Cette thèse porte sur la modélisation morphologique de matériaux cimentaires, et sur l'analyse de leurs propriétés linéaires élastiques. Dans cet objectif, des images 3D, obtenues par micro-tomographie, de matériaux cimentaires (mortier et béton) sont étudiées. Dans un premier temps, l'image de mortier est segmentée afin d'obtenir une image de microstructure réelle pour des calculs en élasticité linéaire. L'image de béton est utilisée, après traitement, pour la détermination des caractéristiques morphologiques du matériau. Un modèle aléatoire de béton est ensuite développé et validé par des données morphologiques. Ce modèle comporte trois phases qui correspondent à la matrice, les granulats et les pores. La phase des granulats est modélisée par implantation sans recouvrement de polyèdres de Poisson. Pour cela, un algorithme de génération vectorielle de polyèdres de Poisson est mis en place et validé par des mesures morphologiques. Enfin, les propriétés linéaires élastiques effectives de la microstructure de mortier et de microstructures simulées sont déterminées par méthode FFT (Fast-Fourier Transform), pour différents contrastes entre le module de Young des granulats et de la matrice. Cette étude des propriétés effectives est complétée par une analyse locale des champs dans la matrice, afin de déterminer l'arrangement spatial entre les zones de concentration de contraintes dans la matrice, et les différentes phases de la microstructure (granulats et pores). Une caractérisation statistique des champs est de plus réalisée, avec notamment le calcul du Volume Élémentaire Représentatif (VER). Une comparaison des propriétés élastiques effectives et locales obtenues d'une part sur une microstructure simulée contenant des polyèdres et d'autre part sur une microstructure contenant des sphères est de plus effectuée.

Ce manuscrit de thèse est composé de trois parties dédiées aux développements technologiques nécessaires à l'étude de la polarité et des contraintes mécaniques dans les cellules épithéliales. La première partie décrit les développements technologiques et méthodologiques qui ont été réalisés en micro-fabrication et traitement de surface, acquisition et analyse d'image, et mesure des forces de traction. La deuxième partie décrit l'étude de l'organisation spatiale du système d'adhérence des cellules épithéliales. De la régulation de leur polarité à celle de leur fonction, l'architecture des cellules épithéliales est profondément liée à leur système d'adhérence. Nous avons utilisé les micropatrons adhésifs pour contrôler la géométrie de la matrice extra-cellulaire pour examiner l'effet de l'adhérence des cellules avec la matrice sur la position des zones d'adhérence intercellulaire. Nos résultats montrent que l'organisation spatiale de l'adhérence cellule-matrice joue un rôle déterminant sur celle de l'adhérence intercellulaire. Ils montrent également que cette organisation dirige ensuite la position du centrosome et l'orientation de l'ensemble de la polarité interne. Lors d'une réorganisation spatiale de l'épithélium, comme c'est le cas au cours de la transition épithélium-mésenchyme, les systèmes d'adhérence et la polarité interne subissent tous les deux de profondes modifications. Néanmoins, les cellules semblent capables de les réguler de façon indépendante selon le type de stimulus qui induit la réorganisation. La dernière partie est une analyse des paramètres physiques impliqués dans l'architecture épithéliale. En parallèle des régulations biochimiques, les contraintes mécaniques jouent également un rôle fondamental dans la régulation des processus morphogenétiques. L'association de l'ensemble de nos développements technologiques (patterning de substrat déformable, logiciel de détection et de mesure de force, contrôle du positionnement des cellules) nous a permis d'analyser précisément les propriétés mécaniques des architectures multicellulaires. Nous avons découvert que l'organisation spatiale du système adhérence était un régulateur majeur de l'intensité et de la répartition des forces intra-cellulaires. Cette observation nous a permis de proposer une modification du modèle actuel de distribution des contraintes dans un épithélium qui prend en compte l'anisotropie des forces inter-cellulaires en réponse à l'hétérogénéité de la matrice extra-cellulaire. Ce nouveau modèle physique permet de rendre compte des positions adoptées par les cellules en réponse aux différentes géométries de la matrice extra-cellulaire. / This thesis dissertation is comprised of three major parts. The first part devotes to all the technological developments that have been realized in my thesis study. These developments in microfabrication, in image acquisition and analysis, and in the traction force analysis had solved various problems we have encountered during our study of epithelial architecture. The second part describes the study of the spatial organization of the adhesion systems in epithelia. From their polarity, their functioning, to their remodeling, the epithelial architecture is deeply linked with the adhesion systems. With the capability to well define the location of cell-matrix interaction, we