Cette HDR présente mes travaux récents en combinatoire (énumérative et algébrique) autour du groupe symétrique, et répartis sur trois axes principaux : les co-quasi-invariants polynomiaux, les matrices à signes alternants et les tableaux boisés.

La tomographie est un ensemble de techniques visant à reconstruirel'intérieur d'un objet sans toucher l'objet lui même comme dans le casd'un scanner. Les principes théoriques de la tomographie ont été énoncéspar Radon en 1917. On peut assimiler l'objet à reconstruire à une image,matrice, etc.Le problème de reconstruction tomographique consiste à estimer l'objet àpartir d'un ensemble de projections obtenues par mesures expérimentalesautour de l'objet à reconstruire. La tomographie discrète étudie le cas où lenombre de projections est limité et l'objet est défini de façon discrète. Leschamps d'applications de la tomographie discrète sont nombreux et variés.Citons par exemple les applications de type non destructif comme l'imageriemédicale. Il existe d'autres applications de la tomographie discrète, commeles problèmes d'emplois du temps.La tomographie discrète peut être considérée comme un problème d'optimisationcombinatoire car le domaine de reconstruction est discret et le nombrede projections est fini. La programmation mathématique en nombres entiersconstitue un outil pour traiter les problèmes d'optimisation combinatoire.L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'utiliser les techniques d'optimisationcombinatoire pour résoudre les problèmes de tomographie.

Dans cette thèse, nous explorons de nouvelles méthodes d'analyse d'images pour la détection précoce des changements métaboliques cérébraux causés par la maladie d'Alzheimer (MA). Nous introduisons deux apports méthodologiques que nous appliquons à un ensemble de données réelles. Le premier est basé sur l'apprentissage automatique pour créer une carte des informations de classification pertinente dans un ensemble d'images. Pour cela nous échantillonnons des blocs de voxels de l'image selon un algorithme de Monte-Carlo. La mise en oeuvre d'une classification basée sur ces patchs 3D a pour conséquence importante la réduction significative du volume de patchs à traiter, et l'extraction de caractéristiques dont l'importance est statistiquement quantifiable. Cette méthode s'applique à différentes caractéristiques de l'image et donc est adaptée à des types d'images très variés. La résolution des cartes produites par cette méthode peut être affinée à volonté et leur contenu informatif est cohérent avec les résultats antérieurs basés sur les statistiques sur les voxels obtenus dans la littérature. Le second apport méthodologique porte sur la conception d'un nouvel algorithme de décomposition de tenseur d'ordre important, adapté à notre application. Cet algorithme permet de réduire considérablement la consommation de mémoire et donc évite la surcharge de la mémoire. Il autorise la décomposition rapide de tenseurs, y compris ceux de dimensions très déséquilibrées. Nous appliquons cet algorithme en tant que méthode d'extraction de caractéristiques dans une situation où le clinicien doit diagnostiquer des stades MA précoce ou MCI (Mild Cognitive Impairment) en utilisant la TEP FDG seule. Les taux de classification obtenus sont souvent au-dessus des niveaux de l'état de l'art. Dans le cadre de ces tâches d'analyse d'images, nous présentons notre source de données, les scans de patients retenus et les pré-traitements réalisés. Les principaux aspects que nous voulons prendre en compte sont la nature volumétrique des données, l'information a priori disponible sur la localisation des changements métaboliques et comment l'identification des zones de changements métaboliques participe à la réduction de la quantité de données à analyser et d'extraire des caractéristiques discriminantes. Les méthodes présentées fournissent des informations précises sur la localisation de ces changements métaboliques. Les taux de classification allant jusqu'à 92,6% pour MA et 83,8% pour MCI. En outre, nous sommes capables de séparer les patients MCI stables des MCI patients évoluant vers la MA dans les 2 ans après l'acquisition du PET-scan avec un taux de classification de 84.7%. Ce sont des étapes importantes vers une détection fiable et précoce de la MA.

