Une des applications de l’échographie médicale est celle de l’ophtalmologie qui pose de nombreux problèmes spécifiques liés en partie à la faible dimension de l’oeil et à la précision importante que requièrent les mesures intraoculaires. En effet, avec le développement de la chirurgie réfractive qui regroupe ensemble des techniques capables de corriger les erreurs de réfraction et l’avènement des implants intraoculaires, le chirurgien ophtalmologiste est amené à surveiller la tolérance et les effets secondaires de ces implants sur les structures du segment antérieur. L’échographie à haute fréquence apporte la résolution suffisante pour cette tâche. Cependant, le développement de l’échographie 3D permet une extension des applications ophtalmologiques notamment pour le dimensionnement des implants en préopératoire. La modélisation 3D du segment antérieur permet d’étudier le comportement des implants et surtout de dessiner à terme un implant « sur mesure » pour le patient. C’est dans ce contexte que nous présentons une méthode originale de segmentation et de reconstruction 3D du segment antérieur par échographique haute fréquence en utilisant l’ajustement de modèles 3D. Nous utilisons un système échographique 3D de type main-libre, composé d’une sonde échographique haute fréquence, et d’un module de localisation actif comprenant une caméra et des marqueurs infrarouges. Ce système échographique 3D nous permet d’obtenir des images avec des informations de positionnement dans l’espace tridimensionnel associées. Nous avons ainsi pu mettre en place toute une chaîne d’acquisitions et de traitements des images échographiques. Nous créons, à partir d’images échographiques du segment antérieur oculaire, des modèles de référence 3D réalistes. Nous proposons ainsi une méthode d’ajustement de modèles 3D de référence sur des données 3D échographiques via l’utilisation de l’algorithme de recalage ICP. Nous avons également sélectionné et adapté différentes méthodes pour l’évaluation de l’approche de reconstruction proposée. Ces méthodes permettent de mettre en valeur la précision de ces reconstructions. / Ophthalmology is one of the clinical application fields of ultrasound imaging, for which numerous specific issues arise, related in part to the eye’s small anatomical dimensions combined with the high level of accuracy requirements associated with intraocular measurements. Indeed, since the development of refractive surgery including all the techniques dedicated to the correction of refractive errors, as well as the emergence of intraocular lens (IOL), ophthalmic surgeons have to monitor overall acceptance as well as secondary effects related to these implants on the structures of the anterior eye segment. High frequency ultrasound imaging provides the required spatial resolution for this task. However, the development of 3D ultrasound imaging allows for the development of new applications in ophthalmology, for instance pre-operative dimensioning of the lens. 3D modelling of the anterior eye segment therefore allows studying the IOL behaviour and may help designing future personalized IOL tailored for each patient. Within this context, we present an original 3D segmentation and reconstruction method based on 3D models registration, dedicated to the anterior eye segment acquired in high frequency ultrasound imaging. We used a 3D ultrasound free-hand acquisition system, composed of a high frequency ultrasound probe and a localization module based on a camera and infrared markers. This 3D ultrasound system provides images along with associated 3D spatial positioning information. We were therefore able to develop an entire ultrasound images acquisition and processing chain. This allowed us creating realistic reference 3D models from sequences of ultrasound images of the anterior eye segment. We thus propose a method based on the iterative closest point (ICP) algorithm for the registration of the 3D reference models to 3D ultrasound acquired data. We have also selected and adapted various methods for the evaluation of the proposed reconstruction process. These methods highlight the accuracy of the obtained reconstructions.