examined how the intercellular adhesion was organized according to the cell-matrix adhesion. Our results highlighted the instructive role of cell-matrix adhesion in organizing the intercellular adhesion. This organization subsequently governed the internal polarity which was indicated by the centrosome positioning. During epithelial remodeling, both the adhesion system and internal polarity were subjected to modification. Nevertheless they could be regulated differently depending on the context of remodeling. The last part is focused on the physical aspect of the epithelial architecture. Apart from the biochemical signaling network, mechanical force is also a substantial ingredient in morphogenesis. Together with our techniques in micropatterning the soft gel, the development of software for traction force microscope, and our knowledge of cell-cell positioning, we were able to analyze precisely the mechanical property of the multicellular architecture. We found that the cellular contractility was modulated by the spatial organization of the adhesion system. It permitted us to complete the current physical model of epithelial geometry with an anisotropic term for contractility. This new physical model could effectively account for the cell positioning on various matrix geometries.

Les progrès technologiques récents en matière d'acquisition de données multimédia ont conduit à une croissance exponentielle du nombre de contenus numériques disponibles. Pour l'utilisateur de ce type de bases de données, la recherche d'informations est très problématique car elle suppose que les contenus soient correctement annotés. Face au rythme de croissance de ces volumes, l'annotation manuelle présente aujourd'hui un coût prohibitif. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux approches produisant des annotations automatiques qui tentent d'apporter une réponse à ce problème. Nous nous intéressons aux bases d'images généralistes (agences photo, collections personnelles), c'est à dire que nous ne disposons d'aucun a priori sur leur contenu visuel. Contrairement aux nombreuses bases spécialisées (médicales, satellitaires, biométriques, ...) pour lesquelles il est important de tenir compte de leur spécificité lors de l'élaboration d'algorithmes d'annotation automatique, nous restons dans un cadre générique pour lequel l'approche choisie est facilement extensible à tout type de contenu.<br /><br />Pour commencer, nous avons revisité une approche standard basée sur des SVM et examiné chacune des étapes de l'annotation automatique. Nous avons évalué leur impact sur les performances globales et proposé plusieurs améliorations. La description visuelle du contenu et sa représentation sont sans doute les étapes les plus importantes puisqu'elles conditionnent l'ensemble du processus. Dans le cadre de la détection de concepts visuels globaux, nous montrons la qualité des descripteurs de l'équipe Imedia et proposons le nouveau descripteur de formes LEOH. D'autre part, nous utilisons une représentation par sacs de mots visuels pour décrire localement les images et détecter des concepts plus fins. Nous montrons que, parmi les différentes stratégies existantes de sélection de patches, l'utilisation d'un échantillonnage dense est plus efficace. Nous étudions différents algorithmes de création du vocabulaire visuel nécessaire à ce type d'approche et observons les liens existants avec les descripteurs utilisés ainsi que l'impact de l'introduction de connaissance à cette étape. Dans ce cadre, nous proposons une nouvelle approche utilisant des paires de mots visuels permettant ainsi la prise en compte de contraintes géométriques souples qui ont été, par nature, ignorées dans les approches de type sacs de mots. Nous utilisons une stratégie d'apprentissage statistique basée sur des SVM. Nous montrons que l'utilisation d'un noyau triangulaire offre de très bonnes performances et permet, de plus, de réduire les temps de calcul lors des phases d'apprentissage et de prédiction par rapport aux noyaux plus largement utilisés dans la littérature. La faisabilité de l'annotation automatique n'est envisageable que s'il existe une base suffisamment annotée pour l'apprentissage des modèles. Dans le cas contraire, l'utilisation du bouclage de pertinence, faisant intervenir l'utilisateur, est une approche efficace pour la création de modèles sur des concepts visuels inconnus jusque là, ou en vue de l'annotation de masse d'une base. Dans ce cadre, nous introduisons une nouvelle stratégie permettant de mixer les descriptions visuelles globales et par sac de mots.<br /><br />Tous ces travaux ont été évalués sur des bases d'images qui correspondent aux conditions d'utilisation réalistes de tels systèmes dans le monde professionnel. Nous avons en effet montré que la plupart des bases d'images utilisées par les académiques de notre domaine sont souvent trop simples et ne reflètent pas la diversité des bases réelles. Ces expérimentations ont mis en avant la pertinence des améliorations proposées. Certaines d'entre elles ont permis à notre approche d'obtenir les meilleures performances lors de la campagne d'évaluation ImagEVAL.

