Investments in space systems are substantial, indivisible, and irreversible, characteristics that make them high-risk, especially when coupled with an uncertain demand environment. Traditional approaches to system design and acquisition, derived from a performance- or cost-centric mindset, incorporate little information about the spacecraft in relation to its environment and its value to its stakeholders. These traditional approaches, while appropriate in stable environments, are ill-suited for the current, distinctly uncertain and rapidly changing technical, and economic conditions; as such, they have to be revisited and adapted to the present context. This thesis proposes that in uncertain environments, decision-making with respect to space system design and acquisition should be value-based, or at a minimum value-informed. This research advances the value-centric paradigm by providing the theoretical basis, foundational frameworks, and supporting analytical tools for value assessment of priced and unpriced space systems. For priced systems, stochastic models of the market environment and financial models of stakeholder preferences are developed and integrated with a spacecraft-sizing tool to assess the system's net present value. The analytical framework is applied to a case study of a communications satellite, with market, financial, and technical data obtained from the satellite operator, Intelsat. The case study investigates the implications of the value-centric versus the cost-centric design and acquisition choices. Results identify the ways in which value-optimal spacecraft design choices are contingent on both technical and market conditions, and that larger spacecraft for example, which reap economies of scale benefits, as reflected by their decreasing cost-per-transponder, are not always the best (most valuable) choices. Market conditions and technical constraints for which convergence occurs between design choices under a cost-centric and a value-centric approach are identified and discussed. In addition, an innovative approach for characterizing value uncertainty through partial moments, a technique used in finance, is adapted to an engineering context and applied to priced space systems. Partial moments disaggregate uncertainty into upside potential and downside risk, and as such, they provide the decision-maker with additional insights for value-uncertainty management in design and acquisition. For unpriced space systems, this research first posits that their value derives from, and can be assessed through, the value of information they provide. To this effect, a Bayesian framework is created to assess system value in which the system is viewed as an information provider and the stakeholder an information recipient. Information has value to stakeholders as it changes their rational beliefs enabling them to yield higher expected pay-offs. Based on this marginal increase in expected pay-offs, a new metric, Value-of-Design (VoD), is introduced to quantify the unpriced system's value. The Bayesian framework is applied to the case of an Earth Science satellite that provides hurricane information to oil rig operators using nested Monte Carlo modeling and simulation. Probability models of stakeholders' beliefs, and economic models of pay-offs are developed and integrated with a spacecraft payload generation tool. The case study investigates the information value generated by each payload, with results pointing to clusters of payload instruments that yielded higher information value, and minimum information thresholds below which it is difficult to justify the acquisition of the system. In addition, an analytical decision tool, probabilistic Pareto fronts, is developed in the Cost-VoD trade space to provide the decision-maker with additional insights into the coupling of a system's probable value generation and its associated cost risk.

Durant ce travail, deux approches ont été explorées. <br /> Dans la première, j'ai quantifié le dégonflement osmotique de liposomes remplis d'un gel d'agarose. La fabrication de tels systèmes reconstitués vise à permettre de mimer le comportement de cellules soumises aux mêmes contraintes. En particulier, j'ai observé que ces liposomes fonctionnalisés acquièrent des morphologies crénelées lors de leur dégonflement pour une concentration du gel comprise entre 0.07 et 0.18 % en masse. Ces formes originales ressemblent à celles d'échinocytes parfois prises par les globules rouges. Le gel est responsable de l'apparition de ces formes, ne modifie pas les cinétiques de dégonflement mais sa pression élastique arrête précocement le dégonflement comparativement aux liposomes aqueux, mettant en évidence un phénomène de rétention d'eau.<br /> Dans la deuxième approche, j'ai étudié l'effet de contraintes hydrodynamiques sur des amibes Dictyostelium adhérentes à un substrat et ai quantifié la réorganisation mécanosensible du cytosquelette de ces cellules vivantes. Pour obtenir les cinétiques de relocalisation de protéines majeures du cytosquelette en réponse aux forces d'un flux, j'ai marqué l'actine et la myosine-II avec des protéines fluorescentes et ai fabriqué une chambre à flux permettant de changer rapidement la direction du flux. J'ai montré que les cellules s'orientent contre les forces du flux et se réorientent contre en inversant leur polarité après une inversion du flux : d'abord l'actine dépolymérise puis des protrusions sont émises contre les nouvelles forces mécaniques, et 15 sec plus tard, l'arrière rétracte en utilisant la myo-II. De plus, la contractilité du système actine-myosine n'est pas nécessaire pour sentir les forces. Des expériences similaires en inversant la direction d'un gradient de chimioattractants montrent que ce processus de réorientation cellulaire n'est pas spécifique d'expériences sous flux. Ce travail met en évidence l'existence d'un signal inhibiteur rapide menant à la dépolymérisation de l'actine, signal qui n'est pas pris en compte dans les modèles actuels expliquant la réponse chimiotactique. Enfin, les outils de visualisation que j'ai développés permettent d'étudier le rôle de protéines et de structures cellulaires dans la mécanotransduction.

Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung und Realisierung einer Nutzerschnittstelle für die computergestützte Bearbeitung von Oberflächen dreidimensionaler Designobjekte, die durch herkömmliche CAD-Systeme nur unzureichend unterstützt werden können. Es werden Methoden und Algorithmen erarbeitet, um die Interaktion des Benutzers direkt auf Basis der für das Design relevanten 3D Objektoberflächen zu ermöglichen. Den Ausgangspunkt bildet das Proxy-Konzept des Forschungsfeldes zur Mensch-Maschine-Interaktion, in welchem physische Stellvertreterobjekte zur Manipulation virtueller Objekte genutzt werden. Im ersten Teil der Arbeit wird dieses Konzept um eine auf die Oberfläche des bearbeiteten Objektes bezogene Interaktion und Designfunktionalität erweitert. Dazu wird das Konzept eines CAD-Proxys entwickelt und verschiedene Umsetzungen und Anwendungen erläutert. Dabei werden die CAD-Proxys in drei Typen unterschieden. Der exakte CAD-Proxy ermöglicht es, ein virtuelles Objekt mit einem formgleichen, physischen Gegenstück zu bearbeiten. Beim abstrakten CAD-Proxy wird gezeigt, wie auch ein anders geformtes Gegenstück zum Einsatz kommen kann. Der augmentierte CAD-Proxy erlaubt die Anzeige des Designs direkt auf dem physischen Gegenstück. Nutzerstudien belegen, dass die CAD-Proxys zur Erstellung eines Designs auf einer Oberfläche deutlich besser geeignet sind als eine klassische Nutzerschnittstelle. Dies gilt insbesondere für anspruchsvolle Designaufgaben, etwa im künstlerischen Design. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Verarbeitung von Linienzügen im Gestaltungsprozess eingeführt, welche das Konzept der aktiven Konturen auf Oberflächen erweitern. Diese Linienzüge werden auf die Form der Oberfläche bezogen verarbeitet und beachten gleichzeitig wichtige Merkmale, wie bspw. die Kanten des Objektes. Es wird ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem aktive Konturen auch auf schlecht vernetzten Oberflächen eingesetzt werden können und gleichzeitig Formen flexibler repräsentieren können als bisherige Ansätze. Für den Bezug der Designlinien zur Oberfläche wird eine neue Datenstruktur eingeführt, die ein geometrisches Nachbarschaftsproblem löst. Es wird gezeigt, dass diese Struktur auf den getesteten Objekten mindestens um Faktor 14 schneller ist als alternative Ansätze und auch direkt auf andere Problemstellungen anwendbar ist. Der dritte Teil enthält die Betrachtungen zum Formverständnis der Designobjekte, welche für die Designlinien und die Modellierung der Designobjekte benötigt werden. Dabei kommt die Krümmungsberechnung als etabliertes Werkzeug derartiger Analysen zum Einsatz. Hier wird eine neue Betrachtung erarbeitet, die den Einfluss unterschiedlicher Faktoren auf die Genauigkeit der Krümmungsschätzung und auf die Eignung verschiedener Schätzungsverfahren erstmals umfassend untersucht. Durch die Kombination existierender Verfahren kann das Verfahren der Shape Operator Approximation entwickelt werden, welches Eigenschaften wie Schätzungsgenauigkeit, Performanz und eine einfache Formulierung bekannter Verfahren vereint.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

