Este trabalho representa continuidade no desenvolvimento de trabalhos na área de neurociência computacional, em particular na área de neuromorfometria e no relacionamento da forma-função. Os objetivos principais são a investigação e a simulação de modelos dinâmicos para o desenvolvimento de células neurais, e a caracterização da sua morfometria em termos de atributos. A tese apresenta um histórico sobre a neurociência, e uma breve revisão sobre a biologia do neurônio e sobre fatores que influenciam na variação na sua forma. Seguimos com a apresentação dos principais modelos computacionais de simulação neural, funcionais e de crescimento neural, com uma descrição mais detalhada de um modelo de crescimento baseado na atuação do cálcio como agente morfogênico e também na polimerização de actinas. Como uma introdução à modelagem neural, discutimos técnicas computacionais de evolução de contornos que podem ser utilizadas na simulação do desenvolvimento neural, propagação de frentes e contornos ativos. Apresentamos também medidas neuromorfométricas tais como a dimensão fractal multiescala, e medidas extraídas a partir do esqueleto da imagem do neurônio, tais como largura, espessura, número de ramos e curvatura das ramificações. Apresentamos os resultados obtidos em diferentes hipóteses de desenvolvimento de células neurais. Foram propostos crescimentos baseados na normal (velocidade na direção normal a curva), convolução, thin plate splines e dinâmica da polimerização da actina. Além disso, foi proposta uma nova abordagem para a evolução da membrana neural baseada em contornos, utilizando a formulação de contornos ativos sob a ação do campo elétrico externo e a curvatura da forma, o que possibilitou a geração de estruturas com características muito semelhantes a do neurônio, inclusive com ramificações. Finalizamos o trabalho apresentando os resultados e conclusões obtidas para os modelos de desenvolvimento. / In this thesis we report the investigation and simulation of dynamic models of neural growing, and their characterization using shape features, considering the form function relationship and neuromorphometry. The thesis begins by presenting an overview about neuroscience, neural cell biology and the biological factors that affects the neuron form developments, followed by the presentation of computational neuronal models based on electrophisiological measures and development models of internal structures as actin and microtubules. Special attention is devoted to a neuron growth model based on calcium as a morphogen, whose main characteristic is its electric activity at the membrane. Regarding mathematical models of neural development, two different approaches of contour evolutions are presented, Level Set Methods and Active Contours. Some neuromorphometric measures are implemented and discussed as features for classification and neural evolution, including the multiscale fractal dimension, and dendrite measurements are obtained by using neuron skeletons. In agreement with biological form influences, some hypotheses about development of neuron growth are proposed based on evolution rules, such as: normal evolution (based in normal velocity), convolution, thin plate splines and actin polimerization. A new approach about neuron development is also proposed: a contour based technique that makes use of active contour formulation, Snake Balloon, where the membrane velocity and direction suffers influences of internal and external factors, such as electrical field with diferent geometries, and contour curvature. Both hypotheses are in accordance with the biological factors that influences the neuron form. The simulation produces similar neuron-like structures, even with ramification of certain dendrites

Il existe aujourd'hui de nombreux procédés de soudage répondant à la très grande variété d'assemblage à réaliser et aux caractéristiques des métaux utilisés. Le premier chapitre décrit les différentes sources d'énergie utilisées en soudage. Suite à cela, une explication plus détaillée du soudage à l'arc électrique est donnée. Enfin nous présentons la conception d'une plateforme d'essai de soudage. Il est possible, bien sûr, d'utiliser une approche empirique pour optimiser un procédé. Néanmoins il y a des avantages à choisir une approche analytique puisqu'on peut en attendre des avancées significatives dans la compréhension des interactions dynamiques présentes dans l'arc. C'est pourquoi nous présentons dans le chapitre 2 les connaissances théoriques de la physique quant au comportement du métal liquide transféré en soudage MIG/MAG. Ce travail comporte donc également un aspect expérimental nécessaire à l'élaboration des bases de données utilisées pour la construction des modèles. Les différents enregistrements ont été effectués au CTAS sur une plate forme équipée d'un système d'acquisition de données pour les mesures de tension, courant, vitesse fil et d'un système de vidéo rapide. Le chapitre 3 présente notre recherche d'une méthode de segmentation permettant d'obtenir le suivi de variables pertinentes. Nous y proposons un capteur logiciel basé sur la théorie des contours actifs et montrons de bons résultats obtenus sur des vidéos expérimentales. Une étape d'ajustement de certains paramètres est indispensable. Elle est donnée dans le chapitre 4. Le simulateur créé permet d’interpréter certains phénomènes importants en soudage, de réaliser une étude de sensibilité « sans risque » et de donner les signatures théoriques de défauts. / Nowadays there is a lot of welding processes giving an answer to the great diversity of joints to realize and to the characteristics of the metals employed. The first chapter describes the different power sources used in welding. After that, a more detailed explanation of arc welding is given. Finally we present the design of a welding test bed. One can, of course, use an empirical approach to optimize a process. Nevertheless there are advantages in choosing an analytical approach since we can expect significant progress in the understanding of the dynamical interactions in the arc. That’s why we present in the second chapter the theoretical knowledge concerning the behaviour of the molten metal transferred during Gas Metal Arc Welding. This work involves as well an experimental aspect required for the elaboration of the databases used to build the model. The recordings were made at CTAS on a test bed equipped with an acquisition system for measuring voltage, current, wire feed speed and high speed videos. The third chapter presents our research of a segmentation method to measure some relevant quantities. We propose a software sensor based on the active contour theory and we show good results on experimental movies. An adjustment step of the model is needed and described in the fourth chapter. The created simulator allows us to interpret some important phenomena in welding, to make a sensitive study “without risk” and to give theoretical defects signatures.