Ce travail porte sur l'analyse et la caractérisation de la texture spatiale non stationnaire dans les images SAR. <br />La plupart des études considérant la texture dans les images SAR utilisent les hypothèses de stationnarité statistique et d'isotropie spatiale. Cependant, l'observation des images montre que des orientations spatiales privilégiées peuvent être présentes. De plus, la mesure à différentes positions de la fonction d'autocorrélation suggère l'emploi de modèles non stationnaires. On introduit ici un modèle paramétrique basé sur des noyaux gaussiens anisotropes pour les statistiques d'ordre deux des images d'intensité SAR. Ce modèle prend à la fois en compte le caractère non stationnaire, ainsi que la présence d'anisotropie spatiale. Ensuite, différentes méthodes d'estimation relatives à l'orientation locale dans les images SAR sont proposées, puis l'une de ces méthodes est appliquée au filtrage du speckle.

Alors que les techniques culturales sans labour sont de plus en plus utilisées par les agriculteurs, leurs effets sur les propriétés physiques du sol restent encore mal documentés en particulier lorsqu'elles sont associées à des apports d'effluents d'élevage. L'objectif de ce travail était d'évaluer l'effet du non labour associé à l'apport d'effluent d'élevage sur la structure et la perméabilité du sol en étudiant plus particulièrement le rôle de l'activité lombricienne. Ce travail repose sur un dispositif expérimental mis en place à Kerguéhennec (Bretagne, France) depuis 8 années sur lequel sont comparées six pratiques culturales croisant trois techniques de travail du sol (le labour conventionnel, le travail superficiel, le semis direct) et deux types de fertilisation (minérale et fumier de volaille). Dans une première partie de ce travail nous nous sommes intéressés aux méthodes pour quantifier les biostructures lombriciennes (galeries et déjections) et à l'impact des pratiques culturales sur leur abondance. Dans une deuxième partie nous avons mesuré l'effet conjoint des pratiques culturales et des biostructures lombriciennes sur la stabilité structurale des agrégats, la macroporosité et la perméabilité du sol au cours d'une année culturale. Ce travail démontre la difficulté de quantifier les biostructures lombriciennes, en particulier les déjections. Nous avons proposé différents indicateurs qui, lorsqu'ils sont combinés, permettent une bonne estimation de l'abondance des déjections. Nos résultats confirment que l'abondance des biostructures est augmentée en semis direct et sous apport de fumier de volaille ; nous montrons par ailleurs que ces biostructures évoluent au cours de l'année culturale sous l'effet du climat, du travail du sol et probablement de l'activité physiologique des lombriciens. Le travail du sol modifie considérablement les propriétés physiques du sol, alors que l'apport d'effluent d'élevage n'a pas d'effet. Le non labour (semis direct et travail superficiel) augmente la stabilité structurale des agrégats du sol : cette augmentation n'est pas expliquée par l'activité lombricienne. Le semis direct présente les plus faibles valeurs de macroporosité et de perméabilité du sol, alors que l'activité lombricienne y est la plus importante. Les propriétés physiques du sol évoluent au cours de l'année culturale au même titre que les biostructures. La stabilité structurale évolue sous l'effet du climat, de la même façon pour toutes les modalités étudiées. La perméabilité des sols travaillés évolue sous l'effet du climat, du travail du sol et de l'activité lombricienne. Ces différents facteurs agissent sur une classe de pores du sol, les macropores inter-agrégats de forme complexe. La perméabilité du sol sous semis direct évolue sous l'effet du climat et de l'abondance des déjections lombriciennes, sans modification significative de la taille et forme de la macroporosité du sol. Ainsi dans les conditions expérimentales de cette étude, le travail superficiel est la modalité qui présente les meilleures propriétés physiques du sol ; l'apport d'effluent d'élevage n'agit pas sur celles-ci. Ce travail met aussi en évidence le rôle important des déjections lombriciennes sur les variations à court terme de la perméabilité du sol.

La télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations globales sur les calottes polaires et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface ... ), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. Il est alors indispensable de définir des paramètres robustes et simples de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images gui a permis d' établir ces relations et qui a permis un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'âge du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'âge de la glace, et par conséquent, elle néces ite la connaissance de la différence d'âge entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. Ces datations nécessitent l'utilisation des modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz dans le névé. Les carottages réalisés dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Le traitement automatique des images issues de ces données a fourni les paramètres de structure introduits dans ces modèles. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace avec la profondeur ou l'âge de la glace. Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains ont été réalisées jusgu'à présent manuellement. Le traitement automatique d' images 2D a permis d' analyser les lois de grossissement des grains sur d' autres sites et a permis d' étudier les microstructures en terme d' évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.

Les aciers inoxydables austénoferritiques sont couramment utilisés dans l'industrie (nucléaire en particulier) pour leurs bonnes propriétés, notamment mécaniques. Cependant ces aciers sont susceptibles de "vieillir" en cours d'utilisation à des températures élevées. Comme ces propriétés (résilience, ténacité) sont souvent très dispersées et se dégradent lors du vieillissement, on cherche à les prévoir avec la plus grande précision possible. Pour ce faire on propose d'expliquer une partie de la dispersion observée sur la résilience par des paramètres mesurables, liés à la morphologie biphasée et bipercolée particulièrement complexe de ces aciers. Cette morphologie est d'abord caractérisée à partir de l'observation d'images en 2D et de la reconstitution d'une image en 3D. Parallèlement on précise la genèse de cette microstructure. Au vu des observations et analyses précédentes, les outils classiques de la morphologie mathématique peuvent être utilisés pour quantifier par analyse d'image cette structure et proposer des variables pertinentes. En utilisant un modèle paramétrique pour décrire le comportement de la résilience , on montre l'influence d'un paramètre morphologique -la finesse de la microstructure- sur cette dernière. Dans le cas des produits très vieillis -le plus important en pratique-, le manque de données disponibles ne permet pas de proposer un modèle de résilience qui tienne compte de cette variable morphologique. Un modèle mathématique de la structure 3D du matériau est enfin proposé: une chaîne de Markov homogène de processus spatiaux 3D dont l'évolution dans le temps mime la solidification. La morphologie de la microstructure est ainsi résumée à 8 paramètres. Ce modèle est susceptible d'être couplé avec un modèle de résilience pour élargir ses possibilités de prévision. Il pourrait également être utilisé pour servir de base à des modélisations ultérieures de l'endommagement et de la rupture de matériaux biphasés.