L'impact des interconnections d'un circuit intégré sur les performances et la consommation est de plus en plus important à partir du nœud CMOS 28 nm et au-delà, ayant pour effet de minimiser de plus ne plus la loi de Moore. Cela a motivé l'intérêt des technologies d'empilement 3D pour réduire l'effet des interconnections sur les performances des circuits. Les technologies d'empilement 3D varient suivant différents procédés de fabrication d'où l'on mettra en avant la technologie Trough Silicon Via (TSV) – Collage Cuivre-Cuivre (Cu-Cu) et 3D Monolithique. TSV et Cu-Cu présentent des diamètres d'interconnexions 3D de l'ordre de 10 µm tandis que le diamètre d'une interconnexion 3D Monolithique est 0.1 µm, c'est-à-dire cent fois plus petit. Un tel diamètre d'interconnexion créée de nouveaux challenge en terme de conception de circuit intégré numérique. Dans ce contexte, notre objectif est de proposer des méthodologies de conception de circuits 3D innovantes afin d'utiliser au mieux la densité d'intégration possible et d'évaluer efficacement les gains en performance, surface et consommation potentiels de ces différentes technologies d'empilement par rapport à la conception de circuit 2D.Trois contributions principales constituent cette thèse : La densité d'intégration offerte par les technologies d'empilement étudiées laisse le possibilité de revoir la topologie des cellules de bases en les concevant directement en 3D. C'est ce qui a été fait dans l'approche Cellule sur Buffer (Cell-on-Buffer – CoB), en empilant la fonction logique de base d'une cellule sur l'étage d'amplification. Les simulations montrent des gains substantiels par rapport aux circuits 2D. On a imaginé par la suite désaligner les niveaux d'alimentation de chaque tranche afin de créer une technique de Multi-VDD adaptée à l'empilement 3D pour réduire encore plus la consommation des circuits 3D.Dans un deuxième temps, le partitionnement grain fin des cellules a été étudié. En effet au niveau VLSI, quand on conçoit un circuit de plusieurs milliers voir million de cellules standard en 3D, se pose la question de l'attribution de telle ou telle cellule sur la tranche haute ou basse du circuit 3D afin d'accroitre au mieux les performances et consommation du circuit 3D. Une méthodologie de partitionnement physique est introduite pour cela.Enfin un environnement d'évaluation des performances et consommation des technologies 3D est présenté avec pour objectif de rapidement tester les gains possibles de telle ou telle technologie 3D tout en donnant des directives quant à l'impact des certains paramètres technologiques 3D sur les performances et consommation. / Scaling limitations of advanced technology nodes are increasing and the BEOL parasitics are becoming more dominant. This has led to an increasing interest in 3D technologies to overcome such limitations and to continue the scaling predicted by Moore's Law. 3D technologies vary according to the fabrication process which creates a wide spectrum of technologies including Through-Silicon-VIA (TSV), Copper-to-Copper (CuCu) and Monolithic 3D (M3D). TSV and CuCu provide 3D contacts of pitch around 5-10um while M3D scales down 3D via pitch extremely to 0.11um. Such high-density capability of Monolithic 3D technology creates new design paradigms. In this context, our objective is to propose innovative design methodologies to well utilize M3D technology and introduce a technology assessment framework to evaluate different M3D technology parameters from design perspective.This thesis can be divided into three main contributions. As creating 3D standard cells become achievable thanks to M3D technology, a new 3D standard cell approach has been introduced which we call it ‘3D Cell-on-Buffer' (3DCoB). 3DCoB cells are created by splitting 2D cells into functioning gates and driving buffers stacked over each other. The simulation results show gain in timing performances compared to 2D. By applying an additionally Multi-VDD low-power approach, iso-performance power gain has been achieved. Afterwards cell-on-cell design approach has been explored where a partitioning methodology is needed to distribute cells between different tiers, i.e. determine which cell is placed on which tier. A physical-aware partitioning methodology has been introduced which improves power-performance-area results comparing to the state-of-the-art partitioning techniques. Finally a full high-density 3D technology assessment study is presented to explore the trade-offs between different 3D technologies, block complexities and partitioning methodologies.