D'un point de vue général, les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans le cadre d'une approche globale quiconsiste à extraire des informations relatives aux toitures de bâtiments à partir de photos aériennes (orthophotoplans). L'objectifétant de pouvoir reconnaître des toitures extraites d'images aériennes en utilisant une base de connaissances, puisaffiner/déformer des modèles 3D générés automatiquement à partir de données géographiques. Pour cela, une premièreétape consiste tout d'abord à partitionner l'image aérienne en différentes régions d'intérêt (pans de toiture, cheminées,chiens assis, fenêtres, etc.), c'est la contribution de cette thèse.La méthodologie permettant d'atteindre cet objectif est composée de trois étapes : (i) Une étape de simplification qui consisteà simplifier l'image initiale avec un couple invariant/gradient approprié et optimisé pour l'application. Pour cela, unesérie de tests permettant de choisir, d'une part, l'invariant colorimétrique le plus approprié parmi 24 invariants et, d'autrepart, le meilleur gradient parmi 14 gradients issus de la littérature est réalisée. (ii) La deuxième étape comporte deux stratégiesde segmentation par LPE. L'image simplifiée est segmentée d'une part par une LPE-régions couplée à une stratégiede fusion de régions, et d'autre part, par une LPE-contours. Le processus de fusion de régions intègre des critères defusion fondés sur des grandeurs radiométriques et géométriques adaptés aux particularités des orthophotoplans traités.Une technique de caractérisation 2D des arêtes de toitures par une analyse des segments est proposée afin de calculerl'un des critères de fusion. (iii) La troisième étape consiste à combiner les avantages de chaque méthode dans un mêmeschéma de segmentation coopératif afin d'aboutir à un résultat de segmentation fiable. Les tests ont été effectués sur unorthophotoplan contenant 100 toitures de complexité variée et évaluées avec le critère de VINET utilisant une segmentationde référence afin de prouver la robustesse et la fiabilité de l'approche proposée. Une étape de comparaison permettantde situer les résultats obtenus via notre approche proposée par rapport à ceux obtenus pas les principales méthodes desegmentation de la littérature est finalement effectuée.

La disponibilité d'images satellites à très haute résolution spatiale au dessus de zones urbaines est récente. Elle constitue potentiellement un très grand apport pour la cartographie des villes à des échelles de l'ordre du 1:10 000. La très haute résolution spatiale permet une représentation réelle des rues sue une carte, mais engendre une augmentation significative du bruit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'extraction des réseaux de rues en milieu urbain à partir des images à très haute résolution spatiale. Son objectif est de répondre à une forte demande dans la création automatisée de cartes. La méthode proposée n'utilise que l'image numérique comme source d'information. Elle est semi-automatique au niveau de la détection et exploite la coopération entre la représentation linéique de la rue et sa représentation surfacique. Le graphe topologique du réseau est d'abord extrait et est utilisé pour initialiser l'étape de reconstruction surfacique. Le résultat d'extraction peut alors servir à recaler le graphe précisément sur l'axe des rues. La méthode utilise des contraintes géométriques fortes afin de ne pas dépendre d'un modèle de profil radiométrique de la rue, trop variable en milieu urbain. Dans cette optique, un modèle de contours actif associé à la transformée en ondelettes, le DoubleSnake, a été développé. Son évolution dans un cadre multi-échelle permet d'extraire les sections de rues à bords parallèles dans un environnement bruité. Les positions finales des DoubleSnakes permettent ensuite l'extraction des intersections. La méthode a été appliquée à des images de différents capteurs et avec différents types d'urbanisation. Un protocole innovant d'évaluation quantitative des résultats par comparaison à l'interprétation humaine a permis de montrer le caractère générique de la méthode, ainsi que sa bonne robustesse vis-à-vis du bruit. Cette méthode constitue un pas vers une cartographie automatisée du réseau de rues urbain.

