Les objectifs technologiques de l'industrie de la microélectronique sont largement dictés par la loi de Moore qui vise une réduction permanente de la taille des transistors. Depuis peu l'intégration tridimensionnel de composant actif se présente comme une voie d'intégration alternative à la loi de Moore. Selon cette stratégie, les composants sont interconnectés selon l'axe verticale au moyen de plots de cuivre et d'un alliage à base d'étain (SnAgCu). L'assemblage est alors réalisé par un brasage eutectique de l'alliage SnAgCu qui génère une formation de composés intermétalliques (Cu6Sn6 et Cu3Sn) à l'interface entre les plots de cuivre et l'alliage. Or, ces composés intermétalliques sont parfois décrits dans la littérature comme facteur affaiblissant la fiabilité mécanique de l'interconnexion. Par ailleurs cette réactivité interfaciale s'accompagne de l'apparition microcavités de type trous Kirkendall susceptibles d'être à l'origine de ruptures d'interconnexions notée lors de tests de vieillissement. Ce mémoire est consacré à la caractérisation métallurgique du système d'interconnexion par brasage dont les dimensions sont celles des prototypes actuels c'est-à-dire 25µm. L'étude se concentrera successivement sur les aspects relatifs à la microstructure de l'alliage SnAgCu, à la réactivité interfaciale des systèmes Cu/SnAgCu et Ni/SnAgCu puis à la fiabilité mécanique du système d'interconnexion. Ces thématiques seront investiguées en fonction de la contrainte thermique et au cours des différentes étapes d'intégration jusqu'à l'assemblage de composant. Le caractère critique de la problématique réside dans le fait que les dimensions du système, déjà faibles, ont vocation à se réduire, rendant de plus en plus importante la proportion du volume de l'alliage occupée par ces formations interfaciales. / Technological roadmap of the microelectronic industry is mainly described by Moore'slaw which aims a constant reduction of transistors size. Three-dimensional integration ofactive chips appears more and more as an alternative way to Moore's law. According to thisstrategy, chips are interconnected along the vertical axis thanks to copper pillars and a tinbased alloy (SnAgCu).The joining is then performed through eutectic bonding using aSnAgCu solder alloy which is at the origin of intermetallic compounds growing at the copperalloy interface. These intermetallic compounds are sometimes described in literature asweakening factor of the interconnection mechanical reliability. Moreover this interfacialreactivity leads also to the formation of Kirkendall microvoids potentially causinginterconnections breakings, mostly noticed during ageing tests.This report is dedicated to the study and metallurgical characterization of theinterconnection system with a size close to that of the actual prototypes which is 25μm. Thestudy is successively focused on SnAgCu alloy microstructure, Cu/SnAgCu and Ni/SnAgCuinterfacial reactivity and on the mechanical reliability of interconnection system. These topicsare investigated in function of thermal constraints and during different integration steps untilchips packaging. The main critical aspect is related to the fact that system dimensions, alreadysmall, are planned to be reduced, leading to a more important proportion of the solder alloyconsumed by interfacial reaction.

This paper describes a methodology to assess the energy performance of residential buildings starting from the semantic 3D city model of Vienna. Space heating, domestic hot water and electricity demand are taken into account. The paper deals with aspects related to urban data modelling, with particular attention to the energy-related topics, and with issues related to interactive data exploration/visualisation and management from a plugin-free web-browser, e.g. based on Cesium, a WebGL virtual globe and map engine. While providing references to existing previous works, only some general and introductory information is given about the data collection, harmonisation and integration process necessary to create the CityGML-based 3D city model, which serves as the central information hub for the different applications developed and described more in detail in this paper. The work aims, among the rest, at developing urban decision making and operational optimisation software tools to minimise non-renewable energy use in cities. The results obtained so far, as well as some comments about their quality and limitations, are presented, together with the discussion regarding the next steps and some planned improvements.