L'évolution biologique des organismes peut être étudiée comme une succession de transformations morphologiques qui sont caractérisées par le changement de leur géométrie tridimensionnelle globale et locale. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des outils mathématiques et informatiques comparatifs de formes tridimensionnelles afin d'étudier ces transformations et de pouvoir les comparer avec les variabilités inter- et intra-espèces. Dans la chaîne de traitement des données tridimensionnelles (images 3D ou maillages 3D) employée en " paléoanthropologie virtuelle ", la méthode la plus souvent utilisée en analyse comparative est basée sur des points de repère (en général, anatomiques) dont les coordonnées sont analysées à l'aide d'outils mathématiques tels que la " morphométrie géométrique ". Plus récemment, une autre classe de méthodes a été proposée. Elle permet des comparaisons globales entre les surfaces complètes de structures anatomiques sans avoir besoin de définir des points de repère. On obtient ainsi une analyse statistique de la forme moyenne et de sa variabilité en tout point. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier la chaîne d'analyse morphométrique des données 3D utilisées en paléoanthropologie, de la numérisation à l'exploitation des données par les chercheurs. Cette thèse présente des méthodes analytiques pour le traitement des données issues de la paléoanthropologie, depuis la numérisation des sites de fouilles jusqu'à l'acquisition et l'analyse des spécimens. Nous établissons des modèles numériques de terrain (analyses multidimensionnelles de données issues de différentes modalités d'acquisition telles que les scans laser et la photogrammétrie) qui permettent d'appréhender les vestiges dans leur contexte et nous proposons des analyses qui répondent à des problématiques qui sont spécifiques aux études en biologie. En particulier, nous apportons des outils d'analyse et de visualisation (cartographies 3D et analyses statistiques) pour des problématiques de déformation basées sur des recalages surfaciques. Nous proposons également une méthode d'analyse sur des données partielles afin de pouvoir exploiter l'ensemble des données disponibles dans les registres fossiles et modernes. Nos résultats mettent en évidence que les méthodes par recalage surfacique augmentent non seulement les possibilités de capter les formes et leurs variations, mais permettent également de travailler sur des formes globales et non uniquement sur certains points. Nous montrons notamment que ces méthodes permettent le développement d'outils qui sont bien adaptés pour les études en paléoanthropologie. / The biological evolution of organisms can be studied as a set of morphological transformations which are characterized by the modification of their global three- dimensional geometry and by some discrete traits. In this context, it is necessary to develop comparative mathematical and computational tools for the study of the inter- and intraspecific variation. Within the three-dimensional data processing workflow (3D images or 3D meshes) employed in " virtual paleoanthropology ", the method that is most commonly used in comparative analysis is based on landmarks (most often anatomical landmarks) from which coordinates are analyzed by using mathematical tools such as " geometric morphometrics ". More recently, other methods allowing global comparisons between three-dimensional reconstructions without landmarks have been proposed. They allow for example the statistical analysis of a global shape and its variability. We suggest to study the process for morphometric analysis of 3D data commonly used in paleoanthropology, from the digitization to the exploration of 3D data. This dissertation introduces analytical methods for the processing of data provided by paleoanthropological studies, from the digitization of the excavation sites to the acquisition and the analysis of specimens. We established digital ground models (multidimensional analyses of data from various modalities of acquisition such as laser scanner and photogrammetry) that contribute to a comprehensive understanding of fossil remains in their context and we proposed relevant analyses for resolving specific problems inherent to biological studies. In particular, we developed appropriate tools for analyses and viewing (3D mappings and statistical analyses) dedicated specifically to problems of deformation-based registrations. Additionally, we introduced a method for the analysis of partial data in order to use all the specimens available in the fossil and modern records. Besides opening up new possibilities of capturing shape variation, our results highlight that techniques based on surface registration provide a reliable methodological framework for working on global shapes without focusing on specific points. We reported in particular that these methods allow the development of tools which are particularly suitable for the paleoanthropological studies.

This master thesis is about design and construction of FDM delta 3D printer which consists of 32-bit electronics, magnetics printer head and other necessary peripheries. Opening chapters of this thesis are about theory of 3D printing and its methods with description of FDM 3D printers and summarization of FDM plastic materials used for 3D printing. The next part is about used electronics and problematic of heat transfer. The main part of this thesis describes design and construction of 3D printer and its necessary peripheries, which includes creation of its 3D model and application for 32bit controller. 3D model of delta 3D printer and its heating components was created in CAD software SolidWorks. The last part includes description of commissioning and calibration of delta 3D printer with summarization of economic aspects of its creation.

The aim of this thesis is to define the impact of rapid prototyping technology in terms of creative potential to use this technology represents a particularly sculpture and architecture. Rapid Prototyping is a generic term covering a range of technologies: 3D scan converting the already realistic three-dimensional objects in computer memory, parametric modeling, which creates three-dimensional objects based on the formative algorithms, photogrammetry method of compiling three-dimensional object from a photo, technology, 3D printing materializing after each layer objects transferred from the computer's memory. When processing the theoretical work will be explored and discussed possibilities for realization of basic three-dimensional objects using 3D technology. The second step will be to map the different methods of access to artists working with 3D technology. In the end it tried to evaluate the benefits of these technologies in the field of sculpture and architecture in terms of traditional approaches. This paper attempts to describe the possible implications and potential of this progressive field in the classical artistic disciplines such as sculpture and architecture, both in terms of benefits and in terms of the eventual negative impact with respect to increasing the availability of this technology.

