Dans ce mémoire de thèse, nous nous intéressons à la modélisation non paramétrique de données spatiales et/ou fonctionnelles, plus particulièrement basée sur la méthode à noyau. En général, les échantillons que nous avons considérés pour établir les propriétés asymptotiques des estimateurs proposés sont constitués de variables dépendantes. La spécificité des méthodes étudiées réside dans le fait que les estimateurs prennent en compte la structure de dépendance des données considérées.Dans une première partie, nous appréhendons l’étude de variables réelles spatialement dépendantes. Nous proposons une nouvelle approche à noyau pour estimer les fonctions de densité de probabilité et de régression spatiales ainsi que le mode. La particularité de cette approche est qu’elle permet de tenir compte à la fois de la proximité entre les observations et de celle entre les sites. Nous étudions les comportements asymptotiques des estimateurs proposés ainsi que leurs applications à des données simulées et réelles.Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation de données à valeurs dans un espace de dimension infinie ou dites "données fonctionnelles". Dans un premier temps, nous adaptons le modèle de régression non paramétrique introduit en première partie au cadre de données fonctionnelles spatialement dépendantes. Nous donnons des résultats asymptotiques ainsi que numériques. Puis, dans un second temps, nous étudions un modèle de régression de séries temporelles dont les variables explicatives sont fonctionnelles et le processus des innovations est autorégressif. Nous proposons une procédure permettant de tenir compte de l’information contenue dans le processus des erreurs. Après avoir étudié le comportement asymptotique de l’estimateur à noyau proposé, nous analysons ses performances sur des données simulées puis réelles.La troisième partie est consacrée aux applications. Tout d’abord, nous présentons des résultats de classification non supervisée de données spatiales (multivariées), simulées et réelles. La méthode de classification considérée est basée sur l’estimation du mode spatial, obtenu à partir de l’estimateur de la fonction de densité spatiale introduit dans le cadre de la première partie de cette thèse. Puis, nous appliquons cette méthode de classification basée sur le mode ainsi que d’autres méthodes de classification non supervisée de la littérature sur des données hydrologiques de nature fonctionnelle. Enfin, cette classification des données hydrologiques nous a amené à appliquer des outils de détection de rupture sur ces données fonctionnelles. / In this dissertation, we are interested in nonparametric modeling of spatial and/or functional data, more specifically based on kernel method. Generally, the samples we have considered for establishing asymptotic properties of the proposed estimators are constituted of dependent variables. The specificity of the studied methods lies in the fact that the estimators take into account the structure of the dependence of the considered data.In a first part, we study real variables spatially dependent. We propose a new kernel approach to estimating spatial probability density of the mode and regression functions. The distinctive feature of this approach is that it allows taking into account both the proximity between observations and that between sites. We study the asymptotic behaviors of the proposed estimates as well as their applications to simulated and real data. In a second part, we are interested in modeling data valued in a space of infinite dimension or so-called "functional data". As a first step, we adapt the nonparametric regression model, introduced in the first part, to spatially functional dependent data framework. We get convergence results as well as numerical results. Then, later, we study time series regression model in which explanatory variables are functional and the innovation process is autoregressive. We propose a procedure which allows us to take into account information contained in the error process. After showing asymptotic behavior of the proposed kernel estimate, we study its performance on simulated and real data.The third part is devoted to applications. First of all, we present unsupervised classificationresults of simulated and real spatial data (multivariate). The considered classification method is based on the estimation of spatial mode, obtained from the spatial density function introduced in the first part of this thesis. Then, we apply this classification method based on the mode as well as other unsupervised classification methods of the literature on hydrological data of functional nature. Lastly, this classification of hydrological data has led us to apply change point detection tools on these functional data.

