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.

Dans une démarche d'optimisation et de maîtrise d'un bioprocédé, une préoccupation importante concerne la mesure et le suivi de l'état des cellules. Au cours de cette thèse, des mesures in situ et/ou permettant de mettre en évidence une variabilité phénotypique au sein d'une population de levures ont été recherchées. La spectroscopie d'impédance, basée sur la capacité des cellules viables à se polariser sous l'effet d'un champ électrique, a été retenue pour estimer l'état des cellules en-ligne. Pour effectuer des mesures de morphologie et de viabilité à l'échelle de la cellule, un système complet de microscopie et d'analyse d'image automatisées a été développé, en parallèle de l'utilisation d'un compteur de cellules de type Coulter. Enfin, des suivis individuels de croissance sur milieu gélosé ont été réalisés afin de caractériser la population en termes de temps de latence et de vitesse de croissance. Le procédé modèle de cette étude est la production de bioéthanol, qui expose les levures utilisées (S. cerevisiae) à d'importantes contraintes physicochimiques (température, acétate, furfural,...) qui affectent leur état physiologique et limitent l'efficacité de l'étape de fermentation. La population, homogène sur le plan cinétique dans des conditions de culture non stressantes, devient hétérogène lorsqu'une perturbation est appliquée. La mesure de cette hétérogénéité peut être utilisée comme marqueur de la sévérité du stress subi. Au cours des phases de déclin, la mort s'accompagne d'une diminution de la taille des cellules et d'une modification de leur aspect en microscopie. Ces changements permettent d'estimer la proportion de cellules viables à partir des distributions de taille obtenues avec le compteur d'une part, et l'analyse des images de microscopie d'autre part. La spectroscopie d'impédance donne une estimation fiable de la fraction volumique de cellules viables et permet de mesurer la capacitance membranaire Cm, ainsi que la conductivité intracellulaire sin, des paramètres liés à l'état de la membrane et du cytoplasme. Cm, constante tant que les cellules sont viables, s'annule à leur mort, tandis que sin varie selon la phase de culture et en réponse aux stress. / For bioprocess control and optimization, biomass monitoring and physiological state evaluation is an important issue. During this work, in situ and at-line measurements have been used to evaluate cell state and detect a phenotypic variability within a yeast population. Dielectric spectroscopy, based on the polarization of viable cell membranes exposed to an electrical field, has been selected to infer cell state on-line. In parallel with the use of a Coulter-type cell counter, a dedicated system of automated microscopy and image analysis has been developed to measure cell morphology and viability. Single-cell growth on agar medium was monitored to characterize individual cells with regard to lag-time and initial growth rate. Bioethanol production with S. cerevisiae has been chosen as a model process since the yeast cells are exposed to strong physicochemical stresses (temperature, acetate, furfural,?) which affect their physiological state and impair fermentation efficiency. The cell population, kinetically homogeneous during stress-free fermentations, became heterogeneous when a perturbation was applied. The mean and the variance of lag-time distributions were related to the stress severity. During the decline phase, cell death went along with a decrease in cell size and changes of their microscopy aspect. These changes were significant enough to infer the proportion of viable cells directly from the size distributions obtained with the cell counter or from microscopy image analysis. Dielectric spectroscopy gave reliable estimates of the viable cell volume fraction and enabled the measurements of membrane capacitance Cm and intracellular conductivity sin, parameters related to membrane and cytoplasm states. The Cm value remained constant as long as the cells were viable and dropped to zero at cell death, while sin varied significantly depending on the growth phase and in response to stress.

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.