Ce travail est consacré à la caractérisation de l'anisotropie des images. Pour y parvenir, il est établi que, dans le cas de textures complexes, la mesure de l'orientation dominante comme celle de l'anisotropie dépendent fortement de l'échelle à laquelle la texture a été observée.<br />Le premier chapitre définit la notion de texture et celle d'échelle d'observation. Les différentes approches de caractérisation texturale existantes sont présentées et leur aptitude à rendre compte des phénomènes directionnels à différentes échelles d'observation est évaluée.<br />Le second chapitre présente les méthodes les plus courantes pour l'estimation de l'orientation dominante d'une texture. Un indicateur local est ensuite proposé : le Vecteur Directionnel Moyen. Il s'appuie sur des caractéristiques locales et peut être calculé à toute échelle d'observation. Ses performances sont étudiées sur des images de synthèse et sur des textures naturelles.<br />Le troisième chapitre introduit un nouvel indicateur d'anisotropie nommé Iso. Il est basé sur le calcul des différences locales des Vecteurs Directionnels Moyens obtenus à une échelle donnée. Ses performances sont comparées à celles des estimateurs classiques de dispersion directionnelle.<br />Le dernier chapitre est consacré à l'évaluation de l'anisotropie de textures complexes (microscopiques et macroscopiques) en fonction de l'échelle d'observation. Un modèle de texture complexe est construit et le comportement de l'indicateur Iso sur ce modèle est établi. L'indicateur est ensuite appliqué à la caractérisation de textures naturelles et de synthèse. Il est ensuite montré que l'évolution de cet indicateur en fonction de l'échelle d'observation fournit une courbe qui caractérise à la fois l'anisotropie de la texture traitée ainsi que la taille des différentes primitives texturales microscopiques et macroscopiques formant cette texture. L'indicateur Iso , calculé à différentes échelles, est appliqué à des textures synthétiques, à des textures de l'album de Brodatz ainsi qu'à des images de matériaux composites observés par microscopie électronique à transmission.

Cette thèse a pour sujet le développement de méthodes et de techniques permettant d'inférer l'état affectif d'une personne à partir d'informations visuelles. Plus précisement, nous nous intéressons à l'analyse d'expressions du visage, puisque le visage est la partie la mieux visible du corps, et que l'expression du visage est la manifestation la plus évidente de l'affect. Nous étudions différentes théories psychologiques concernant affect et émotions, et différentes facons de représenter et de classifier les émotions d'une part et la relation entre expression du visage et émotion sousjacente d'autre part. Nous présentons les dérivées Gaussiennes multi-échelle en tant que descripteur dímages pour l'estimation de la pose de la tête, pour la détection de sourire, puis aussi pour la mesure de l'affect. Nous utilisons l'analyse en composantes principales pour la réduction de la dimensionalité, et les machines à support de vecteur pour la classification et la regression. Nous appliquons cette même architecture, simple et efficace, aux différents problèmes que sont l'estimation de la pose de tête, la détection de sourire, et la mesure d'affect. Nous montrons que non seulement les dérivées Gaussiennes multi-échelle ont une performance supérieure aux populaires filtres de Gabor, mais qu'elles sont également moins coûteuses en calculs. Lors de nos expérimentations nous avons constaté que dans le cas d'un éclairage partiel du visage les dérivées Gaussiennes multi-échelle ne fournissent pas une description d'image suffisamment discriminante. Pour résoudre ce problème nous combinons des dérivées Gaussiennes avec des histogrammes locaux de type LBP (Local Binary Pattern). Avec cette combinaison nous obtenons des résultats à la hauteur de l'état de l'art pour la détection de sourire dans le base d'images GENKI qui comporte des images de personnes trouvées «dans la nature» sur internet, et avec la difficile «extended YaleB database». Pour la classification dans la reconnaissance de visage nous utilisons un apprentissage métrique avec comme mesure de similarité une distance de Minkowski. Nous obtenons le résultat que les normes L1 and L2 ne fournissent pas toujours la distance optimale; cet optimum est souvent obtenu avec une norme Lp où p n'est pas entier. Finalement, nous développons un système multi-modal pour la détection de dépressions nerveuses, avec en entrée des informations audio et vidéo. Pour la détection de mouvements intra-faciaux dans les données vidéo nous utilisons de descripteurs de type LBP-TOP (Local Binary Patterns -Three Orthogonal Planes), alors que nous utilisons des trajectoires denses pour les mouvements plus globaux, par exemple de la tête ou des épaules. Nous avons trouvé que les