Depuis l'émergence des techniques d'imagerie, IRM, tomographie, il est maintenant possible d'observer directement l'organisation géométrique de systèmes tels l'os, le ciment, le papier, le verre, les roches. Comme les propriétés physiques et mécaniques dépendent de l'organisation géométrique, il existe un intérêt scientifique et industriel de comprendre et de définir cette relation de dépendance à l'aide de ces techniques d'imagerie. S'inscrivant dans ce contexte, le but de cette thèse est de développer un ensemble d'outils numériques pour l'analyse d'image de la géométrie d'un matériau, puis d'appliquer ces outils dans l'étude de l'évolution de la porosité de la pâte de ciment. En première partie, nous présentons les deux techniques d'imageries sélectionnées, la microscopie électronique à balayage et la tomographie par synchrotron, pour l'analyse de la pâte de ciment et le protocole expérimental pour la préparation des échantillons. En deuxième partie, nous proposons une méthodologie générique, efficace et simple de segmentation. La segmentation est la transformation de l'image en niveaux de gris en une image labellisée où chaque label représente une phase du matériau. L'implémentation de l'ensemble des algorithmes optimisés associés à cette méthodologie est rendue possible grâce à la conceptualisation théorique de la croissance de régions. En dernière partie, nous quantifions statistiquement la morphologie et la topologie de la géométrie du matériau. Puis, nous décomposons une phase en éléments élémentaires suivant deux conventions: l'une morphologique, l'autre topologique. Enfin, nous utilisons l'information stéréologique estimée sur une coupe 2D pour reconstruire un modèle 3D à l'aide de l'algorithme optimisé du recuit simulé. Une validation de la reconstruction 3D est effectuée par un suivi des propriétés de transport diffusif.

Les techniques de reconstruction 3d sont devenues incontournables pour des applicationstelles que la caractérisation et l'analyse de surfaces. Les travaux réalisés au coursde cette thèse ont pour objectif d'améliorer la qualité des reconstructions 3d par stéréophotométrie.Cette méthode repose sur deux principes, l'inversion d'un modèle d'interactionlumière/matière (BRDF) et la configuration d'un système d'éclairage et de prises de vues.Pour des surfaces diffuses, la stéréo-photométrie est réalisée à partir d'un minimum detrois images acquises d'un point de vue fixe pour des directions d'éclairages différentes.Son avantage est d'extraire simultanément les propriétés géométriques et colorimétriquesdes surfaces analysées même en cas de forte rugosité. Néanmoins, son application exige laformulation de plusieurs hypothèses qui sont difficilement respectables dans un contexteréel. Ceci génère des erreurs significatives dans les reconstructions. Pour les réduire, nousproposons différentes contributions qui s'articulent autour de la prise en compte globale de lachaine d'acquisition. Les apports de nos travaux se situent aux niveaux de la caractérisationet de la modélisation du système d'éclairage, du capteur d'acquisition et de l'améliorationde la qualité des images. Nous nous sommes aussi intéressés à l'optimisation des protocolesde prises de vues dans le cas de spécularité surfacique ou d'ombrage dus à la présence derugosité. Les résultats obtenus montrent que la prise en compte de ces caractéristiques dansl'inversion d'un modèle de BRDF permet une nette amélioration des reconstructions et offrela possibilité de réduire la taille des systèmes d'acquisition. / Tridimensional reconstruction method has become essential for applications suchas the characterization and analysis of surfaces. In this thesis, aims are to increase the qualityof 3d reconstructions by photometric stereo. This method is based on two principles, reversinglight-matter interaction model and configuration of a lighting system. With diffuse surfaces,the photometric stereo use three captured images from a fixed point of view for differentillumination directions. Its main advantage is to extract the color and geometric propertiesfor the textured rough surfaces. However, its application requires to make assumptions thatare not credible in real cases. This problem generates significant errors in the reconstructions.To reduce them, we offer various solutions around the overall consideration of the acquisitionchain. Our contribution focuses on the characterization and modeling of the lighting system,the acquisition sensor and improved image quality. We are also interested to optimize acquisitionprotocol in the case of specular surface or shading due to the surface geometry. Ourresults show that the inclusion of these features in the inversion of a BRDF model allowsan improvement of 3d reconstructions as well as the possibility of reducing the size of theacquisition systems.