L’atomisation texturelle désigne le mécanisme d’arrachage de gouttes à l’interface d’un écoulement liquide libre. Cemécanisme est contrôlé par les caractéristiques de l’écoulement au sortir de l’injecteur et se manifeste dans son champproche. Peu étudiée, l’atomisation texturelle est un phénomène rapide, impliquant de très petites structures ligamentaireset produisant un brouillard de très fines gouttes. Le travail de cette thèse est une étude expérimentale d’un processusd’atomisation texturelle observé sur des écoulements produits par des injecteurs cavitants. Trois atomiseurs académiquestransparents sont utilisés et des diagnostics optiques sont mis en oeuvre : la LDV (vélocimétrie doppler laser) et le PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) pour décrire l’écoulement interne et le spray, respectivement, et l’imagerie fixe à forterésolution spatiale ou à haute-cadence pour les écoulements interne et externe. Une première observation montre un lienimportant entre le régime de cavitation et le processus d’atomisation texturelle. Une analyse impliquant la mesure devariabilité de l’écoulement et du processus d’atomisation texturelle quantifie ce lien. Ici, le processus d’atomisation estdécrit par la mesure de sa distribution d’échelle. Associée au concept de système équivalent, cette analyse multi-échellepermet de produire une écriture mathématique du processus étudié. Ce résultat est sans précédent. Complété par unedescription mathématique de la distribution de taille des gouttes produites, il offre un appui nouveau pour construire unmodèle d’atomisation ligamentaires présenté dans ce travail et qui relie taille et forme des ligaments aux populations degouttes formées. Ces analyses fines amènent une meilleure connaissance du mécanisme d’atomisation étudié. Par exemple, on apprend qu’à débit fixé, la hauteur du canal d’alimentation de l’orifice de décharge n’influence pas les processus d’atomisation texturelle. Par ailleurs, un critère est établi pour identifier la plus petite échelle de déformation des ligaments impliquée dans la production des gouttes. / Textural atomization designates the mechanism of drop peeling from the interface of a free liquid flow. This mechanismis controlled by the characteristics of the flow issuing from the injector and manifests at its vicinity. Almost uninvestigated,textural atomization is a rapid phenomenon, implies very small ligamentary structures and produces a mist of fine droplets.The work of this thesis is an experimental investigation of a textural atomization process observed on flows issuing fromcavitating injector. Three academic transparent atomizers are used and optical diagnostics are implemented: LDV (LaserDoppler Velocimetry) and PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) to describe the internal flow and the spray, respectively,and still imaging at high spatial resolution or high-speed imaging for the internal and external flows. A first observation revealsa strong link between the cavitation regime and the textural atomization process. An analysis implying the measurementof the variability of the internal flow and of the atomization process quantifies this link. Here, the atomization process isdescribed by the measurement of its scale distribution. Associated with the concept of equivalent system, this multi-scaleanalysis returns a mathematical expression for the investigated atomization process. This result is unprecedented. Completedby a mathematical description of the spray drop-diameter distribution, it offers a new support to build a model of ligamentaryatomization processes presented in this work and that connects ligament size and deformation to the drop populations. Thesefine analyses provide a better knowledge of the investigated atomization process. For instance, we learn that, at fixed flowrate, the height of the inlet pipe feeding the orifice has no influence on the atomization process. Furthermore, a criterion hasbeen established to identify the smallest ligament deformation scale implied in the drop production.

Cette thèse vise à faire émerger de nouvelles descriptions de la variabilité des plissements du cortex humain en s’appuyant sur des techniques de fouilles de données. L’objectif principal est la conception d’algorithmes permettant de découvrir des motifs de plissement spécifiques à une sous-population d’individus. Le but final est de réaliser un dictionnaire de ces motifs et de les associer à des particularités cognitives ou architecturales, voire à des pathologies. Deux stratégies de « clustering » sont proposées pour mettre en évidence de tels motifs. La première repose sur des descripteurs de formes globaux correspondant aux invariants de moment 3D, la seconde repose sur l’estimation d’une matrice de distances entre chaque paire d’individus. Un algorithme de clustering dédié est conçu pour détecter les motifs les plus fréquents de manière robuste. Une technique de réduction de dimension est utilisée pour mettre en évidence les transitions entre motifs au sein de la population. Les méthodes algorithmiques proposées sont utilisées pour étudier la forme du cortex sensori-moteur d’une population de gauchers contrariés. Des résultats originaux sur le lien entre la forme du sillon central et la latéralité manuelle sont mis en évidence. Les méthodes développées sont ensuite utilisées pour construire le premier dictionnaire des motifs observés dans les plissements corticaux issu d’une approche algorithmique. / This thesis aims at proposing new descriptions of the variability of the folding of the human cortex using data mining. The main objective is the design of algorithms detecting folding patterns specific to a sub-population. The long term goal is the constitution of an exhaustive dictionary of all the folding patterns enriched with links to cognitive or architectural specificities, or to pathologies. Two clustering strategies are proposed to detect such patterns. The first one is based on global shape descriptors called the 3D moment invariants, the second one implies the computation of a pairwise distance matrix. A dedicated clustering algorithm is designed for robust detection of the most frequent patterns. A dimension reduction strategy is proposed to study the transition from one pattern to another across the population. The proposed framework is applied to the study of the shape of the sensori-motor cortex of a population of left-handers forced to write with the right hand. Original discoveries relating the shape of the central sulcus to handedness are achieved. The framework is finally used to build the first computerized dictionary of the cortical folding patterns.

Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement morphodynamique d'une plage de poche, partiellement aménagée, lors des événements de tempête. La plage de Zarautz (Espagne) a été choisie comme site d'étude en raison de son climat de vagues et de sa configuration. La plage est limitée latéralement par des falaises rocheuses. Elle présente un système dunaire sur la partie est et une digue aménagée en promenade sur le reste de la plage. Le climat de houle au large de Zarautz (bouée de Bilbao) est caractérisé par une faible variabilité directionnelle. Dans 95 % des cas, les vagues proviennent de directions comprises entre l'Ouest (O) et le Nord (N). Les conditions de vague à l'approche de la plage de Zarautz sont quasi unidirectionnelles et peuvent présenter une variabilité longitudinale. La variabilité temporelle et spatiale des barres sableuses d'avant côte, a été étudiée à partir de l'analyse d'images vidéo enregistrées quotidiennement sur une période de deux années. Les résultats montrent que d'un point de vue hydrodynamique la plage se comporte la plupart du temps comme une plage ouverte. Toutefois, elle peut également présenter une circulation de type cellulaire au cours des événements de haute énergie. La morphologie de la plage présente une grande variabilité spatiale et temporelle. On remarque également des différences morphologiques notables entre la partie aménagée et la partie est de la plage. Pour étudier la réponse morphologique de la plage à des événements de haute énergie, des relevés topographiques ont été menés avant et après plusieurs tempêtes. Les courants d'arrachement, stables et persistants pendant des conditions énergétiques modérées à fortes peuvent éroder localement la zone intertidale de la plage. Dans des conditions de haute énergie et lors de marées de vives eaux le haut de plage et le cordon dunaire sont érodés. A l'inverse, lors de conditions de haute énergie qui coïncident avec des marées de mortes-eaux, l'évolution de l'estran, de l'arrière-plage et de la dune sont essentiellement contrôlées par les caractéristiques des vagues plutôt que par l'amplitude de la marée. Afin d'analyser et de compléter les résultats obtenus, une étude numérique a été réalisée à partir du code open source XBeach. En raison de l'absence de données de bathymétrie, le modèle d'assimilation de données Beachwizard a été utilisé afin d'estimer la bathymétrie à partir des images collectées par la station vidéo. La possibilité de forcer ce modèle avec des conditions de vagues variables le long de la limite du domaine de calcul a été mise en œuvre. Les résultats montrent que la prise en compte de conditions limites variables améliore la capacité du modèle à estimer la bathymétrie. Les tests de calibration du modèle XBeach révèlent que les résultats peuvent varier considérablement en fonction des paramètres choisis. Toutefois, les résultats du modèle XBeach semblent peu sensibles aux caractéristiques du spectre de vagues utilisé pour forcer le modèle. Une série de simulations ont été réalisées afin d'étudier le cluster de tempêtes de Février 2013 en analysant non seulement l'influence de la chronologie des différentes tempêtes mais aussi du niveau d'eau au cours de cette période. Ces simulations ont permis de mettre en évidence que les mouvements sédimentaires sont dominés par un transfert de sable de la dune vers la zone intertidale sans période de reconstruction de la dune. L'érosion des différentes sections de la plage est fortement corrélée au niveau d'eau. L'érosion de la dune et de l'arrière-plage ne se produit que lorsque les niveaux de marée élevés prévalent alors que la zone intertidale est érodée à marée basse. Il apparaît que l'impact des tempêtes sur la plage est beaucoup plus dépendant du niveau d'eau que de la chronologie des événements énergétiques au cours d'un cluster de tempêtes. / The aim of this study is to understand the response of engineered pocket beaches to storms. To that end, a series of video images, field topographical measurements and depth-averaged (2DH) process-based model have been used. The beach of Zarautz was chosen as a study site due to its wave climate characteristics and beach configuration. It is an embayed beach composed by two well defined regions, a dune system and an engineered section. The offshore wave climate is characterised by a low directional variability. The 95 % of the cases ranges from W to N directions. The high energetic events are seasonally variable. Most of the storms take place during winter and autumn. The wave climate at the beach of Zarautz is almost unidirectional and it presents certain alongshore variability. The temporal and spatial variability of nearshore sandbars, using daily video observations over 2 years was carried out. In general the beach acts as an open beach like circulatory system but it may present cellular and transitional circulation during high energy events. The nearshore sandbars evolution covers a wide range of temporal and spatial variability. Interestingly, the western engineered and more sheltered section of the beach sometimes exhibits a