Ce travail de thèse vise à comprendre les effets des paramètres de conception de l'habitacle automobile tels que la hauteur de toit et la largeur du bavolet sur le mouvement d'entrée et de sortie et sur l'inconfort perçu. La méthode consiste à comparer expérimentalement des mouvements de moindre inconfort avec d'autres plus contraignants en modifiant la géométrie de l'habitacle. Grâce à un conformateur à géométrie variable, 5 configurations de postes de conduite sont définies sur 3 hauteurs d'assise représentant une sportive, une berline et un monospace. Le système optoélectronique Vicon et des capteurs d'efforts sont utilisés pour mesurer le mouvement et toutes les forces de contact, permettant une analyse fine des interactions entre les sujets et le conformateur. 26 sujets ont participé à l'expérimentation, dont la taille varie du 5ème percentile femme au 95ème homme. A l'aide d'un mannequin numérique, la cinématique (angles articulaires) et la dynamique (couples articulaires) du mouvement sont reconstruites. Les résultats montrent que l'exigence en hauteur de toit dépend peu de la stature et de la hauteur de siège. L'analyse biomécanique du mouvement révèle que les grandes statures présentent une plus forte flexion du tronc que les petites statures. Ceci peut s'expliquer par le fait que l'espace autour du siège est plus réduit pour les petites statures en raison de la position plus avancée du siège dans l'habitacle. Un abaissement de seulement 45mm du toit fait qu'un véhicule devient inacceptable pour le conducteur. Le volant joue un rôle essentiel pour l'accessibilité, pour produire le couple d'extension nécessaire au genou gauche pour s'extraire du véhicule / This PhD thesis aims at understanding the effects of the roof height and the sill width on the car ingress/egress motion and the perceived discomfort. The method consists in comparing experimentally the less constrained motion with more constrained ones by controlling design parameters. Thanks to an adjustable car mock-up, 3 configurations of roof height and sill width were tested by volunteers on three seat heights representing a small car, a medium-size car and a minivan. A Vicon motion capture system and 6-axes force sensors were used in order to measure the motion and all external contact forces and to allow an accurate analysis of the interactions between the driver and the car. 26 volunteers participated in the experiment, selected according to their stature in order to cover a large range of the French driver (from 5th percentile female to 95th percentile male). Using a Digital Human Model, the kinematics (joint angles) and the dynamics (joint torques) of the motion were reconstructed. The results show that the demand for the roof height is not influenced by the car configuration nor the volunteer‟s stature. A biomechanical analysis highlights that the short volunteers adopt a more upright trunk than the tall ones due to smaller space available between the seat and the steering wheel for short persons. In addition, a small change of 45 mm in roof height may lead to an unacceptable car configuration. Finally, the steering wheel is an essential car element helping drivers to produce the necessary extension torque at the left knee for getting up

Les flux d'air intérieurs, d'origine naturelle ou mécanique, participent de manière significative au transport de particules et aux transferts thermiques au sein des bâtiments. Que ce soit pour des raisons de santé et sécurité au travail, de confort thermique ou encore d'économie d'énergie, il est crucial de pouvoir les étudier sur place pour mieux les maîtriser. L'objectif de cette thèse aura été de développer une méthode permettant de mesurer sur site, la vitesse de flux d'air intérieurs sur de grands domaines d'observation (supérieurs au mètre carré). Pour cela, nous nous sommes tournés vers les techniques basées images qui consistent à suivre le mouvement de traceurs passifs introduits dans l'air pour en déduire une estimation de sa vitesse. Ce type de méthode est déjà largement utilisé en laboratoire de recherche pour étudier les écoulements dans des contextes bien maîtrisés. Cependant, le passage à la mesure sur le terrain et à l'observation grand champ nécessitent quelques adaptations. Ces adaptations concernent notamment le choix de nouveaux traceurs, l'éclairage ainsi que la méthode d'estimation de mouvement à partir de séquences d'images. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme d'estimation de mouvement permettant l'estimation de la vitesse aux grandes échelles à partir d'images de particules et d'images de scalaire. Nous avons ensuite éprouvé en soufflerie, sur des écoulements de couche de mélange et de sillage de cylindre, une méthode de mesure basée image grand champ n'utilisant qu'une seule caméra, un éclairage LED, des traceurs de type bulles ou fumée ainsi que l'algorithme évoqué plus haut. Nous avons confronté la mesure obtenue à une mesure réalisée par anémométrie à fil chaud. Les résultats de cette campagne de mesure ont montré la capacité de la méthode à mesurer les principales caractéristiques des écoulements considérés. Enfin, nous avons appliqué la méthode développée à une mesure sur site du flux d'aspiration d'une sorbonne de laboratoire en conditions réelles de fonctionnement. Cette mesure a permis de mettre en évidence des zones de forte turbulence et de recirculation, sources de fuites potentielles. / Whether for reasons of health and safety at work, thermal comfort or energy saving, it is crucial to study them on site to better control them. The objective of this thesis was to develop a method to measure on site, the speed of indoor air flows over large areas of observation (greater than a square meter). To this end, we turned to image-based techniques that consist in following the movement of passive tracers introduced into the air to infer an estimate of its velocity. This kind of method is already widely used in research laboratories to study flows in well-controlled contexts. However, the transition to on-site measurement and wide field of interest requires some adaptations. These adaptations concern, in particular, the choice of new tracers, the lighting system as well as the motion estimation method from image sequences. First, we developed a motion estimation algorithm that allows the estimation of large-scale velocities from particle images and scalar images. We then tested in our wind tunnel, on mixing layer and cylinder wake flows, a large-scale image-based measurement method using only one camera, a LED lighting system, bubbles or smoke tracers as well as the algorithm mentioned above. We compared the obtained measurement with a measurement carried out by hot-wire anemometry. The results of this measurement campaign showed the ability of the method to measure the main characteristics of the considered flows. Finally, we applied the developed method to an on-site measurement of the suction flow of a laboratory fume hood under real operating conditions. This measure has made it possible to highlight areas of high turbulence and recirculation, causing potential leakages.

Cette étude a pour cadre l'analyse de mouvements fluides dans des séquences d'images et s'articule autour de deux axes. Nous traitons en premier lieu le problème de l'estimation du mouvement. Dans un contexte d'imagerie fluide, la luminance des images fait parfois apparaître de fortes distorsions spatiales et temporelles, rendant délicate l'utilisation de techniques standard issues de la Vision par Ordinateur, originalement conçues pour des mouvements rigides et reposant sur une hypothèse d'invariance de la fonction de luminance. Nous proposons un estimateur de mouvement modélisé au moyen d'une formulation énergétique et spécialement dédié à l'estimation du mouvement fluide. La fonctionnelle considérée est composée d'un terme d'attache aux données original issu de l'équation de continuité de la mécanique des fluides. Ce nouveau modèle de données, spécifié pour être aisément intégré dans un schéma multirésolution, est associé à une régularisation de type ``div-curl''. Les performances de cet estimateur sont expérimentalement démontrées sur des images synthétiques et réelles météorologiques. Une validation de la méthode sur un écoulement expérimental représentant une ``couche de mélange'' est par ailleurs présentée. L'intérêt de l'étude est en second lieu porté sur l'analyse d'un champ de déplacement préalablement estimé, relatif à un mouvement fluide. Nous proposons une méthode visant à extraire les vortex et puits/sources de l'écoulement en s'appuyant sur le modèle de Rankine. Ce problème est essentiel dans de nombreuses applications comme par exemple la détection d'importants événements météorologiques (dépressions, cellules convectives, ...) ou la caractérisation d'écoulements expérimentaux. La connaissance de telles structures autorise par ailleurs une représentation paramétrique de l'écoulement. La méthode que nous proposons s'appuie sur une représentation analytique du champ des vitesses e permet d'extraire d'autres informations pertinentes relatives à l'écoulement (fonctions de potentiels, décomposition selon Helmholtz de l'écoulement, points singuliers, ...). L'approche présentée sera expérimentalement étudiée sur des écoulement représentant divers phénomènes physiques.