Das Verständnis über visuelle Aufmerksamkeitsprozesse ist nicht nur für die Kognitionsforschung von großem Interesse. Auch in alltäglichen Bereichen des Lebens stellt sich die Frage, wie wir unsere Umwelt in unterschiedlichen Situationen visuell wahrnehmen. Entsprechende Untersuchungen können in realen Szenarien und aufgrund neuer innovativer 3D-Verfahren auch in Umgebungen der virtuellen Realität (VR) durchgeführt werden. Zur Erforschung von Aufmerksamkeitsprozessen wird unter anderem die Methode der Blickbewegungsmessung (Eyetracking) angewandt, da das Sehen für uns Menschen die wichtigste Sinnesmodalität darstellt. Herkömmliche Blickbewegungsmessungen beziehen sich allerdings überwiegend auf zweidimensionale Messebenen, wie Bildschirm, Leinwand oder Szenevideo. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, mit der dreidimensionale Blickorte und Blickbewegungen sowohl in einer realen als auch in einer stereoskopisch projizierten VR-Umgebung anhand moderner Eyetracking-Technologien bestimmt werden können. Dafür wurde zunächst in Studie I geprüft, ob die Blickbewegungsmessung durch die für eine stereoskopische Bildtrennung notwendigen 3D-Brillen hindurch möglich ist und inwieweit durch diesen Versuchsaufbau die Qualität der erhobenen Eyetracking-Daten beeinflusst wird. Im nächsten Schritt wurde zur Berechnung dreidimensionaler Blickorte das Anforderungsprofil an einen universellen Algorithmus erstellt und mit einem vektorbasierten Ansatz umgesetzt. Die Besonderheit hierbei besteht in der Berechnung der Blickvektoren anhand der Augen- bzw. Foveaposition und binokularen Eyetracking-Daten. Wie genau dreidimensionale Blickorte anhand dieses Algorithmus berechnet werden können, wurde nachfolgend in realer (Studie II) als auch stereoskopisch projizierter VR-Umgebung (Studie III) untersucht. Anschließend erfolgte die Bestimmung dreidimensionaler Blickbewegungen aus den berechneten 3D-Blickorten. Dazu wurde ein ellipsoider Fixationserkennungsalgorithmus konzipiert und implementiert. Für die dispersionsbasierte Blickbewegungserkennung waren sowohl ein zeitlicher als auch örtlicher Parameter für die Identifikation einer Fixation erforderlich. Da es noch keinerlei Erkenntnisse im dreidimensionalen Bereich gab, wurden die in Studie II und III ermittelten 3D-Blickorte der ellipsoiden Fixationserkennung übergeben und die daraus berechneten Fixationsparameter analysiert. Die entwickelte Methode der räumlichen Blickbewegungsmessung eröffnet die Möglichkeit, bislang in zwei Dimensionen untersuchte Blickmuster nunmehr räumlich zu bestimmen und grundlegende Zusammenhänge zwischen Blickbewegungen und kognitiven Prozessen dreidimensional sowohl in einer realen als auch virtuellen Umgebung zu analysieren.