Técnicas de modelagem baseada em imagens têm recebido considerável atenção da comunidade de visualização computacional devido ao potencial de criar cenas realistas a partir de um pequeno conjunto de imagens bi-dimensionais. Entretanto, a qualidade dos modelos gerados pelas ferramentas atualmente disponíveis é extremamente dependente de entradas fornecidas pelo usuário. Este trabalho propõe a execução do projeto de uma ferramenta de auxílio para sistemas de modelagem baseada em imagens que utiliza o conceito de contornos ativos para aumentar o grau de automação do processo de localização do contorno do objeto presente na fotografia, que servirá de guia para a posterior localização dos vértices desse objeto. Através desta abordagem, figuras geométricas mais simples, como pirâmides e hexaedros, puderam ser reconstruídas após a recuperação das coordenadas de seus vértices / Image Based Modelling techniques has received considerable attention from the computer vision community due to the potential to create realistic scenes from some bi-dimensional images. However, the model?s quality generated by the tools available nowadays is extremely dependent on entries provided by the user. This work proposes the execution of a help tool project for image based modelling systems that uses the active contours concept to increase the process automation degree of locating the contour of an object in the image, which will guide the vertex location process of this object. Through this approach, simple geometric figures, as pyramids and squares, could be reconstructed after the vertex coordinates recuperation

As doenÃas cardÃacas constituem a principal causa de mortalidade em paÃses desenvolvidos e ocupam uma posiÃÃo de destaque em paÃses em desenvolvimento, sendo no Brasil a segunda causa de morte. Na busca por sua identificaÃÃo, diversos exames podem ser feitos, dentre eles o ECG (eletrocardiograma), medicina nuclear e o ecocardiograma de esforÃo (ECE). Este Ãltimo à preferÃvel por ser um mÃtodo de baixo custo, comparando-se com medicina nuclear, alÃm de ser um mÃtodo nÃo evasivo. Por estas razÃes à muito utilizado no diagnÃstico preciso de isquemia (perda de elasticidade muscular), inclusive na sua intensidade. Entretanto, o diagnÃstico por ECE à realizado por uma anÃlise visual de um vÃdeo por um especialista, portanto subjetivo. Esta dissertaÃÃo descreve um mÃtodo de segmentaÃÃo do ventrÃculo esquerdo em ecocardiogramas, utilizando-se de contornos ativos (snakes) na tentativa de tornar o ECE o mais objetivo possÃvel, permitindo uma medida automÃtica do volume do ventrÃculo esquerdo atravÃs da anÃlise do ECE a fim de detectar a isquemia. TÃcnicas de eliminaÃÃo de ruÃdo speckle sÃo implementadas e confrontadas, pois o ECE à sempre contaminado por este tipo de ruÃdo, resultando em uma anÃlise visual de difÃcil percepÃÃo. Tais tÃcnicas utilizam a transformada wavelets na construÃÃo dos filtros, sendo entÃo, implementados e avaliados quatro diferentes algoritmos, tomando-se como parÃmetro o tempo de processamento e a relaÃÃo sinal/ruÃdo. Desenvolvesse tambÃm uma tÃcnica de detecÃÃo do ventrÃculo esquerdo, usando o mÃtodo dos contornos ativos (snakes). Resultados parciais sÃo obtidos, permitindo uma detecÃÃo de bordas do miocÃrdio interno representando as paredes do ventrÃculo esquerdo. / The cardiac illnesses represent the most of death cause in developed countries and one of the commonest in developing countries, which is the case of Brazil. In order to detect them, different existing methods can be applied. Among them, the ECG (electrocardiogram), methods developed from nuclear medicine and echocardiogram of effort (ECE). This last one is preferred due to its low cost, in comparison with the nuclear medicine and its non-invasive ability. For these reasons, ECE is used to diagnostic the isquemia (muscular elasticity loss). But the diagnostic is done by a specialist through the visualization of a video, and is consequently subjective. This master degree dissertation describes a segmentation method of the left ventricle in ecocardiograms, using the active contours model (snake), in order to the ECE becomes more objective, allowing an automatic measure of left ventricle and consequently the detection of isquemia. Denoising techniques are implemented because this kind of image is corrupted by the speckle noise, what is harmful for analises. Wavelet-based technics are developed and four algorithms are compared in measuring the time of execution and the resulting signal to noise ratio. From the resulting denoised images, a technique for left ventricle border detection is developed using the snake methods. Partial results show an effective result for the detection of intern myocardium borders which represent the left ventricle.