different beach state to that of the eastern section. To study the response of the beach to high energy events, systemically designed topographic surveys were undertaken before and after storm events. The location of the rip currents seems to play a role on the beach erosion. Static and persistent rips during moderate high energy conditions may erode locally the beach intertidal zone. During high energetic conditions and spring tides the beach backshore and dune area is eroded. Dune and backshore sections become important as they act as a buffer, preventing the foreshore erosion. On other hand, during high energetic conditions coinciding with neap tides, the evolution of the foreshore, backshore and dunes might be sensitive to the wave characteristics rather than to the tidal range. The findings obtained from the video images and field measurements were completed by means of the XBeach process based model. Due to the lack of a pre-storm bathymetry the XBeach-Beach Wizard model was used in order to infer the surfzone features. The possibility to force the model with non-uniform alongshore wave conditions was implemented. Results show that this new implementation improves the model skills. The XBeach calibration tests reveal that the results can vary considerably depending on the set of parameters chosen to run the model. Parameters such as short wave run-up, γ, γua, eps and hmin seem to be relevant for the model calibration. A series of storm impact simulations were performed. A chain transport mechanism was found in which the sand is transported from the dunes to the intertidal zone, and never in the other way around. The erosion of the different sections of the beach is highly related to the tidal level rather that to the wave power. The main differences in the beach response between the natural and engineered sections are related to the sand budget. The complete loss of the backshore sand makes the intertidal zone weak to the storms (the chain transport is interrupted). This scenario is only likely to happen at the engineered sector due to the narrow backshore and the absence of a dune system. Some tests were performed in order to relate the 'storm magnitude' to a certain value of beach erosion. These findings point out that, in general, the higher the storm power is, the larger is the beach erosion. However, the wave characteristics that define a given storm play an important role. Furthermore, in some cases a low power storm with high Hs and Tp can produce larger changes on the beach than a large storm with low Hs and Tp.

Parmi les différentes technologies pour produire un effluent conforme aux normes de rejet en vigueur, les Procédés par Boues Activées sont largement utilisés en tant que traitement biologique du fait de leur faible coût et de leur facilité d’implémentation. Ces procédés réalisent l’abattement des polluants en deux étapes : (1) la biodégradation par des microorganismes dans un bassin d’aération et (2) la séparation de la biomasse par décantation. Les paramètres opératoires peuvent agir sur l’efficacité du procédé, notamment en modifiant les propriétés des boues . L’objectif de ce travail est d’apporter un nouvel éclairage sur cette relation triangulaire en mettant en perspectives les propriétés de taille et de forme des flocs de boues et les performances du procédé de traitement. La première étape pour parvenir à cet objectif a consisté à développer une méthodologie de caractérisation des flocs de boues par analyse d’images à l’aide du microscope automatisé Morphologi G3 de Malvern Instruments. Le protocole de mesure proposé repose sur le choix de la cellule d’analyse, du facteur de dilution, du grossissement, du seuil de niveau de gris mis en œuvre pour la binarisation des images et du nombre total de particules analysées. Des boues provenant de plusieurs stations d’épuration ont été étudiées afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie. Des différences en termes de propriétés de taille et forme - Diamètre équivalent (Deq), Circularité (C), Convexité (Cx), Solidité (S) et Rapport d’Aspect (RA) - entre les différentes boues sont clairement apparues. Le protocole de caractérisation de la morphologie étant établi et validé, deux campagnes expérimentales ont été mises en œuvre en utilisant un système à boues activées à l’échelle pilote alimenté par un effluent synthétique. Les descripteurs morphologiques ont été mesurés sur des échantillons d’environ 100 000 flocs permettant d’atteindre une statistique fiable aussi bien sur la taille que sur la forme des agrégats. La performance du procédé a été évaluée en suivant des indicateurs physicochimiques classiquement associés au traitement des eaux usées : Matières en Suspension (MES), Indice de Boue (IB), taux d’abattement de la Demande Chimique d’Oxygène (DCO) et de l’Azote (N). Cette stratégie a permis d’identifier des relations entre les performances d’épuration, la morphologie des agrégats et les paramètres opératoires. Pendant la première campagne, trois valeurs différentes de l’âge de boue ont été imposées : 15, 20 et 30 jours. Lors d’un changement d’âge de