Cette thèse aborde le problème de la recherche d'une structure (ou clustering) dans lesnoeuds d'un graphe. Dans le cadre des modèles aléatoires à variables latentes, on attribue à chaque noeud i une variable aléatoire non observée (latente) Zi, et la probabilité de connexion des noeuds i et j dépend conditionnellement de Zi et Zj . Contrairement au modèle d'Erdos-Rényi, les connexions ne sont pas indépendantes identiquement distribuées; les variables latentes régissent la loi des connexions des noeuds. Ces modèles sont donc hétérogènes, et leur structure est décrite par les variables latentes et leur loi; ce pourquoi on s'attache à en faire l'inférence à partir du graphe, seule variable observée.La volonté commune des deux travaux originaux de cette thèse est de proposer des méthodes d'inférence de ces modèles, consistentes et de complexité algorithmique au plus linéaire en le nombre de noeuds ou d'arêtes, de sorte à pouvoir traiter de grands graphes en temps raisonnable. Ils sont aussi tous deux fondés sur une étude fine de la distribution des degrés, normalisés de façon convenable selon le modèle.Le premier travail concerne le Stochastic Blockmodel. Nous y montrons la consistence d'un algorithme de classiffcation non supervisée à l'aide d'inégalités de concentration. Nous en déduisons une méthode d'estimation des paramètres, de sélection de modèles pour le nombre de classes latentes, et un test de la présence d'une ou plusieurs classes latentes (absence ou présence de clustering), et nous montrons leur consistence.Dans le deuxième travail, les variables latentes sont des positions dans l'espace ℝd, admettant une densité f, et la probabilité de connexion dépend de la distance entre les positions des noeuds. Les clusters sont définis comme les composantes connexes de l'ensemble de niveau t > 0 fixé de f, et l'objectif est d'en estimer le nombre à partir du graphe. Nous estimons la densité en les positions latentes des noeuds grâce à leur degré, ce qui permet d'établir une correspondance entre les clusters et les composantes connexes de certains sous-graphes du graphe observé, obtenus en retirant les nœuds de faible degré. En particulier, nous en déduisons un estimateur du nombre de clusters et montrons saconsistence en un certain sens / .This thesis addresses the clustering of the nodes of a graph, in the framework of randommodels with latent variables. To each node i is allocated an unobserved (latent) variable Zi and the probability of nodes i and j being connected depends conditionally on Zi and Zj . Unlike Erdos-Renyi's model, connections are not independent identically distributed; the latent variables rule the connection distribution of the nodes. These models are thus heterogeneous and their structure is fully described by the latent variables and their distribution. Hence we aim at infering them from the graph, which the only observed data.In both original works of this thesis, we propose consistent inference methods with a computational cost no more than linear with respect to the number of nodes or edges, so that large graphs can be processed in a reasonable time. They both are based on a study of the distribution of the degrees, which are normalized in a convenient way for the model.The first work deals with the Stochastic Blockmodel. We show the consistency of an unsupervised classiffcation algorithm using concentration inequalities. We deduce from it a parametric estimation method, a model selection method for the number of latent classes, and a clustering test (testing whether there is one cluster or more), which are all proved to be consistent. In the second work, the latent variables are positions in the ℝd space, having a density f. The connection probability depends on the distance between the node positions. The clusters are defined as connected components of some level set of f. The goal is to estimate the number of such clusters from the observed graph only. We estimate the density at the latent positions of the nodes with their degree, which allows to establish a link between clusters and connected components of some subgraphs of the observed graph, obtained by removing low degree nodes. In particular, we thus derive an estimator of the cluster number and we also show the consistency in some sense.

Avec l'augmentation considérable d'acquisitions de données temporelles dans les dernières décennies comme les systèmes GPS, les séquences vidéo ou les suivis médicaux de pathologies ; le besoin en algorithmes de traitement et d'analyse efficaces d'acquisition longitudinales n'a fait qu'augmenter. Dans cette thèse, nous proposons une extension du formalisme mean-shift, classiquement utilisé en traitement d'images, pour le groupement de séries temporelles multidimensionnelles. Nous proposons aussi un algorithme de groupement hiérarchique des séries temporelles basé sur la mesure de dynamic time warping afin de prendre en compte les déphasages temporels. Ces choix ont été motivés par la nécessité d'analyser des images acquises en imagerie par résonance magnétique sur des patients atteints de sclérose en plaques. Cette maladie est encore très méconnue tant dans sa genèse que sur les causes des handicaps qu'elle peut induire. De plus aucun traitement efficace n'est connu à l'heure actuelle. Le besoin de valider des hypothèses sur les lésions de sclérose en plaque nous a conduit à proposer des méthodes de groupement de séries temporelles ne nécessitant pas d'a priori sur le résultat final, méthodes encore peu développées en traitement d'images. / Due to the dramatic increase of longitudinal acquisitions in the past decades such as video sequences, global positioning system (GPS) tracking or medical follow-up, many applications for time-series data mining have been developed. Thus, unsupervised time-series data mining has become highly relevant with the aim to automatically detect and identify similar temporal patterns between time-series. In this work, we propose a new spatio-temporal filtering scheme based on the mean-shift procedure, a state of the art approach in the field of image processing, which clusters multivariate spatio-temporal data. We also propose a hierarchical time-series clustering algorithm based on the dynamic time warping measure that identifies similar but asynchronous temporal patterns. Our choices have been motivated by the need to analyse magnetic resonance images acquired on people affected by multiple sclerosis. The genetics and environmental factors triggering and governing the disease evolution, as well as the occurrence and evolution of individual lesions, are still mostly unknown and under intense investigation. Therefore, there is a strong need to develop new methods allowing automatic extraction and quantification of lesion characteristics. This has motivated our work on time-series clustering methods, which are not widely used in image processing yet and allow to process image sequences without prior knowledge on the final results.