L’analyse du mouvement, ou l’analyse d’une séquence d’images, est l’extension naturelle de l’analyse d’images à l’analyse de séries temporelles d’images. De nombreuses méthodes d’analyse de mouvement ont été développées dans le contexte de la vision par ordinateur, incluant le suivi de caractéristiques, le flot optique, l’analyse de points-clef, le recalage d’image, etc. Dans ce manuscrit, nous proposons une boite a outils de techniques d’analyse de mouvement adaptées à l’analyse de séquences biomédicales. Nous avons en particulier travaillé sur les cellules ciliées qui sont couvertes de cils qui battent. Elles sont présentes chez l’homme dans les zones nécessitant des mouvements de fluide. Dans les poumons et les voies respiratoires supérieures, les cils sont responsables de l’épuration muco-ciliaire, qui permet d’évacuer des poumons la poussière et autres impuretés inhalées. Les altérations de l’épuration mucociliaire peuvent être liées à des maladies touchant les cils, pouvant être génétiques ou acquises et peuvent être handicapantes. Ces maladies peuvent être caractérisées par l’analyse du mouvement des cils sous un microscope avec une résolution temporelle importante. Nous avons développé plusieurs outils et techniques pour réaliser ces analyses de manière automatiques et avec une haute précision, à la fois sur des biopsies et in-vivo. Nous avons aussi illustré nos techniques dans le contexte d’éco-toxicité en analysant le rythme cardiaque d’embryons de poissons / Motion analysis, or the analysis of image sequences, is a natural extension of image analysis to time series of images. Many methods for motion analysis have been developed in the context of computer vision, including feature tracking, optical flow, keypoint analysis, image registration, and so on. In this work, we propose a toolbox of motion analysis techniques suitable for biomedical image sequence analysis. We particularly study ciliated cells. These cells are covered with beating cilia. They are present in humans in areas where fluid motion is necessary. In the lungs and the upper respiratory tract, Cilia perform the clearance task, which means cleaning the lungs of dust and other airborne contaminants. Ciliated cells are subject to genetic or acquired diseases that can compromise clearance, and in turn cause problems in their hosts. These diseases can be characterized by studying the motion of cilia under a microscope and at high temporal resolution. We propose a number of novel tools and techniques to perform such analyses automatically and with high precision, both ex-vivo on biopsies, and in-vivo. We also illustrate our techniques in the context of eco-toxicity by analysing the beating pattern of the heart of fish embryo

La thèse porte sur la détection d’objets à partir d’une caméra embarquée sur un véhicule mobile en exploitant l’approche monoculaire « c-vélocité ». Cette méthode s’inspire de la méthode appelée « v-disparité » utilisée en stéréovision : toutes deux ont pour objectif la détection d’objets en les approximant par des plans d’orientations différentes, ce qui permet d’éviter, en monoculaire, d’estimer la profondeur. Ces deux approches, monoculaires et binoculaires, permettent de transformer le problème complexe de la détection d’objets en un problème plus simple de détection de formes paramétriques simples (droites, paraboles) dans un nouvel espace de représentation où la détection peut être réalisée à l’aide d’une transformée de Hough. La « c-vélocité », pour être efficace, requiert un calcul assez précis du flot optique et une bonne estimation de la position du Foyer d’expansion (FOE). Dans cette thèse, nous avons étudié les approches existantes de calcul de flot optique et sommes arrivés à la conclusion qu’aucune n’est vraiment performante notamment sur les régions homogènes telle que la route dans les scènes qui correspondent à l’application que nous visons à savoir : les véhicules intelligents. Par ailleurs, les méthodes d’estimation du flot optique peinent également à fournir une bonne estimation dans le cas de déplacement importants dans les régions proches de la caméra. Nous proposons dans cette thèse d’exploiter à la fois un modèle 3D de la scène et une estimation approximative de la vitesse du véhicule à partir d’autres capteurs intégrés. L’utilisation de connaissances a priori permet de compenser le flot dominant pour faciliter l’estimation de la partie résiduelle par une approche classique. Par ailleurs, trois approches différentes sont proposées pour détecter le foyer d’expansion. Parmi elles, nous proposons une méthode novatrice permettant d’estimer le FOE en exploitant la norme du flot et la structure de la scène à partir d’un processus « c-vélocité » inversé. En plus d’améliorer ces étapes préliminaires, nous proposons aussi l’optimisation et l’accélération de l’algorithme « c-vélocité » par une implémentation multithread. Enfin, nous proposons une modification de l’approche c-vélocité d’origine afin d’anticiper une éventuelle coopération mouvement/stéréo, proposée en perspective, à travers un jumelage avec la v-disparité. / This thesis is based on the detection of objects from an onboard moving camera by exploiting the monocular approach "c-velocity". This method is inspired by the method called "v-disparity" used in stereovision: both methods aim at detecting objects by approximating objects into plans with different orientations. Such approximation can avoid to estimate the depth in monocularvision. These two approaches, monocular and binocular, allow to transform the complex objet détection problem into a more simple parametric forms (eg. lines) detection in a new space, where these formes can be easily extracted using Hough Transform.The “c-velocity”, to make it effective, requires an accurate computation of optical flow and a good estimation of the focus of expansion (FOE) location. Therefore, we have studied the existing approaches of optical flow estimation and arrived at the conclusion that none of them is really powerful especially on the homogeneous regions such as road surface. In addition, the optical flow estimation methods also struggle to provide a good estimate in the case of huge displacement in the areas close to the camera. We propose in this thesis to exploit both a 3D model of the scene and a rough estimate about the vehicle speed from other integrated sensors. Using a priori knowledge allows to compensate the dominant optical flow and to facilitate the estimation of the rest part by a classical approach. In addition, three different approaches are proposed to detect the focus of expansion. Among them, we propose a novel method for estimating FOE by leveraging the flow norm and the scene structure from an inverse “c-velocity“ process. In addition to improve these preliminary steps, we also propose an acceleration and optimization of the “c-velocity“ algorithm by a multi-thread implementation. Finally, we propose a modification to the original “c-velocity“ approach in order to anticipate a possible cooperation motion/stereo, proposed in perspective, with the “v-disparity“ approach.