boue, la taille et la circularité des flocs biologiques augmentent temporairement avant de se stabiliser à nouveau à leurs valeurs initiales. Ainsi, en régime permanent, les distributions en taille et en circularité semblent indépendantes de l’âge de boue. Lors de la deuxième campagne, trois paramètres opératoires ont été modifiés : la charge organique, le taux de recirculation et le rapport DCO:N. Une charge organique élevée a provoqué une forte augmentation de la taille des flocs et une diminution de leur solidité. Ce résultat peut être expliqué par la croissance de bactéries filamenteuses qui impacte fortement la morphologie des flocs et la performance du procédé. L’augmentation du taux de recirculation et la diminution du rapport DCO:N ont, en outre, induit une légère réduction de la taille des flocs et une évolution peu significative des valeurs de circularité et convexité. L’analyse des distributions en 3 Dimensions couplant les données de taille et de forme s’est révélée un outil prometteur, permettant de proposer des mécanismes responsables de l’évolution des propriétés morphologiques des boues. Enfin, une autre approche a été développée sur la base de deux dimensions fractales reliant l’aire et le périmètre des flocs (Dpf) ou l’aire et la longueur maximale (D2). De brusques variations de Dpf et D2 ont été corrélées avec les phénomènes liés au développement de bactéries filamenteuses. / Among the different technologies dealing with the strict regulations concerning wastewater treatment, the Activated Sludge Process remains extensively applied as a biological treatment because of its low cost and its convenience of implementation. This straightforward technique achieves good levels of organic matter removal combining biodegradation in an aerated tank with solid-liquid separation through a subsequent clarifier. The impact of the operational parameters on process efficiency is presumably correlated to the sludge activity and hence to the flocs properties. In this context, the aim of this work is to bring new insights into this relationship in characterizing the size and the shape of sludge flocs and put the operating conditions and the process performance in perspective. To achieve this objective, a methodology was established first for the morphological characterization of sludge flocs by image analysis thanks to the automated microscope Morphologi G3 from Malvern Instruments Ltd. The steps involved in this methodology consisted in defining some analysis settings including the selection of the sample carrier, the dilution factor, the magnification, the threshold needed for the image binarization and the total number of analysed particles. Analyses were performed on various types of sludge allowing an evaluation of the methodology robustness. Differences clearly appeared in terms of size and shape properties – Circular Equivalent Diameter (CED), Circularity (C), Convexity (Cx), Solidity (S), and Aspect Ratio (AR) between the different types of sludge. The image analysis protocol having been established and validated, two experimental campaigns were run using a lab-scale activated sludge system fed with synthetic wastewater. The morphological descriptors were defined on the base of about 100,000 sludge flocs per sample allowing to reach reliable statistics for both size and shape properties. Process performance was assessed measuring physicochemical parameters commonly associated with wastewater treatment: Total Suspended Solids (TSS), Sludge Volume Index (SVI), Chemical Oxygen Demand (COD) and Nitrogen (N) removal. This strategy has mostly enabled to identify relationships between the treatment performance, the floc morphology and the operating conditions. During the first campaign, three values of solids retention time (SRT) were tested: 15, 20 and 30 days. Increasing the SRT, the size and the circularity of the flocs increased temporarily before recovering their initial values. Under steady state conditions, the size and circularity distributions seem thus to be independent of the SRT. In the second campaign, three operating conditions were modified in turn: the Organic Load Rate (OLR), the recycle rate and the COD:N ratio. A high OLR has promoted a strong increase of flocs size and the decrease of their solidity. This result can be explained by the development of filamentous bacteria that highly impacts the aggregates morphology and hence the process performance. An increase of the recycle rate or a decrease of the COD:N ratio induced a slight reduction of floc sizes and an insignificant evolution of circularity and convexity values. The analysis of the volume-based 3D-distributions crossing size and shape data appeared as a smart tool allowing to propose mechanisms responsible of the changes of the morphological properties of biological flocs. Finally, another approach was developed, based on the estimation of two 2D fractal dimensions linking the area and the perimeter of flocs (Dpf) or the area and the maximum length (D2). Sudden changes of Dpf and D2 were correlated to phenomena related to the presence of filamentous bacteria.