L'étude de l'apparence de surfaces par analyse photométrique est un domaine de recherche actif, avec de nombreuses applications par exemple pour étudier de la qualité de surfaces, la rugosité des objets, leur apparence, etc. Le sujet de cette thèse concerne plus particulièrement l'étude de surfaces opaques, par l'acquisition de la géométrie et de la réflectance. Cela nous a conduit à une analyse des modèles mathématique de réflectance, permettant de représenter les matériaux. Afin d'offrir une description physiquement plausible des matériaux opaques, notre première contribution principale concerne la mise en oeuvre d'un modèle à base de microfacettes Lambertiennes interfacées. Il généralise différents modèles de la littérature incluant des surfaces planes diffuses ou spéculaires et rugueuses diffuses ou spéculaires grâce à trois paramètres physiques : couleur, rugosité et indice de réfraction. Il permet de prendre en compte la transmission des flux lumineux pénétrant sous la surface ainsi que les réflexions multiples entre microfacettes et de restituer les effets de rétrodiffusion lumineuse et d’anisotropie. Notre seconde contribution principale concerne la réalisation d'un système complet d'acquisition de la géométrie et de la réflectance d'objets à partir d'images HDR. Notre méthodologie correspond à une chaîne de reconstruction complète et automatique, uniquement à partir d'images, permettant d'obtenir un niveau de précision intéressant et un faible coût de mise en place et de temps de traitement comparé aux méthodes existantes. Notre méthode permet d'extraire des échantillons de réflectance suffisamment nombreux pour identifier les paramètres de modèles de réflectance avec les données acquises. / The study of surface appearance by photometric analysis is an active area of research, with various applications concerning the analysis of surface roughness or appearance ... The subject of this PhD dissertation relates to the study of opaque surfaces, through the acquisition of their geometry. Our study leads us to an analysis of mathematical reflectance models, for representing materials appearance. To provide a physically plausible description of opaque surfaces, the first major contribution concerns the implementation of a model based on Lambertian interfaced microfacets. This model generalizes several approaches often referenced in the literature, and includes flat diffuse or specular surfaces as well as diffuse or specular microfacets with three physically-based parameters: color, roughness and refractive index. It makes it possible to take into account the transmission of the light flux entering below the surface as well as multiple reflections between microfacets, while handling backscattering and anisotropy. The second main contribution of this work concerns the impolementation of a complete acquisition system for estimating geometry and reflectance from HDR images. Our methodology is based on a complete and automatic reconstruction framework, achieving a higher level of precision, a lower cost of implementation and a shorter processing time compared to photometry-based existing methods.

Le bruit peut avoir un rôle bénéfique sur les processus non linéaires en charge du traitement de l'information. Depuis quelques années, des études dans divers domaines mettent en évidence différents mécanismes par lesquels cet effet de bruit utile se produit. Dans ce mémoire, nous montrons de nouveaux mécanismes d'amélioration par le bruit en traitement du signal et en imagerie, plus particulièrement dans les réseaux de capteurs et dans les systèmes d'imagerie cohérente. L'analyse de ces mécanismes est réalisée au moyen d'études analytiques, de simulations numériques et de mises en oeuvre expérimentales. Nous prenons en compte les non-linéarités avec seuil et saturation présentes dans les processus considérés, en interaction avec différents mélanges signal–bruit. Ces travaux peuvent avoir une portée dans des domaines variés tels que l'électronique ou l'imagerie optique. Nous étudions également l'influence du bruit sur le traitement de l'information par les processus neuronaux.