Les activités motrices de la vie quotidienne ou sportive se caractérisent par des mouvements de rotations complexes 3D des membres supérieurs pouvant s’effectuer autour d’axes de rotation distincts (i) articulaires (ii) d’inertie ou (iii) passant par le centre de masse du bras, chacun relevant de référentiels distincts. Une étude récente a montré que selon les contraintes de vitesse, un changement d’axe de rotation s’opère dans le cadre de l’exécution d’un mouvement simple de rotation du bras par rapport au tronc (Isableu et al., 2009). Dans ce cadre, l’objectif de la thèse a été de compléter cette première analyse et d’évaluer la robustesse de l’hypothèse selon laquelle les axes autour desquels s’organise le mouvement dépendent de la vitesse du mouvement et des contraintes liées à la tâche en général. L’hypothèse formulée est que l’axe correspondant à l’inertie minimum verra sa variabilité diminuée avec des vitesses qui augmentent par rapport à un axe lié au centre de masse (épaule-centre de masse du membre supérieur) ou géométrique (axe-épaule–coude). Cette étude s’effectue en considérant des mouvements « simples » et plus complexes incluant des gestes sportifs. Ainsi, les études effectuées ont porté sur l’influence des contraintes liées à la tâche et leur incidence sur le choix des axes de rotation. Tout d'abord le rôle de l'instruction initiale est testé. Deuxièmement, la variabilité de l'axe d’inertie minimum est évaluée au cours d'une tâche de précision. Troisièmement, l’hypothèse est testée dans le cadre d’une tâche d’interception qui implique des contraintes de temps. Enfin, nous avons testé le rôle des axes lors de gestes complexes, à grande vitesse, notamment lors de lancer à bras cassé et lors du service au tennis. Les résultats obtenus permettent de discuter l’hypothèse de l’importance de l’axe d’inertie minimum lors de l’exécution de mouvements volontaires du membre supérieur. / Motor activities of daily life or sports are characterized by complex 3D rotational movements of the upper limbs can be done around distinct axes of rotation (i) joint (ii) inertia or (iii) through the center mass of arms, each under separate repositories. A recent study showed that within the constraints of speed, a change of axis of rotation occurs in the context of the implementation of a simple rotation of the arm relative to the trunk (Isableu et al., 2009) . In this context, the aim of the thesis was to complete this first analysis to evaluate the robustness of the assumption that the axes around which organizes the movement depends on the speed of motion and the constraints task in general. The assumption is that the axis corresponding to the minimum inertia reduced variability seen with speeds which increase with respect to a center axis associated with the mass (shoulder mass center of the upper limb) and geometric (pin-shoulder elbow). This study is done by considering "simple" and complex athletic movements including movements. Thus, studies have focused on the influence of the task constraints and their impact on the choice of axes of rotation. Firstly the role of initial instruction is tested. Secondly, the variability of the axis of minimum inertia is estimated in a precise task. Thirdly, the hypothesis is tested in an interception task that involves time constraints. Finally, we tested the role of axes in complex gestures, high speed, especially during launch and broken arm during the tennis serve. The results are used to discuss the hypothesis of the importance of the axis of minimum inertia during the execution of voluntary movements of the upper limb.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but l'application de la vision en lumière<br />structurée (capteur formé d'une caméra CCD et d'une source lumineuse) à la navigation de robots<br />mobiles. Ceci nous a conduit à étudier différentes techniques et approches de la vision par<br />ordinateur et du traitement des images. Tout d'abord, nous avons passé en revue les principaux<br />types de codage de la lumière structurée et les principales applications qu'elle trouve en robotique,<br />imagerie médicale et métrologie, pour en dégager une problématique quant à l'utilisation qui nous<br />intéresse. En second lieu, nous proposons une méthode de traitement des images en lumière<br />structurée ayant pour objectif l'extraction des segments de l'image et le décodage du motif<br />structurant. Nous détaillons ensuite une méthode de reconstruction tri-dimensionnelle à partir du<br />capteur non-calibré. La projection d'un motif lumineux sur l'environnement impose des contraintes<br />sévères aux techniques d'auto-calibration. Il ressort que la reconstruction doit être effectuée en<br />deux temps, en une seule prise de vue et une seule projection. Nous précisons la méthode de<br />reconstruction projective utilisée pour nos expérimentations et nous donnons une méthode<br />permettant le passage du projectif à l'Euclidien. En profitant des relations géométriques générées<br />par la projection du motif lumineux, nous montrons qu'il est possible de trouver des contraintes<br />Euclidiennes entre les points de la scène, indépendantes des objets de la scène. Nous proposons<br />également une technique de détection d'obstacles quantitative, permettant d'estimer la carte de<br />l'espace libre observé par le robot. Finalement, nous faisons une étude complète du capteur en<br />mouvement et nous en tirons un algorithme permettant d'estimer son déplacement dans<br />l'environnement à partir de la mise en correspondance des plans qui le compose.