We focus on the two overlapping areas of preference queries and dataset summarization. A (linear) preference query specifies the relative importance of the attributes in a dataset and asks for the tuples that best match those preferences. Dataset summarization is the task of representing an entire dataset by a small, representative subset. Within these areas, we focus on three important sub-problems, significantly advancing the state-of-the-art in each. We begin with an investigation into a new formulation of preference queries, identifying a neglected and important subclass that we call threshold projection queries. While literature typically constrains the attribute preferences (which are real-valued weights) such that their sum is one, we show that this introduces bias when querying by threshold rather than cardinality. Using projection, rather than inner product as in that literature, removes the bias. We then give algorithms for building and querying indices for this class of query, based, in the general case, on geometric duality and halfspace range searching, and, in an important special case, on stereographic projection. In the second part of the dissertation, we investigate the monochromatic reverse top-k (mRTOP) query in two dimensions. A mRTOP query asks for, given a tuple and a dataset, the linear preference queries on the dataset that will include the given tuple. Towards this goal, we consider the novel scenario of building an index to support mRTOP queries, using geometric duality and plane sweep. We show theoretically and empirically that the index is quick to build, small on disk, and very efficient at answering mRTOP queries. As a corollary to these efforts, we defined the top-k rank contour, which encodes the k-ranked tuple for every possible linear preference query. This is tremendously useful in answering mRTOP queries, but also, we posit, of significant independent interest for its relation to myriad related linear preference query problems. Intuitively, the top-k rank contour is the minimum possible representation of knowledge needed to identify the k-ranked tuple for any query, without apriori knowledge of that query. We also introduce k-regret minimizing sets, a very succinct approximation of a numeric dataset. The purpose of the approximation is to represent the entire dataset by just a small subset that nonetheless will contain a tuple within or near to the top-k for any linear preference query. We show that the problem of finding k-regret minimizing sets—and, indeed, the problem in literature that it generalizes—is NP-Hard. Still, for the special case of two dimensions, we provide a fast, exact algorithm based on the top-k rank contour. For arbitrary dimension, we introduce a novel greedy algorithm based on linear programming and randomization that does excellently in our empirical investigation. / Graduate / 0984

Robust, non-intrusive human eye detection problem has been a fundamental and challenging problem for computer vision area. Not only it is a problem of its own, it can be used to ease the problem of finding the locations of other facial features for recognition tasks and human-computer interaction purposes as well. Many previous works have the capability of determining the locations of the human eyes but the main task in this thesis is not only a vision system with eye detection capability / Our aim is to design a real-time, robust, scale-invariant eye tracker system with human eye movement indication property using the movements of eye pupil. Our eye tracker algorithm is implemented using the Continuously Adaptive Mean Shift (CAMSHIFT) algorithm proposed by Bradski and the EigenFace method proposed by Turk &amp / Pentland. Previous works for scale invariant object detection using Eigenface method are mostly dependent on limited number of user predefined scales which causes speed problems / so in order to avoid this problem an adaptive eigenface method using the information extracted from CAMSHIFT algorithm is implemented to have a fast and scale invariant eye tracking. First of all / human face in the input image captured by the camera is detected using the CAMSHIFT algorithm which tracks the outline of an irregular shaped object that may change size and shape during the tracking process based on the color of the object. Face area is passed through a number of preprocessing steps such as color space conversion and thresholding to obtain better results during the eye search process. After these preprocessing steps, search areas for left and right eyes are determined using the geometrical properties of the human face and in order to locate each eye indivually the training images are resized by the width information supplied by the CAMSHIFT algortihm. Search regions for left and right eyes are individually passed to the eye detection algortihm to determine the exact locations of each eye. After the detection of eyes, eye areas are individually passed to the pupil detection and eye area detection algorithms which are based on the Active Contours method to indicate the pupil and eye area. Finally, by comparing the geometrical locations of pupil with the eye area, human gaze information is extracted. As a result of this thesis a software named &ldquo / TrackEye&rdquo / with an user interface having indicators for the location of eye areas and pupils, various output screens for human computer interaction and controls for allowing to test the effects of color space conversions and thresholding types during object tracking has been built.