Cette thèse est consacrée à la détection des contours à partir d'images acquises par des caméras couleur mono-capteur. Dans ces dispositifs, le capteur est recouvert d'une mosaïque de filtres chromatiques (Color Filter Array, ou CFA) et forme une image (dite <<brute>> ou CFA) qui ne comporte qu'une seule composante couleur par pixel. Une procédure de dématriçage est classiquement appliquée à cette image pour estimer les deux composantes couleur manquantes en chaque pixel et obtenir une image couleur. Cependant, les artéfacts générés par le dématriçage peuvent altérer les performances des méthodes d'analyse bas-niveau des images. Ceci nous amène à éviter le dématriçage pour la détection des contours. Dans une approche de type gradient, nous proposons d'estimer les dérivées partielles soit en calculant les dérivées partielles dans les trois plans couleur (approche vectorielle), soit en estimant une luminance adaptée à la détection des contours (approche scalaire). L'état de l'art met en évidence que l'exploitation directe de l'image brute a été peu abordée et que les approches développées dans cette thèse sont originales. Pour l'approche vectorielle, nous proposons une adaptation de l'implantation récursive du filtre de Deriche au treillis du CFA. Pour l'approche luminance, nous utilisons un filtre optimal qui lisse et dérive conjointement les données brutes. Nous évaluons les performances des méthodes développées sur une base d'images synthétiques dont la vérité terrain est connue. Nous montrons ainsi que la détection des contours à partir des données brutes peut être satisfaisante tout en étant peu coûteuse en temps de calcul. / This thesis is devoted to edge detection from the raw image acquired by single-sensor cameras. Such cameras are fitted with Bayer Color Filter Array (CFA, generally Bayer one) and deliver raw CFA image, in which each pixel is characterized by only one out of the three colour components (red, green, or blue). A demosaicing procedure is necessary to estimate the other two missing colour components at each pixel, so as to obtain a colour image. This however produces artefacts that may affect the performance of low-level processing tasks applied to such estimated images. We propose to avoid demosaicing to compute partial derivatives for edge detection. Simple differentiation kernels, Deriche filters or shifted Deriche filters can be used either in a vector or a scalar approache. The vector approach computes partial derivatives for the three channels and the scalar approach first estimates a luminance image, then computes derivatives. The partial CFA derivatives are then used to compute Di Zenzo gradient for edge detection. We assess the performance of our methods on a large dataset of synthetic images with available edge ground truth. We show that CFA-based approaches may provide as accurate edge detection results as colour vector-based ones at much reduced computation cost.

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The following dissertation introduces the hazard of methane buildup in the gob zone, a caved region behind a retreating longwall face. This region serves as a reservoir for methane that can bleed into the mine workings. As this methane mixes with air delivered to the longwall panel, explosive concentrations of methane will be reached. Computational fluid dynamics (CFD) is one of the many approaches to study the gob environment. Several studies in the past have researched this topic and a general approach has been developed that addresses much of the complexity of the problem. The topic of research herein presents an improvement to the method developed by others. This dissertation details a multi-scale approach that includes the entire mine ventilation network in the computational domain. This allows one to describe these transient, difficult to describe boundaries. The gob region was represented in a conventional CFD model using techniques consistent with past efforts. The boundary conditions, however, were cross coupled with a transient network model of the balance of the ventilation airways. This allows the simulation of complex, time dependent boundary conditions for the model of the gob, including the influence of the mine ventilation system (MVS). The scenario modeled in this dissertation was a property in south western Pennsylvania, working in the Pittsburgh seam. A calibrated ventilation model was available as a result of a ventilation survey and tracer gas study conducted by NIOSH. The permeability distribution within the gob was based upon FLAC3d modeling results drawn from the literature. Using the multi-scale approach, a total of 22 kilometers of entryway were included in the computational domain, in addition to the three dimensional model of the gob. The steady state solution to the problem, modeling using this multi-scale approach, was validated against the results from the calibrated ventilation model. Close agreement between the two models was observed, with an average percent difference of less than two percent observed at points scattered throughout the MVS. Transient scenarios, including roof falls at key points in the MVS, were modeling to illustrate the impact on the gob environment.