La mégacaryopoïèse regroupe l’ensemble des processus de différenciation et de maturation des mégacaryocytes (MKs) dans le but de produire des plaquettes capables d’arrêter les saignements. Or ces mécanismes sont mal connus. Afin de mieux les comprendre, nous avons mimé l’environnement médullaire in vitro, en 3D à l’aide d’un hydrogel de rigidité comparable à celle de la moelle osseuse. Dans cette étude nous avons: i) caractérisé le comportement physique de l’hydrogel de méthylcellulose et mis au point la culture de progéniteurs mégacaryocytaires dans ce système, ii) montré la capacité du MK à ressentir les contraintes physiques de son environnement, ainsi que, iii) l’impact de ces contraintes sur la maturation des MKs et la génération des proplaquettes, et enfin, iv) mis en évidence l’existence d’une réponse cellulaire des MKs à la rigidité. Les MKs sont « mécanosensibles », c’est-à-dire capables de ressentir les modifications physiques de leur environnement et de s’y adapter. L’activation de voies de mécanotransduction (dont MKL1) et la réorganisation du cytosquelette en réponse aux contraintes physiques extracellulaires favorisent la maturation des MKs, en termes de ploïdie, d’ultrastructure et in fine de génération de proplaquettes. / Megakaryopoiesis is the process of differentiation and maturation of megakaryocytes (MKs) in the aim to produce platelets able to prevent hemorrhages. These mechanisms are not well known. To better understand the process of platelet formation, we mimicked the medullar microenvironment in vitro, in 3D using hydrogel of stiffness comparable to the bone marrow. In this study we: i) characterized the physical properties of the hydrogel and design the culture of hematopoietic progenitors in this system, ii) showed the MKs ability to feel the physical constraints of their environment, then iii) showed the impact of these constraints on the MK maturation and proplatelet generation, and finally iv) highlighted the MK response to stiffness. MKs are “mecanosensitives”, being able to feel and to adapt to the physicals modifications of the environment. The activation of mechanotransduction pathways (including MKL1) and the cytoskeleton reorganization in response to extracellular physical constraints improves MK maturation, in terms of ploïdy, ultrastructure and ultimately proplatelet generation.

Ce travail de thèse présente un nouveau modèle de projection pour les cameras fisheye, qui est mathématiquement simple et pourtant montre une haute précision une fois appliqué aux caméras réelles. Les propriétés géométriques de ce modèle ont été analysées en utilisant le concept de surface de projection, introduit dans ce travail. En particulier, une inverse analytique de ce modèle a été établie, ainsi qu'une équation implicite des projections de lignes droites. Cette dernière nous a permis de développer une méthode de reconstruction 3D directe basée vision pour les caméras fisheye sans rectifier les images. Cela a été fait grâce à une algorithme de rastérisation de courbes implicites. Cet algorithme de reconstruction nous permet d'employer le Semi-Global Matching pour obtenir une reconstruction 3D précise. Tous ces éléments ont été employés dans un système de localisation visuelle directe avec deux méthodes de recalage d'images : minimisation d'erreur photométrique et maximisation d'information mutuelle. L'étalonnage intrinsèque et extrinsèque d'un robot mobile équipé de caméras fisheye a été considéré et une toolbox d'étalonnage a été développée. / This thesis presents a novel projection model for fisheye cameras, which is mathematically simple and yet shows a high precision when applied to real cameras. Geometric properties of the model have been analyzed using the concept of projection surface, introduced in this work. In particular, a closed-form inverse mapping and an implicit equation for straight line projection have been found. This fact has been used to develop a method of direct stereo correspondence on raw fisheye images via rasterization of implicit curve. This correspondence algorithm allows us to apply the Semi-Global Matching algorithm to get an accurate 3D reconstruction using fisheye stereo systems. All these elements have been shown to be applicable to a direct visual localization system with two different methods of image registration: direct photometric error minimization and mutual information maximization. Intrinsic and extrinsic calibration of a mobile robot with fisheye cameras has been considered and a toolbox for such a calibration has been developed.

Depuis le début XXIème siècle, les documents d’urbanisme s’attèlent à « reconstruire la ville sur la ville » et même à densifier le bâti existant. Or, non seulement les aspirations de la population ne vont pas nécessairement dans le même sens, mais encore, ce mode de construction implique une connaissance fine du volume urbain. L’attente de nouvelles méthodes d’analyse des territoires, combinant 2D et 3D, est forte dans le domaine de l’aménagement du territoire afin de densifier les espaces urbains et combler les vacuités tout en surélevant le bâti existant, et en respectant les principes d’un développement urbain durable soucieux de la qualité de vie. Cependant, les méthodes utilisées à ce jour à des fins de recherche fondamentale ou appliquée en aménagement, intègrent peu la 3D, c’est à dire la dimension verticale des éléments géographiques, naturels ou anthropiques. Le travail de recherche envisagé dans la thèse a pour objet l’intégration de la 3D dans l’analyse spatiale à l’aide de SIG, de l’analyse d’image et de l’analyse morphologique afin de proposer des nouvelles méthodes et des outils utiles aux acteurs du territoire. / Since the beginning of the 21 century the urban planning documents are focused on the “reconstruction of the city inside the recent city territory” and results in the densification of the urban structure (e.g. elevating existing buildings or increasing compactness). However, this construction mode needs a detailed understanding of the urban volume. To meet this demand, new analysis methods are strongly desired, integrating 2D and 3D in urban planning. This might allow density increase in decaying inner urban areas while respecting the social sustainable development and enhancing the quality of life. However the currently used methods used in fundamental science or applied science rarely include the third dimension in their consideration; more detailed the vertical axis of geographical, natural or anthropogenic elements.The here presented thesis is dedicated to the integration of the 3D methods into the urban planning by the help of analysis with applied geographic information systems (GIS). The work focuses on image and morphology analysis for developing new methodologies and tools dedicated to different decision makers in urban context.

