. Toutefois, la propagation acoustique en environnements petits fonds, tels le plateau continental, peut être affectée par des effets 3D, leur prise en compte nécessitant l'utilisation de modèles pleinement 3D. Une inversion basée sur un modèle 3D devient inabordable pour plus de deux paramètres à la fois en raison de temps CPU particulièrement élevés. L'objectif de ce travail est d'examiner l'importance des effets 3D sur la performance et la fiabilité des procédures d'inversion habituellement utilisées dans les problèmes de l'acoustique sous-marine. Pour cela, on se place dans un guide d'onde océanique à géométrie inclinée. Des expérimentations à échelle réduite sont menées afin d'identifier et d'interpréter les effets 3D. Une procédure d'inversion par champs d'onde adaptés, formulée dans un cadre Bayesien et basée sur la recherche exhaustive dans l'espace des paramètres, est élaborée. L'inversion s'effectue en comparant des données basse fréquence du champ acoustique, recueillies le long d'antennes linéaires verticales ou horizontales, aux répliques générées par des modèles d'équation parabolique 2D et 3D. Les paramètres importants sont identifiés au moyen d'une étude de sensibilité de la fonction de coût. Dans une étape préliminaire, la performance de l'inversion est étudiée, sur données synthétiques bruitées, dans un cas simple permettant l'utilisation de modèles 2D. Une stratégied'inversion en sous-espaces résultant en une réduction importante des temps CPU pour l'inversion, est examinée. L'inversion est ensuite abordée en présence d'un fond incliné. La possibilité et les limites d'une inversion basée sur un modèle 2D sont explorées. Cette approche, mise en œuvre sur données synthétiques, met en évidence la pertinence de l'utilisation de modèles 2D en champ relativement proche. Une inversion basée sur un modèle 3D n'étant alors nécessaire que pour la pente, des temps CPU raisonnables sont ainsi réalisés. En revanche, en champ lointain, nous sommes confrontés à un risque potentiel d'estimation erronée et le recours à une modélisation 3D devient nécessaire.

This dissertation presents an investigation of micromachined three-dimensional microelectrode arrays (3-D MEAs) targeted toward in-vitro and in-vivo biomedical applications. Current 3-D MEAs are predominantly silicon-based, fabricated in a planar fashion, and are assembled to achieve a true 3-D form: a technique that cannot be extended to micro-manufacturing. The integrated 3-D MEAs developed in this work are polymer-based and thus offer potential for large-scale, high volume manufacturing. Two different techniques are developed for microfabrication of these MEAs - laser micromachining of a conformally deposited polymer on a non-planar surface to create 3-D molds for metal electrodeposition; and metal transfer micromolding, where functional metal layers are transferred from one polymer to another during the process of micromolding thus eliminating the need for complex and non-repeatable 3-D lithography processes. In-vitro and in-vivo 3-D MEAs are microfabricated using these techniques and are packaged utilizing Printed Circuit Boards (PCB) or other low-cost manufacturing techniques. To demonstrate in-vitro applications, growth of 3-D co-cultures of neurons/astrocytes and tissue-slice electrophysiology with brain tissue of rat pups were implemented. To demonstrate in-vivo application, measurements of nerve conduction were implemented. Microelectrode impedance models, noise models and various process models were evaluated. The results confirmed biocompatibility of the polymers involved, acceptable impedance range and noise of the microelectrodes, and potential to improve upon an archaic clinical diagnostic application utilizing these 3-D MEAs.

The Enigma of Appearances is an examination into the medium of three-dimensional photography, with particular focus on the technique of stereoscopy. Invented in the mid-Victorian era, stereoscopy was an attempt to simulate natural three-dimensional perception via a combination of optics, neurology, and a pair of dissimilar images. Whilst successful in producing a powerful illusion of spatial depth and tangibility, the illusion produced by stereoscopy is anything but ??natural??, when compared to three-dimensional perception observed with the naked eye. Rather, stereoscopic photography creates a strange and unnatural interpretation of three-dimensional reality, devoid of atmosphere, movement and sound, where figures appear frozen in mid-motion, like waxwork models, or embalmed creatures in a museum. However, it is precisely stereoscopic photography??s unique and enigmatic interpretation of three-dimensional reality, which gives it its strength, separating it from being a mere ??realistic?? recording of the natural world. This thesis examines the unique cultural position that stereoscopy has occupied since its invention in 1838, from its early role as a tool for the study of binocular vision, to its phenomenal popularity as a form of mass entertainment in the second half of the 19th century, to its emergence in contemporary fine art practice in the late 20th and 21stt centuries. Additionally, The Enigma of Appearances gives a detailed analysis of the theory of spatial depth perception; it discusses the dichotomy between naturalia versus artificialia in relation to stereoscopic vision; and finally, traces the development of experimental studio practice and research into stereoscopic photography, undertaken for this MFA between 2005 and 2007. The resulting work, Camera Mortuaria (Italian for ??Mortuary Room??), is a powerful and innovative series of anaglyptic portraits, based upon an experimental stereoscopic technique that enables the production of extreme close-up three-dimensional photography. Applying this technique to the reproduction of the human face in three-dimensional form, Camera Mortuaria presents a series of ??photo sculptures??, which hover between reality and illusion, pushing the boundaries of stills photography to the limit, and beyond.