Pour mettre en relation les propriétés rhéologiques et la structure méso/microscopique d'un système modèle ou complexe, l'utilisation de la rhéo-optique est indispensable. Nous avons donc développé une cellule d'observation sous cisaillement adaptée à la microscopie confocale. Ce dispositif, breveté et nommé RheOptiCAD®, permet le cisaillement contrôlé d'un échantillon quelconque placé entre 2 plans parallèles en translation. Grâce à un système à dépression, la mise en place de l'échantillon est simple et rapide tout en assurant des propriétés optiques répétables et reproductibles (planéité, parallélisme). Par ailleurs, la température au sein de l'échantillon peut être régulée de façon à imposer une contrainte thermique, cause de nombreuses modifications de la mésostructure d'un système alimentaire. La cellule d'observation sous cisaillement permet donc de suivre l'évolution et la dynamique des changements de structures conséquences d'un traitement thermo-mécanique imposé. Un logiciel de pilotage et d'acquisition des données a été développé pour rendre son utilisation plus conviviale. La validation du fonctionnement de l'outil et de ses fonctionnalités a tout d'abord été réalisée sans échantillon puis à l'aide d'un système modèle contenant des particules fluorescentes dont le mouvement était suivi. Par la suite, dans le but de tester les potentialités de ce nouvel outil tout en développant la méthodologie de son utilisation, et en particulier l'équilibre entre propriétés optiques et mécaniques des échantillons, nous avons travaillé avec de la pâte de farine. Ce système alimentaire bien connu et maîtrisé d'un point de vue rhéologique au laboratoire présente des caractéristiques intéressantes dans ce cadre. L'évolution du réseau de gluten au cours d'un cisaillement oscillatoire en fonction de la formulation de la pâte a été étudiée. Grâce à une analyse d'image basée sur la morphologie mathématique, nous avons pu mettre en évidence des changements de structures au cours du temps. De même, à l'aide des capacités thermiques de la cellule de cisaillement, nous avons étudié le positionnement et le mouvement des lipides endogènes à l'interface air-protéine lors de la fermentation. Notre cellule d'observation sous cisaillement constitue donc un nouvel outil de caractérisation dynamique de systèmes complexes couplant rhéologie et microscopie. Son optimisation principale réside dans la mise en place d'un capteur de force, mesurant les contraintes mises en jeu lors des déformations imposées. / Rheo-optic is a recent technique which can be used to create links between rheological properties and meso/microsctructures of model or complex (food) systems. A novel rheo-optical shearing device was designed for studying this relationships within complex food systems. The device has been build to be adapted on an inverted confocal microscope. Specifications of the shear cell are: a) a controlled translational shear between 2 parallel plates with three different motion modes (continuous, oscillatory, strain jump); b) a thermal control; and c) an observation on an inverted confocal microscope. Due to a vacuum system, the set up of an experiment is easy and fast ensuring reproducible optical properties (planarity, parallelism). Temperature, responsible of numerous modifications of structures in a food matrix, is also controlled. A piloting software allows an easy use of the shear cell. Validation of the motion modes has been carried out using a microgel, containing fluorescent probes (spheres) and tracking some of the particles. Next, in order to test and develop methods of observation under shear, taking into account the optical-mechanical balance, bread dough observation has been performed. Well known and described in the lab, bread dough is a dispersion of air bubbles and starch granules in a gluten network. Evolution on this gluten network depending on the formulation of the bread dough has been studied under oscillatory shearing. The composition effect on the microstructure and its evolution were observed and will be commented. Image analysis based on grayscale mathematical morphology has been carried out in order to try to quantify the rheological properties and microstructures. Finally, by a controlled increase of temperature, the growth of an air bubble in bread dough containing yeast was followed during proofing. The influence and the disposition of fat globules at the bubble air-protein interface along this growing process were followed. Thanks to the rheo-optical device, images of microstructures obtained under controlled shear are compared to their rheological behaviour.