Ce document d'habilitation est consacré à l'étude de séries temporelles d'images de télédétection à basse (LSR) et à très haute résolution spatiale (VHSR). Les phénomènes étudiés concernent la météorologie et l'océanographie (données LSR) et l'agriculture et le milieu urbain (données VHSR). La fréquence d'acquisition des données satellites est inversement proportionnelle à la résolution spatiale. Ainsi, pour des données LSR, la cadence d'acquisition est élevée (une images pour $15min$ avec le satellite MSG --Météosat Seconde Génération) et cela autorise l'étude des mouvement atmosphériques turbulents observés à travers le mouvement des nuages, la circulation océanique, ... Les problèmes d'analyse d'images associés concernent l'estimation du mouvement, le suivi de courbe ou encore l'interpolation de données manquantes. En ce qui concerne les données VHSR, la période séparant deux images peut varier de quelques semaines à quelques mois. Les études associées sont alors dédiées à la détection de changements structurels entre deux images. Du point de vue méthodologique, l'analyse de données LSR est principalement réalisée en introduisant des connaissances physiques a priori dans les outils classiques d'analyse d'images. Une part importante est dédiée à l'utilisation de techniques d'assimilation variationnelle de données. Pour l'analyse de données VHSR, nous proposons des descripteurs spécifiques permettant de caractériser les motifs texturés que l'on a à manipuler. Ces descripteurs sont ensuite utilisés pour résoudre différents problèmes d'analyse de données VHSR tels que la segmentation, la classification, la détection de fronts texturés ou encore l'estimation de l'orientation. Enfin, un chapitre est consacré à la détection de changements où nous proposons des techniques pour le détection binaire et multi-labels.

La rétine numérique programmable est un imageur qui combine fonctions d'acquisition et de traitement de l'image au sein de chaque pixel. L'objectif de notre travail consiste à utiliser ce circuit dans un système de détection et d'analyse du mouvement en se conformant à ses capacités de calcul et de mémorisation limitées. Nous présentons d'abord trois méthodes de détection du mouvement adaptées à nos contraintes : un calcul de fond par une moyenne récursive classique ; un estimateur statistique, le filtre Σ-

De nombreuses applications en vision par ordinateur nécessitent la détection et le suivi des objets en mouvement dans une séquence d'images. La plupart des méthodes existantes ne donnent de bons résultats que pour des séquences avec des fonds peu changeants, ou si le fond et les objets sont rigides. Le but de cette thèse est de détecter et suivre les objets mobiles dans des séquences (telles que des séquences de conducteurs) ayant un fond dynamique, avec de forts changements d'illumination, de faibles contrastes et éventuellement acquises par une caméra mobile. Cette thèse est décomposée en deux parties. Dans la première, une méthode de détection est proposée. Elle repose sur la définition d'une grille de points décrits par leur mouvement et leur photométrie. Ces points sont ensuite regroupés en "clusters en mouvement" avec un algorithme mean shift à noyau variable et une méthode de sélection automatique de la taille des noyaux. La deuxième partie propose une méthode de suivi combinant des distributions de couleur et de mouvement, la prédiction de l'objet et des observations extérieures (pouvant être les clusters en mouvement) dans une fonction d'énergie minimisée par coupe minimale/flot maximal dans un graphe. Les algorithmes de détection et de suivi sont validés sur différentes séquences aux contenus dynamiques complexes.