En raison de leurs multiples avantages, les systèmes mécatroniques sont largement utilisés dans la réhabilitation physique de diverses pathologies, en particulier de l'articulation du genou. Bien que la littérature fasse état d'une variété de ce type de systèmes, nous pouvons dire qu’ils ont encore de nombreux problèmes techniques et faiblesses et qu’il n'existe actuellement aucun dispositif en mesure de satisfaire pleinement les besoins de rétablissement des patients. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse a été axé sur la recherche, la conception et la mise en œuvre d'une remise en état d'origine mécatronique de l'articulation du genou. Le système développé est destiné à tous les groupes sociaux et constitue une alternative moderne à la réadaptation médicale traditionnelle. Le système de réadaptation mécatronique a été mis en œuvre comme une solution originale, intégrée, efficiente et efficace, et offre des solutions techniques pour tous les problèmes signalés concernant les systèmes mécatroniques actuelles de la récupération médicale. L'originalité de ce système est mis en évidence par les fonctionnalités clés suivantes: la conception, les applications, le traitement personnalisé pour chaque patient, les méthodes de commandement et de contrôle, les protocoles de communication avec rétroaction du patient, les exigences de sécurité par rapport à l’interaction du patient avec le système mécatronique, la simplicité et la portabilité. Les résultats expérimentaux obtenus au cours des essais réalisés sur des sujets sains et des patients montrent: les meilleurs résultats sont obtenus en ce qui concerne le mouvement, la récupération articulaire, la qualité de la sécurité et la thérapie du patient ; le système offre le traitement le plus efficace pour la récupération de l'articulation du genou et il est en mesure d'assurer , en outre, la rééducation fonctionnelle des autres articulations du membre inférieur (la hanche et la cheville), applicable à une technique de reprise en boucle fermée: diagnostic - traitement - rétroaction du patient; le système permet un enregistrement en temps réel du progrès de la récupération du patient et aussi un base de données qui stocke l'évolution du patient; aussi, le système conçu peut successivement récupérer les deux jambes ; le système mécatronique évalue le rétablissement du patient en tenant compte des changements de positions angulaires et des forces normales et tangentielles développées au cours de l'interaction entre le pied humain et un système de récupération ; les valeurs obtenues des forces normales et tangentielles peuvent mettre en évidence la gravité de la maladie et le progrès de la réadaptation ; de même, ces valeurs peuvent être utilisées pour calculer le moment total développée dans l'articulation du genou mais aussi fournir des informations précieuses sur l'instabilité du genou ; le système mécatronique réduit le rétablissement médical du patient et accélère considérablement sa guérison. / Mechatronic systems are widely used in physical rehabilitation of various pathologies, especially of the knee joint, because of their multiple benefits. Although the literature notes a variety of such kind of systems, we can say that, they still have many technical problems and deficiencies and currently there is no device which is able to fully satisfy the need of patient recovery. In this context, the general objective of this thesis was focused on researching, designing and implementing an original mechatronic rehabilitation of the knee joint. The developed system is intended for all social groups and is a modern alternative to traditional medical rehabilitation. The rehabilitation mechatronic system was implemented as an original solution, integrated, efficient and effective, and offers some technical solutions for all the reported problems of the currently medical recovery mechatronic systems. The system’s originality is highlighted by the following key features: design; applications; personalized treatment to each patient; methods of command and control; communication protocols with feedback from the patient; safety requirements for the patient interaction with the mechatronic system, simplicity and portability. The experimental results achieved during the tests on healthy subjects and patients show: best results are obtained concerning the movement, joint recovery, quality of therapy and patient safety; the system provides the most effective treatment for the knee joint recovery and it is able to ensure, in addition, the functional rehabilitation of the other joints of the lower limb (hip and ankle); applies a closed loop technique recovery: diagnosis - treatment - feedback from the patient; allows a real time recuperative progress recording of the patient and also a database that stores the patient’s evolution; can successively recover the both legs; the mechatronic system evaluates the patient's recovery based on joint angular positions changes and the normal and tangential forces developed during the interaction between the human foot and recovery system; the obtained values of the normal and tangential forces can highlight the disease’s gravity and the rehabilitation progress; the values of normal and tangential forces can be used to calculate the total moment developed in the knee joint, but can also provide valuable information about knee instability; the mechatronic system reduces the patient's medical recovery and accelerates considerably its healing.