Les institutions culturelles mènent depuis une vingtaine année une politique de sauvegarde numérique exhaustive de leurs collections conduisant à la création de bases d'images de plus en plus grandes. Les oeuvres d'art se différencient des images naturelles car elles sont souvent stylisées. Cette caractéristique influence notre interprétation de l'image et l'impression visuelle qui nous est transmise. Nous proposons dans cette thèse des descripteurs et mesures de similarité spécifiques au contenu pictural et les testons dans le cadre de la recherche par le contenu d'images similaires. Le premier aspect du contenu pictural auquel nous nous sommes intéressés concerne l'organisation spatiale globale des couleurs. Nous modélisons le problème de la comparaison entre deux organisations spatiales des couleurs par un problème de transport optimal appliqué à des imagettes. Dans le cadre de la recherche d'images dans une base, nous proposons également un seuil adaptatif sur cette distance de transport fondé sur une approche "a contrario". Le deuxième aspect du contenu pictural que nous étudions concerne les caractéristiques du contenu géométrique lié aux lignes dans les dessins au trait. Pour cette approche nous développons un détecteur de contours de trait sans paramètre reposant sur un filtrage topologique de l'arbre des lignes de niveau significatives de Desolneux et al., ainsi qu'un ensemble de méthodes d'extraction de caractéristiques visuelles incluant les extrémités de trait, les jonctions et les coins. Nous évaluons ces deux approches en utilisant sept bases différentes totalisant environ 65000 images.

Les modèles numériques de terrains (MNT) permettent de représenter efficacement la topographie d'une zone géographique donnée. Ces MNT peuvent être issus d'une télé acquisition à l'aide de radars embarqués ou de levés manuels sur le terrain à l'aide d'un tachéomètre. Les MNT constituent le contexte thématique de cette thèse qui est composée en trois parties.<br /><br />Dans un premier temps, nous nous intéressons à la création de ces modèles à partir d'une source importante de données topographiques constituée par les cartes topographiques. Nous présentons une chaîne complète de traitements permettant de générer un MNT à partir d'une carte topographique numérisée. Nous détaillons particulièrement de nouvelles méthodes de reconstruction des courbes de niveaux et d'interpolation de ces courbes pour générer un MNT. Les différents travaux effectués dans cette thématique s'intègrent au sein de la plate-forme logicielle AutoDEM que nous avons développée durant cette thèse.<br /><br />Puis, dans une deuxième partie, nous présentons une nouvelle technique permettant de visualiser des MNT en 3D sur une large gamme de dispositifs allant de stations de travail reliées à de grands écrans jusqu'à des terminaux mobiles (TM) à faibles capacités tels que les PDA ou les téléphones portables. L'intérêt majeur de la technique présentée, qui repose sur un mode connecté client-serveur, réside dans l'adaptation dynamique du modèle 3D aux capacités d'affichage du terminal. Nous nous intéressons également à des techniques de rendu à distance et présentons deux techniques permettant d'offrir d'une part une visualisation interactive temps réel et d'autre part un panorama virtuel à l'utilisateur.<br /><br />Enfin, dans un troisième temps, nous décrivons des techniques nouvelles permettant à un utilisateur mobile disposant d'un TM de naviguer et d'interagir avec des données géographiques (cartes ou plans 2D et scènes 3D). La première est une technique d'interaction tangible et bi-manuelle reposant sur la détection par analyse du flux vidéo d'une cible décrivant un code couleur. La deuxième est une technique de sélection à deux niveaux adaptée aux TM ne disposant pas de dispositif de pointage continu.