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung von Algorithmen und Methoden mit dem Ziel, Archäologen bei der täglichen wissenschaftlichen Arbeit zu unterstützen. Im Teil I werden Ideen präsentiert, mit denen sich die extrem zeitintensive und stellenweise stupide Funddokumentation beschleunigen lässt. Es wird argumentiert, dass das dreidimensionale Erfassen der Fundobjekte mittels Laser- oder Streifenlichtscannern trotz hoher Anschaffungskosten wirtschaftlich und vor allem qualitativ attraktiv ist. Mithilfe von nicht fotorealistischen Visualisierungstechniken können dann wieder aussagekräftige, aber dennoch objektive Bilder generiert werden. Außerdem ist speziell für Gefäße eine vollautomatische und umfassende Merkmalserhebung möglich. Im II. Teil gehen wir auf das Problem der automatisierten Gefäßklassifikation ein. Nach einer theoretischen Betrachtung des Typbegriffs in der Archäologie präsentieren wir eine Methodologie, in der Verfahren sowohl aus dem Bereich des unüberwachten als auch des überwachten Lernens zum Einsatz kommen. Besonders die letzteren haben sich dabei als überaus praktikabel erwiesen, um einerseits unbekanntes Material einer bestehenden Typologie zuzuordnen, andererseits aber auch die Struktur der Typologie selbst kritisch zu hinterfragen. Sämtliche Untersuchungen haben wir beispielhaft an den bronzezeitlichen Gräberfeldern von Kötitz, Altlommatzsch (beide Lkr. Meißen), Niederkaina (Lkr. Bautzen) und Tornow (Lkr. Oberspreewald-Lausitz) durchgeführt und waren schließlich sogar in der Lage, archäologisch relevante Zusammenhänge zwischen diesen Fundkomplexen herzustellen. / The topic of the dissertation at hand is the development of algorithms and methods aiming at supporting the daily scientific work of archaeologists. Part I covers ideas for accelerating the extremely time-consuming and often tedious documentation of finds. It is argued that digitizing the objects with 3D laser or structured light scanners is economically reasonable and above all of high quality, even though those systems are still quite expensive. Using advanced non-photorealistic visualization techniques, meaningful but at the same time objective pictures can be generated from the virtual models. Moreover, specifically for vessels a fully-automatic and comprehensive feature extraction is possible. In Part II, we deal with the problem of automated vessel classification. After a theoretical consideration of the type concept in archaeology we present a methodology, which employs approaches from the fields of both unsupervised and supervised machine learning. Particularly the latter have proven to be very valuable in order to assign unknown entities to an already existing typology, but also to challenge the typology structure itself. All the analyses have been exemplified by the Bronze Age cemeteries of Kötitz, Altlommatzsch (both district of Meißen), Niederkaina (district of Bautzen), and Tornow (district Oberspreewald-Lausitz). Finally, we were even able to discover archaeologically relevant relationships between these sites.

Neste trabalho estudamos a existência de ordem de longo alcance em modelos ferromagnéticos na presença de um campo externo cuja configuração apresenta um padrão tipicamente aleatório. Provamos por meio do argumento de Peierls modificado por Griffiths para o estudo de um antiferromagneto, que o modelo de Ising ferromagnético bidimensional exibe, para um campo alternado de intensidade fraca, ordem de longo alcance `a temperatura finita. Propomos dar um passo além considerando campos auto-similares esparsos, cuja soma é nula em todas as escalas. Estudamos também o modelo hierárquico em duas dimensões, para o qual provamos a existência de ordem de longo alcance a temperatura finita, na ausência de campo externo e para um campo com regiões irregulares esparsas. Provamos que os resultados do modelo de contornos hierárquicos são equivalentes aos resultados do modelo hierárquico em duas dimensões. Por fim, provamos através do método do limite infravermelho existência de ordem de longo alcance no modelo N-vetorial com campo alternado, de intensidade fraca, para d >= 3, sob a hipótese de que a variância do estado associado `a interação com o campo apresenta cardinalidade inferior a do volume do sistema. Mostramos, sob hipóteses similares, que o modelo N-vetorial hierárquico com campo externo, esparso e de intensidade pequena, apresenta ordem de longo alcance a baixas temperaturas. / In this work we study the existence of long range order for ferromagnetic models in the presence of an external field whose configuration has a pattern typically random. We prove, via the Peierls\' argument modified by Griffiths in his study of an antiferromagnet, that the two dimensional ferromagnetic Ising model for a staggered field exhibits long-range order at finite temperature and small field intensity. We propose to give a further step considering sparse self similar fields, whose sum is zero in all scales. We study as well the hierarchical model in two dimensions, where we prove existence of long-range order at finite temperature in the absence of external field and for a field configuration with sparse irregular regions. We prove that the results for the two-dimensional hierarchical contours model are equivalent to the results of the hierarchical model in two dimensions. Lastly, we prove via infrared bound method, existence of long range order in the N-vector model with a staggered and weak external field for d >= 3, under the hypothesis that the variance of the state connected with the field interaction has cardinality lower than volume. We show, under similar hypotheses, that the N-vector hierarchical model with a sparse field of low intensity has long range ordem at low temperatures.