Cette thèse est consacrée au développement d'outils de traitement adaptés aux images omnidirectionnelles grâce à la "sphère équivalente". En effet, l'utilisation directe de méthodes classiques (c'est-à-dire appropriées aux images réelles) sur des images omnidirectionnelles introduit des erreurs car elle ne prend pas en considération les distorsions introduites par le miroir. Projeter les images omnidirectionnelles sur cette sphère offre l'avantage de pouvoir effectuer les différents traitements sur un espace plus uniforme. Dans un premier temps, nous rappelons le principe de la vision omnidirectionnelle, puis nous nous attardons sur un capteur en particulier, celui composé d'une caméra observant un miroir parabolique. Nous donnons ensuite les éléments de démonstration pour justifier l'existence de la "sphère équivalente". Dans un second temps, nous présentons différents outils mathématiques (harmoniques sphériques, convolution sphérique...) nécessaires au développement de nos méthodes sphériques. Nous proposons ensuite la construction de plusieurs traitements bas-niveaux adaptés aux images sphériques : débruitage et détection de contours. Ces différentes méthodes ont fait l'objet de tests afin de déterminer leurs avantages par rapport aux "méthodes classiques" de traitements d'images omnidirectionnelles. Ces comparaisons ont mis en évidence l'avantage de ces "méthodes sphériques" qui offrent un traitement uniforme sur toute l'image.

La segmentation des lèvres est une étape essentielle pour de nombreux systèmes multimedia tels que la vidéoconférence, la lecture labiale ou les systèmes de communication bas débit. Au cours de cette thèse, nous avons développé un algorithme quasi automatique, précis et robuste de segmentation de lèvres dans des séquences vidéo. Dans un premier temps, le contour supérieur de la bouche ainsi que plusieurs points caractéristiques sont détectés dans l'image initiale en utilisant un nouveau type de contour actif nommé “jumping snake”. Contrairement aux snakes classiques, le jumping snake est peu sensible à l'initialisation et la détermination de ses paramètres est simple et intuitive. Pour la segmentation proprement dite, nous introduisons un modèle analytique très flexible composé de quelques courbes cubiques. L'intérêt de ce modèle réside avant tout dans sa grande flexibilité qui permet de rendre compte de manière réaliste d'un très large panel de formes possibles pour la bouche. Dans les images suivantes, la segmentation est réalisée en utilisant un suivi temporel des points caractéristiques et des paramètres du modèle. De plus, nous proposons un algorithme de recalage permettant de compenser efficacement les erreurs de suivi. Finalement, nous montrons que notre algorithme permet de suivre les points caractéristiques avec une précision comparable à celle d'une saisie manuelle.

Le monde médical dispose de plus en plus de sources d'images différentes, non seulement pour réaliser un diagnostic mais aussi pour évaluer l'efficacité d'un traitement et pour être guidé dans les interventions chirurgicales. Parallèlement, le développement des techniques opératoires s'oriente vers la chirurgie non " à ciel ouvert ", notamment la coelioscopie, qui permet de diminuer les risques liés à l'intervention ainsi que le temps d'hospitalisation du patient. En revanche, elle rend moins intuitive la réalisation de l'acte chirurgical, notamment du fait de la vision réduite à l'utilisation d'une ou plusieurs caméras dans la région d'intérêt. Durant ma thèse, j'ai conçu et mis en oeuvre des nouvelles méthodes informatiques de traitement 3D d'images radiologiques ainsi que de nouvelles utilisations médicales de ces images. Les contributions présentées concernent la visualisation et le traitement des données, la segmentation de structures 3D, la fusion mono et multimodale et l'aide à la réalisation d'interventions. Les applications présentées concernent notamment la planification et la réalisation d'interventions sous coelioscopie et de ponctions mais aussi l'imagerie industrielle. L'utilisation conjointe de différentes modalités d'images permet d'améliorer la visualisation, la manipulation et la compréhension de scènes tridimensionnelles, conduisant à une plus grande compréhension des observations et à une meilleure prise de décision.