Les travaux de cette thèse s'intéressent aux problèmes de performance et de coût des architectures MPSoC à base de NoC, en tirant parti des possibilités offertes par les technologies d'intégration 3D. Plusieurs contributions originales sont proposées. Tout d'abord, une étude approfondie à propos des différentes granularités de partitionnement au sein des circuits 3D est réalisée. En se basant sur cette analyse, ce travail de thèse est orienté aux architectures 3D partitionnées au niveau des blocs macroscopiques. Ainsi, la contribution de l'intégration 3D est limitée aux interconnexions verticales inter-blocs. Afin d'améliorer les performances de ces interconnexions, une topologie hiérarchique de NoC est proposée pour diminuer la latence et augmenter le débit des communications au sein des architectures 3D partitionnées au niveau des macro-blocs. D'autre part, un modèle au niveau du système est présenté pour évaluer et comparer les coûts des différentes options technologiques de l'intégration 3D. Partant de cette évaluation, nous proposons une architecture multiprocesseur reconfigurable empilable pour les applications de télécommunication 4G, en tenant compte des problèmes de coût. / This PhD research is intended to deal with cost and performance issues of NoC-based MPSoC architectures by taking advantage of the opportunities offered by 3D integration technologies. Several original contributions are proposed. First, a deep investigation of the different partitioning granularities within 3D circuits is performed. Based on this analysis, this PhD work is oriented to focus on core-level partitioned 3D architectures, and then to restrict the contribution of 3D stacking to the global inter-block vertical interconnections. To enhance the performance of global interconnect architectures, a hierarchical NoC topology is proposed to improve communication latency and throughput within core-partitioned 3D architectures. On the other hand, a system-level cost analysis model is presented to assess and compare several 3D integration technology options. Based on this evaluation, we propose a cost-aware stackable reconfigurable multiprocessor NoC-based architecture to address the requirement of 4G telecom applications.

Biofilms are microbial communities developing at the interface between two phases, usually solidliquid, where the micro-organisms are nested in a self-secreted polymer matrix. The biofilm mode of growth is predominant in nature (for e.g. the slimy matter forming on rocks at river bottoms, the viscous deposit in water pipes or even dental plaque) and confers a suitable environment for the development of the micro-organisms. This is particularly the case for porous media which provide favourable substrates given their significant surface to volume ratio. The multi-physical framework of biofilms in porous media is highly complex where the mechanical, chemical and biological aspects interacting at different scales are poorly understood and very partially controlled. An example is the feedback mechanism between flow, spatial distribution of the micro-organisms and the transport of nutrient (by diffusion and advection). Biofilms developing in porous media are a key process of many engineering applications, for example biofilters, soil bio-remediation, CO2 storage and medical issues like infections. Progress in this domain is substantially hindered by the limitations of experimental techniques in metrology and imaging in opaques structures. The main objective of this thesis is to propose robust and reproducible experimental methodologies for the investigation of biofilms in porous media. An experimental workbench under controlled physical and biological conditions is proposed along with a validated 3D imaging protocol based on X-ray micro-tomography (XR MT) using a novel contrast agent (barium sulfate and agarose gel) to quantify the spatial distribution of the biofilm. At first, the XR MT-based methodology is compared to a commonly used techniques for biofilm observation: one or multiple photon excitation fluorescence microscopy, here two-photon laser scanning microscopy (TPLSM). This comparison is performed on Pseudomonas Aeruginosa biofilms grown in transparent glass capillaries which allows for the use of both imaging modalities. Then, the study of uncertainty associated to different metrics namely volume, 3D surface area and thickness, is achieved via an imaging phantom and three different segmentation algorithms. The quantitative analysis show that the protocol enables a visualisation of the biofilm