L'accès aux séquences d'images 3D s'est aujourd'hui démocratisé, grâce aux récentes avancées dans le développement des capteurs de profondeur ainsi que des méthodes permettant de manipuler des informations 3D à partir d'images 2D. De ce fait, il y a une attente importante de la part de la communauté scientifique de la vision par ordinateur dans l'intégration de l'information 3D. En effet, des travaux de recherche ont montré que les performances de certaines applications pouvaient être améliorées en intégrant l'information 3D. Cependant, il reste des problèmes à résoudre pour l'analyse et la segmentation de scènes intérieures comme (a) comment l'information 3D peut-elle être exploitée au mieux ? et (b) quelle est la meilleure manière de prendre en compte de manière conjointe les informations couleur et 3D ? Nous abordons ces deux questions dans cette thèse et nous proposons de nouvelles méthodes non supervisées pour la classification d'images 3D et la segmentation prenant en compte de manière conjointe les informations de couleur et de profondeur. A cet effet, nous formulons l'hypothèse que les normales aux surfaces dans les images 3D sont des éléments à prendre en compte pour leur analyse, et leurs distributions sont modélisables à l'aide de lois de mélange. Nous utilisons la méthode dite « Bregman Soft Clustering » afin d'être efficace d'un point de vue calculatoire. De plus, nous étudions plusieurs lois de probabilités permettant de modéliser les distributions de directions : la loi de von Mises-Fisher et la loi de Watson. Les méthodes de classification « basées modèles » proposées sont ensuite validées en utilisant des données de synthèse puis nous montrons leur intérêt pour l'analyse des images 3D (ou de profondeur). Une nouvelle méthode de segmentation d'images couleur et profondeur, appelées aussi images RGB-D, exploitant conjointement la couleur, la position 3D, et la normale locale est alors développée par extension des précédentes méthodes et en introduisant une méthode statistique de fusion de régions « planes » à l'aide d'un graphe. Les résultats montrent que la méthode proposée donne des résultats au moins comparables aux méthodes de l'état de l'art tout en demandant moins de temps de calcul. De plus, elle ouvre des perspectives nouvelles pour la fusion non supervisée des informations de couleur et de géométrie. Nous sommes convaincus que les méthodes proposées dans cette thèse pourront être utilisées pour la classification d'autres types de données comme la parole, les données d'expression en génétique, etc. Elles devraient aussi permettre la réalisation de tâches complexes comme l'analyse conjointe de données contenant des images et de la parole / Access to the 3D images at a reasonable frame rate is widespread now, thanks to the recent advances in low cost depth sensors as well as the efficient methods to compute 3D from 2D images. As a consequence, it is highly demanding to enhance the capability of existing computer vision applications by incorporating 3D information. Indeed, it has been demonstrated in numerous researches that the accuracy of different tasks increases by including 3D information as an additional feature. However, for the task of indoor scene analysis and segmentation, it remains several important issues, such as: (a) how the 3D information itself can be exploited? and (b) what is the best way to fuse color and 3D in an unsupervised manner? In this thesis, we address these issues and propose novel unsupervised methods for 3D image clustering and joint color and depth image segmentation. To this aim, we consider image normals as the prominent feature from 3D image and cluster them with methods based on finite statistical mixture models. We consider Bregman Soft Clustering method to ensure computationally efficient clustering. Moreover, we exploit several probability distributions from directional statistics, such as the von Mises-Fisher distribution and the Watson distribution. By combining these, we propose novel Model Based Clustering methods. We empirically validate these methods using synthetic data and then demonstrate their application for 3D/depth image analysis. Afterward, we extend these methods to segment synchronized 3D and color image, also called RGB-D image. To this aim, first we propose a statistical image generation model for RGB-D image. Then, we propose novel RGB-D segmentation method using a joint color-spatial-axial clustering and a statistical planar region merging method. Results show that, the proposed method is comparable with the state of the art methods and requires less computation time. Moreover, it opens interesting perspectives to fuse color and geometry in an unsupervised manner. We believe that the methods proposed in this thesis are equally applicable and extendable for clustering different types of data, such as speech, gene expressions, etc. Moreover, they can be used for complex tasks, such as joint image-speech data analysis

Cette thèse est consacrée à un nouveau modèle d'apparence pour la segmentation d'images basée modèle. Ce modèle, dénommé Multimodal Prior Appearance Model (MPAM), est construit à partir d'une classification EM de profils d'intensité combinée avec une méthode automatique pour déterminer le nombre de classes. Contrairement aux approches classiques basées ACP, les profils d'intensité sont classifiés pour chaque maillage et non pour chaque sommet. Tout d'abord, nous décrivons la construction du MPAM à partir d'un ensemble de maillages et d'images. La classification de profils d'intensité et la détermination du nombre de régions par un nouveau critère de sélection sont expliquées. Une régularisation spatiale pour lisser la classification est présentée et la projection de l'information d'apparence sur un maillage de référence est décrite. Ensuite, nous présentons une classification de type spectrale dont le but est d'optimiser la classification des profils pour la segmentation. La représentation de la similitude entre points de données dans l'espace spectral est expliquée. Des résultats comparatifs sur des profils d'intensité du foie à partir d'images tomodensitométriques montrent que notre approche surpasse les modèles basés ACP. Finalement, nous présentons des méthodes d'analyse pour les structures des membres inférieurs à partir d'images IRM. D'abord, notre technique pour créer des modèles spécifiques aux sujets pour des simulations cinématiques des membres inférieurs est décrite. Puis, la performance de modèles statistiques est comparée dans un contexte de segmentation des os lorsqu'un faible ensemble de données est disponible.

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