Les travaux de recherche concernant l'ordonnancement mobilisent un nombre important de chercheurs. Cette forte émulation est principalement due au large panorama des problématiques d'ordonnancement. Parmi elles, le problème d'atelier à cheminement multiple, communément appelé " Job-Shop ", tient une place particulièrement prépondérante tant ce problème est rencontré dans le milieu industriel. De nombreux sujets de recherche, en France et à l'étranger, sont issus de cette problématique. Les problèmes de Job-Shop peuvent souvent être simplifiés en les considérant comme des problèmes cycliques. L'ordonnancement des tâches devient ainsi cyclique et son objectif est d'organiser les activités de production en répétant un cycle de base que l'on a optimisé. De nombreux paramètres entrent en jeu dans l'optimisation du cycle de base tels que la période du cycle choisie, l'ordre des opérations élémentaires pour réaliser un travail, la durée de ces opérations, le nombre de produits à réaliser par cycle, etc. Plusieurs approches ont été utilisées pour résoudre ce problème. Parmi elles, nous pouvons citer l'approche par réseaux de Petri et plus particulièrement par graphes d'événements temporisés, l'approche par les graphes, l'approche par la programmation linéaire et l'approche par la théorie des tas. L'approche par les graphes permet une représentation graphique du problème sous forme d'un graphe où les noeuds représentent les différentes opérations et où les arcs illustrent les contraintes du problème d'ordonnancement cyclique, un tel problème admet une solution réalisable si, et seulement si, le graphe associé est consistant. Cette propriété de consistance d'un problème d'ordonnancement cyclique et de son graphe permet d'élaguer l'arbre de recherche de la procédure de séparation et d'évaluation proposée pour cette approche. Concernant l'approche par la théorie des tas, le sous-problème de l'évaluation d'une solution peut être résolu aisément avec l'aide de la théorie des tas. En effet, en traduisant le problème dans une structure mathématique adaptée, l'évaluation du taux de production du cycle revient au calcul d'une valeur propre d'un produit de matrices dans lequel chacune des matrices représente une opération élémentaire. Cette propriété s'avère particulièrement intéressante dans le cas de l'évaluation successive d'un grand nombre d'ordonnancement. En outre, la théorie des tas permet une représentation très intuitive d'un ordonnancement, puisque celui-ci s'illustre comme un empilement de plusieurs briques (en fait, un " tas " de briques) dont le contour supérieur correspond aux dates de fin des dernières opérations des machines.

Le travail de cette thèse est à l'interface des dom aines de la recherche opérationnelle et de la micro -électronique. Il traite de l'utilisation des techniques d'optimisation combinatoire pour la DFT (Design For Test) des Circuits Intégrés (CI). Avec la croissance rapide et la complexité des CI actuels, la qualité ainsi que le coût du test sont devenus des paramètres importants dans l'industrie des semi-con ducteurs. Afin de s'assurer du bon fonctionnement du CI, l'étape de test est plus que jamais une étape essentielle et délicate dans le processus de fabrication d'un CI. Pour répondre aux exigences du marché, le test doit être rapide et efficace dans la révélation d'éventuels défauts. Pour cela, il devient incontournable d'appréhender la phase de test dès les étapes de conception du CI. Dans ce contexte, la conception testable plus connue sous l'appellation DFT vise à améliorer la testabilité des CI. Plusieurs problèmes d'optimisation et d'aide à la décision découlent de la micro-électronique. La plupart de ces travaux traitent des problèmes d'optimisation combinatoire pour le placement et routage des circuits. Nos travaux de recherche sont à un niveau de conception plus amont, la DFT en présynthèse au niveau transfert de registres ou RTL (Register Transfer Level). Cette thèse se découpe en trois parties. Dans la première partie nous introduisons les notions de bases de recherche opérationnelle, de conception et de test des CI. La démarche suivie ainsi que les outils de résolution utilisés dans le reste du document sont présentés dans cette partie. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons au problème de l'optimisation de l'insertion des chaîne s de scan. A l'heure actuelle, le "scan interne" est une des techniques d'amélioration de testabilité ou de DFT les plus largement adoptées pour les circuits intégrés numériques. Il s'agit de chaîner les éléments mémoires ou bascules du circuit de sorte à former des chaînes de scan qui seront considérées pendant la phase de test comme points de contrôle et d'observation de la logique interne du circuit. L'objectif de notre travail est de développer des algorithmes permettant de générer pour un CI donné et dès le niveau RTL des chaînes de scan optimales en termes de surface, de temps de test et de consommation en puissance, tout en respectant des critères de performance purement fonctionnels. Ce problème a été modélisé comme la recherche de plus courtes chaînes dans un graphe pondéré. Les méthodes de résolution utilisées sont basées sur la recherche de chaînes hamiltoniennes de longueur minimale. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec la start-up DeFacTo Technologies. La troisième partie s'intéresse au problème de partage de blocs BIST (Built In Self Test) pour le test des mémoires. Le problème peut être formulé de la façon suivante : étant données des mémoires de différents types et tailles, ainsi que des règles de partage des colliers en série et en parallèle, il s'agit d'identifier des solutions au problème en associant à chaque mémoire un collier. La solution obtenue doit minimiser à la fois la surface, la consommation en puissance et le temps de test du CI. Pour résoudre ce problème, nous avons conçu un prototype nommé Memory BIST Optimizer (MBO). Il est constitué de deux phases de résolution et d'une phase de validation. La première phase consiste à créer des groupes de compatibilité de mémoires en tenant compte des règles de partage et d'abstraction des technologies utilisées. La deuxième phase utilise les algorithmes génétiques pour l'optimisation multi-objectifs afin d'obtenir un ensemble de solutions non dominées. Enfin, la validation permet de vérifier que la solution fourn ie est valide. De plus, elle affiche l'ensemble des solutions à travers une interface graphique ou textuelle. Cela permet à l'utilisateur de choisir la solution qui lui correspond le mieux. Actuellement, l'outil MBO est intégré dans un flot d'outils a ST-microelectronics pour une utilisation par ses clients.