with an uncertainty of approximately 17% which is comparable to TPLSM (14%). The reproducibility and robustness of the XR MT-based methodology is demonstrated. The last step of this work is the achievement of a novel bioreactor elaborated by additive manufacturing and controlled by a high-performance micro-fluidic system. The experimental workbench that we have designed enables to monitor in real-time the evolution of transport properties (effective permeability), O2 concentrations and biofilm detachment by spectrophotometry, all under controlled hydrodynamical conditions. Our methodology allows to investigate the influence of biophysical parameters on the colonisation of the porous medium, for example, the influence of flow rate or nutrient concentration on the temporal development of the biofilm. In conclusion, the thesis work proposes a robust and reproducible experimental methodology for the controlled growth and 3D imaging of biofilms in porous media; while providing versatility in the control of the substrate’s micro-architecture as well as on the flow and biochemical culture conditions. To our knowledge, the scientific approach followed, along with the experimental apparatus, form the most complete methodology, at this time, for the study of biofilms in porous media.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen 3D-LightTrans ayant pour objectifs la fabrication à grande à échelle et à bas coût de pièces composites. Pour parvenir à ces objectifs, des semi-produits sous forme de tissus 3D de mèches comélées ont été réalisés. Le but de ces travaux est de caractériser le comportement mécanique de ces tissus en vue d’analyser leur formabilité et d’être en mesure de prédire leur comportement pendant les processus de mise en forme utilisés lors de la fabrication des pièces composites. Le premier objectif de ces travaux était de caractériser expérimentalement le comportement mécanique des tissus 3D. Après avoir effectué un état de l’art ayant permis de définir les types et paramètres d’essais à utiliser pour la caractérisation du comportement des tissus, l’analyse des résultats de ces différents essais a permis de mettre en évidence les spécificités du comportement des tissus 3D. Le deuxième objectif des travaux était de modéliser le comportement des tissus par une approche numérique. Le choix s’étant porté sur une approche à l’échelle mésoscopique, le comportement mécanique des mèches comélées a été caractérisé expérimentalement. Les limitations du logiciel GeoFab quant à son utilisation pour la génération de modèles CAO de mailles élémentaires de tissus 3D ont été identifiées. Des améliorations permettant de répondre à ces limitations ont été proposées et leur faisabilité démontrée. Un modèle CAO d’une sous partie de la maille élémentaire d’un des tissus a alors été généré. Après avoir modélisé le comportement des mèches comélées en se basant sur les résultats de leur caractérisation expérimentale, des premières simulations éléments finis ayant permis d’obtenir des résultats encourageants ont été réalisés. / This thesis is part of the European project 3D-LightTrans whose objectives are the large scale and low-cost manufacturing of composite parts. To achieve these goals, semi-finished products in the form of 3D fabrics of commingled yarns were produced. The purpose of this work is to characterize the mechanical behavior of these fabrics in order to investigate their formability and be able to predict their behavior during the forming processes used for the manufacturing of composite parts. The first objective of the work was to characterize experimentally the 3D fabrics mechanical behavior. A state of the art was realized in order to define the types and test parameters to use. The analysis of these test results allowed to highlight the specific 3D fabrics mechanical behaviour. The second objective of the work was to model the fabrics behavior using a numerical method. A mesoscopic scale approach having been selected, experimental characterization of the commingled yarns mechanical behavior was necessary. Then, GeoFab software limitations on its use for the generation of CAD models of 3D fabrics unit cells were identified. Improvements to address these limitations have been proposed and their feasibility was demonstrated. A CAD model of a sub part of one of the fabrics unit cell was then generated. After having modeled the commingled yarns behaviour using experimental results, finite element simulations were performed on fabric CAD model and first encouraging results were obtained.