Les graphes sont des modèles de représentation qui permettent de modéliser un grand nombre de type de documents. Dans cette thèse, nous nous intéressons à leur utilisation pour la recherche dans des bases de données multimédia.Nous commençons par présenter la théorie autour des graphes ainsi qu'un aperçu des méthodes qui ont été proposées pour leur mise en correspondance.Puis, nous nous intéressons plus particulièrement à leur utilisation pour la reconnaissance des formes et l'indexation multimédia.Dans le but de répondre de la manière la plus générique possible aux différents problèmes de recherche, nous proposons de travailler dans le cadre des fonctions noyaux.Ce cadre permet de séparer les problèmes liées à la nature des documents de ceux apportés par les différents types de recherche. Ainsi, toute notre énergie est consacrée à la conception de fonctions de mise en correspondance,mais en gardant à l'esprit qu'elles doivent respecter un certain nombre de propriétés mathématiques. Dans ce cadre, nous proposons de nouvelles solutions qui permettent de mieux répondre aux caractéristiques particulières des graphes issus de primitives et descripteurs visuels. Nous présentons aussi les algorithmes qui permettent d'évaluer rapidement ces fonctions. Enfin, nous présentons des expériences qui mettent en lumière ces différentes caractéristiques, ainsi que des expériences qui montrent les avantages qu'offre nos modèles vis à vis de la littérature. / Many type of documents can be modeled by a graph representation. In this thesis, we focus on theuse of graph for research in multimedia databases.We begin by presenting the theory of graphs and aroundan overview of methods that have been proposed for matching.Then, we are particularly interested in their use for recognitionforms and multimedia indexing.In order to respond in the most generic possible differentresearch problems, we propose to work within the framework of kernel functions.This framework allows to separate the problems related to the nature of the documentsthose introduced by the different types of research. Thus, all ourenergy is devoted to the design of mapping functions,but bearing in mind that they must meet a numbermathematical properties. In this context, we propose newsolutions that better meet the specificgraphs from primitive and visual descriptors. Wealso present algorithms to quickly assessthese functions. Finally, wepresent experiments that highlight thesedifferent characteristics and experiences that showadvantages of our models with respect to the literature.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

This thesis develops and describes methods for real-time tracking, segmentation and 3-dimensional (3D) model acquisition, in the context of developing games for stroke patients that are rehabilitating at home. Real-time tracking and reconstruction of a stroke patient's feet, hands and the control objects that they are touching can enable not only the graphical visualization of the virtual avatar in the rehabilitation games, but also permits measurement of the patient's performs. Depth or combined colour and depth imagery from a Kinect sensor is used as input data. The 3D signed distance function (SDF) is used as implicit shape representation, and a series of probabilistic graphical models are developed for the problem of model-based 3D tracking, simultaneous 3D tracking and reconstruction and 3D tracking of multiple objects with identical appearance. The work is based on the assumption that the observed imagery is generated jointly by the pose(s) and the shape(s). The depth of each pixel is randomly and independently sampled from the likelihood of the pose(s) and the shape(s). The pose(s) tracking and 3D shape reconstruction problems are then cast as the maximum likelihood (ML) or maximum a posterior (MAP) estimate of the pose(s) or 3D shape. This methodology first leads to a novel probabilistic model for tracking rigid 3D objects with only depth data. For a known 3D shape, optimization aims to find the optimal pose that back projects all object region pixels onto the zero level set of the 3D shape, thus effectively maximising the likelihood of the pose. The method is extended to consider colour information for more robust tracking in the presence of outliers and occlusions. Initialised with a coarse 3D model, the extended method is also able to simultaneously reconstruct and track an unknown 3D object in real time. Finally, the concept of `shape union' is introduced to solve the problem of tracking multiple 3D objects with identical appearance. This is formulated as the minimum value of all SDFs in camera coordinates, which (i) leads to a per-pixel soft membership weight for each object thus providing an elegant solution for the data association in multi-target tracking and (ii) it allows for probabilistic physical constraints that avoid collisions between objects to be naturally enforced. The thesis also explore the possibility of using implicit shape representation for online shape learning. We use the harmonics of 2D discrete cosine transform (DCT) to represent 2D shapes. High frequency harmonics are decoupled from low ones to represent the coarse information and the details of the 2D shape. A regression model is learnt online to model the relationship between the high and low frequency harmonics using Locally Weighted Projection Regression (LWPR). We have demonstrated that the learned regression model is able to detect occlusion and recover them to the complete shape.

The ease of manufacturing using additive manufacturing (3D-Printing) reduces the overall production cost compared with the traditional manufacturing techniques. Because of the benefits of 3D printing technologies, it is proposed to be used in manufacturing of different products. But there are some flaws that are causing significant effect on 3D printed models which degrades the quality of the product. Hence in order to handle these defects, different measurement techniques are needed to quantify the defects that are seen on the surface of 3D-printed models. In our study there are two experimental setups. Experimental setup one was made to find out the proper coating timing to enable measurement using two good samples without defects in different colors blue and red with same material. Different 2D and 3D parameters were used for the surface measurements are collected and noted for further research. The Defective samples are measured using the state of the art equipment at Halmstad University. Experimental setup two was made to prepare the defective samples and measure the samples. The results obtained assisted to quantify the surface defects seen in the samples. This thesis studies some of the different methods that can be implemented to measure the surface defects on the 3D printed models. A little study on the various defects formed on the 3D printed models and what are the causes for the defects on the products were performed. The results suggest different method for the defects to be measured in both industrial and home or small scale office applications.