descripteurs LBP-TOP encodés avec des vecteurs de Fisher suffisent pour dépasser la performance de la méthode de reférence dans la compétition «Audio Visual Emotion Challenge (AVEC) 2014». Nous disposons donc d'une technique effective pour l'evaluation de l'état dépressif, technique qui peut aisement être étendue à d'autres formes d'émotions qui varient lentement, comme l'humeur (mood an Anglais). / In this thesis we focus on the development of methods and techniques to infer affect from visual information. We focus on facial expression analysis since the face is one of the least occluded parts of the body and facial expressions are one of the most visible manifestations of affect. We explore the different psychological theories on affect and emotion, different ways to represent and classify emotions and the relationship between facial expressions and underlying emotions. We present the use of multiscale Gaussian derivatives as an image descriptor for head pose estimation, smile detection before using it for affect sensing. Principal Component Analysis is used for dimensionality reduction while Support Vector Machines are used for classification and regression. We are able to employ the same, simple and effective architecture for head pose estimation, smile detection and affect sensing. We also demonstrate that not only do multiscale Gaussian derivatives perform better than the popular Gabor Filters but are also computationally less expensive to compute. While performing these experiments we discovered that multiscale Gaussian derivatives do not provide an appropriately discriminative image description when the face is only partly illuminated. We overcome this problem by combining Gaussian derivatives with Local Binary Pattern (LBP) histograms. This combination helps us achieve state-of-the-art results for smile detection on the benchmark GENKI database which contains images of people in the "wild" collected from the internet. We use the same description method for face recognition on the CMU-PIE database and the challenging extended YaleB database and our results compare well with the state-of-the-art. In the case of face recognition we use metric learning for classification, adopting the Minkowski distance as the similarity measure. We find that L1 and L2 norms are not always the optimum distance metrics and the optimum is often an Lp norm where p is not an integer. Lastly we develop a multi-modal system for depression estimation with audio and video information as input. We use Local Binary Patterns -Three Orthogonal Planes (LBP-TOP) features to capture intra-facial movements in the videos and dense trajectories for macro movements such as the movement of the head and shoulders. These video features along with Low Level Descriptor (LLD) audio features are encoded using Fisher Vectors and finally a Support Vector Machine is used for regression. We discover that the LBP-TOP features encoded with Fisher Vectors alone are enough to outperform the baseline method on the Audio Visual Emotion Challenge (AVEC) 2014 database. We thereby present an effective technique for depression estimation which can be easily extended for other slowly varying aspects of emotions such as mood.

Le noyau des cellules est une structure très organisée, dont l'organisation joue un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes. La compréhension des mécanismes à l'origine de cette organisation est donc essentielle à la compréhension du fonctionnement des génomes. De nombreuses expériences conduites chez la souris ont montré que les régions centromériques (RC) des chromosomes jouent un rôle dans l'organisation du noyau. L'organisation spatiale des RCs humaines est beaucoup moins étudiée, principalement à cause de la complexité des séquences qui les composent, qui rend plus difficile leur détection. Nous avons développé des outils de traitement et d'analyse quantitative d'image, qui, combinés à des nouveaux marqueurs des RCs humaines, nous ont permis de mieux décrire deux aspects de leur organisation spatiale. D'une part nous avons montré qu'elles se positionnent préférentiellement en périphérie du noyau ou aux bords des nucléoles, avec des fréquences qui dépendent des chromosomes. D'autre part nous avons montré qu'elles s'agrègent dans le noyau pour former un compartiment d'hétérochromatine, qui présente des caractéristiques similaires à celui observé dans d'autres espèces telles que la souris. Ces deux aspects sont tous deux inter-dépendants et varient au cours du cycle cellulaire. Cette description nouvelle met sur la piste de mécanismes responsables de l'organisation particulière des RCs, qui pourront être étudiés grâce à la méthode d'analyse et aux observables que nous avons développées. L'étude de ces mécanismes permettra de mieux comprendre la fonction des RCs humaines dans l'organisation du noyau.