Interactions gestuelles multi-point et géométrie déformable pour l'édition 3D sur écran tactile: Malgré les progrès en capture d'objets réels et en génération procédurale, la création de contenus pour les mondes virtuels ne peut se faire sans interaction humaine. Cette thèse propose d'exploiter les nouvelles technologies tactiles (écrans "multi-touch") pour offrir une interaction 2D simple et intuitive afin de naviguer dans un environnement virtuel, et d'y manipuler, positionner et déformer des objets 3D. En premier lieu, nous étudions les possibilité et les limitations gestuelles de la main et des doigts lors d'une interaction sur écran tactile afin de découvrir quels gestes semblent les plus adaptés à l'édition des environnements et des objets 3D. En particulier, nous évaluons le nombre de degré de liberté efficaces d'une main humaine lorsque son geste est contraint à une surface plane. Nous proposons également une nouvelle méthode d'analyse gestuelle par phases permettant d'identifier en temps réel les mouvements clés de la main et des doigts. Ces résultats, combinés à plusieurs études utilisateur spécifiques, débouchent sur l'identification d'un patron pour les interactions gestuelles de base incluant non seulement navigation (placement de caméra), mais aussi placement, rotation et mise à l'échelle des objets. Ce patron est étendu dans un second temps aux déformations complexes (ajout et suppression de matière ainsi que courbure ou torsion des objets, avec contrôle de la localité). Tout ceci nous permet de proposer et d'évaluer une interface d'édition des mondes 3D permettant une interaction tactile naturelle, pour laquelle le choix du mode (navigation, positionnement ou déformation) et des tâches correspondantes est automatiquement géré par le système en fonction du geste et de son contexte (sans menu ni boutons). Enfin, nous étendons cette interface pour y intégrer des déformations plus complexe à travers le transfert de vêtements d'un personnage à un autre, qui est étendu pour permettre la déformation interactive du vêtement lorsque le personnage qui le porte est déformé par interaction tactile. / Multi-touch gesture interactions and deformable geometry for 3D edition on touch screen: Despite the advances made in the fields of existing objects capture and of procedural generation, creation of content for virtual worlds can not be perform without human interaction. This thesis suggests to exploit new touch devices ("multi-touch" screens) to obtain an easy, intuitive 2D interaction in order to navigate inside a virtual environment, to manipulate, position and deform 3D objects. First, we study the possibilities and limitations of the hand and finger gestures while interacting on a touch screen in order to discover which gestures are the most adapted to edit 3D scene and environment. In particular, we evaluate the effective number of degrees of freedom of the human hand when constrained on a planar surface. Meanwhile, we develop a new gesture analysis method using phases to identify key motion of the hand and fingers in real time. These results, combined to several specific user-studies, lead to a gestural design pattern which handle not only navigation (camera positioning), but also object positioning, rotation and global scaling. Then, this pattern is extended to complex deformation (such as adding and deleting material, bending or twisting part of objects, using local control). Using these results, we are able to propose and evaluate a 3D world editing interface that handle a natural touch interaction, in which mode selection (i.e. navigation, object positioning or object deformation) and task selections is automatically processed by the system, relying on the gesture and the interaction context (without any menu or button). Finally, we extend this interface to integrate more complex deformations, adapting the garment transfer from a character to any other in order to process interactive deformation of the garment while the wearing character is deformed.

Ces travaux de thèse concernent la conception d’un dispositif de restitution sonore léger en salle usuelle, permettant la diffusion de signaux binauraux. La priorité du travail est la précision dans la reproduction du niveau et du timbre, avant la spatialisation du son. Afin d’assurer la compatibilité avec les signaux binauraux existants et pour proposer un système à faible nombre de canaux, la technologie transaurale est prise comme point de départ. Pour limiter la coloration introduite par la salle d’écoute, particulièrement gênante, il est proposé de placer les sources du système à proximité de l’auditeur afin de maximiser le rapport champ direct sur champ diffus. Ce placement inhabituel a plusieurs effets, parmi lesquels quatre ont été étudiés séparément : l’influence des filtres transauraux sur les sources électro-acoustiques, les variations inter-individuelles de morphologies, l’effet de salle et le placement de l’auditeur. Des tests d’écoute ont été réalisés pour une sélection de configurations, et les résultats ont permis d’implémenter des indicateurs objectifs représentatifs des réponses des auditeurs. La synthèse de ces indicateurs a permis de proposer trois configurations considérées comme optimales, et dont la combinaison pourrait être envisagée. / This work deals with the design of a 3D sound system involving a few number of loudspeaker and able to work inside any usual room, for reproducing binaural sounds. This system focuses on an accurate reproduction of perceived level and timbre, even before the sound spatialization. To ensure compatibility with binaural recordings and to achieve a system with a low number of loudspeakers, this work started from a transaural system. To avoid tone coloration induced by the listening room, the sound sources are placed close to the listener, thus maximizing the energy ratio between direct and diffuse fields. This has consequences on other aspects, four of which are considered separately: inter-individual morphological variations, demands on the electro-acoustic sources, room effect and misalignment of the listener. Some configurations have been evaluated in listening tests, and objective indicators are deduced from these results. The generalization allows to propose three configurations considered as optimal, and which might be combined.