La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d'apporter des réponses. On s'intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l'image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l'unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d'informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d'aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d'ensembles ayant des propriétés de convexité qu'on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d'ensembles, nous montrons qu'elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d'ensemblesconvexes par quadrants qui, si l'unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l'unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d'estimer, à partir d'une seule projection, la surface d'un ensemble 2D. Concernant l'estimation du périmètre d'un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d'un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l'objet projeté.

La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d'apporter des réponses. On s'intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l'image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l'unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d'informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d'aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d'ensembles ayant des propriétés de convexité qu'on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d'ensembles, nous montrons qu'elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d'ensemblesconvexes par quadrants qui, si l'unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l'unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d'estimer, à partir d'une seule projection, la surface d'un ensemble 2D. Concernant l'estimation du périmètre d'un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d'un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l'objet projeté.

Depuis 2007, la société Sol-Solution avec le partenariat du laboratoire LaMI de l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand a entrepris des recherches pour étudier le comportement mécanique d’un ouvrage en sol renforcé par une structure alvéolaire M3S® et soumis à une sollicitation dynamique. Dans le cadre de ce travail de recherche, les sollicitations de type choc ont plus particulièrement été étudiées. Ce mémoire est structuré en 3 parties : la première partie rappelle les caractéristiques principales du comportement mécanique ainsi que les principes généraux de conception d’un ouvrage en sol renforcé par géotextiles M3S®. Une étude bibliographique s’intéresse ensuite à la caractérisation des 3 sollicitations dynamiques retenues (séisme, explosion, choc) et aux méthodes existantes permettant leur prise en compte dans la conception d’ouvrage ; la seconde partie présente l’approche numérique préliminaire qui a conduit au développement de deux modèles numériques d’impacts sur des structures en sol renforcé par géocellulaires. Les résultats ont permis d’identifier les paramètres mécaniques les plus influents des différents matériaux constitutifs ; la dernière partie s’appuie sur les résultats précédents ainsi que sur les lois de similitudes pour concevoir une expérimentation d’un impact sur deux massifs alvéolaires à échelle géométrique 1/10e. L’influence sur la réponse de deux types de renforcement au comportement mécanique différent a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont ensuite permis un développement des deux modèles numériques préliminaires. Enfin, les perspectives d’utilisation de cet outil numérique ainsi que les applications industrielles sont présentées. / Since 2007, Sol Solution company with the help of the Clermont-Ferrand Blaise Pascal University’s LaMI laboratory, performed a study on the mechanical behaviour under dynamic load of a structure reinforced by the M3S (c) geocell system. In the context of that PhD, impact solicitations have been studied. This memory is divided in three parts : First part focuses on the main mechanical behaviour characteristics and general rules of reinforced soil with M3S(c) geocells design. Then, the bibliographical approach focuses on the 3 dynamic loads chosen (seism, blast, impact) and on the way they are taking in account on work design ; Second part shows the preliminary numerical approach which lead to the development of two numerical impact model on soil reinforced geocell structure. Results allows us to identify the most influent mechanical parameters of the different materials ; Last part groups numerical and similitude laws that allow to design a 1/10th low-scale impact experiment on two structures. Two different reinforcement were tested, plastic and paper. Experimental results allowed to improve two preliminary numerical models. Finally, discussion about that numerical tool and engineering applications are performed.

Ces travaux s'inscrivent dans la thématique de l'inférence géométrique dont le but est de répondre au problème suivant : étant donné un objet géométrique dont on ne connaît qu'une approximation, peut-on estimer de manière robuste ses propriétés? On se place dans cette thèse dans le cas où l'approximation est un nuage de points ou un ensemble digital dans un espace euclidien de dimension finie. On montre tout d'abord un résultat de stabilité d'un estimateur de normale basé sur l'analyse en composante principale, ainsi qu'un résultat de convergence multigrille d'un estimateur du Voronoi Covariance Measure qui utilise des matrices de covariance de cellules de Voronoi. Ces deux résultats, comme la plupart des résultats en inférence géométrique, utilisent la stabilité de la fonction distance à un compact. Cependant, la présence d'un seul point aberrant suffit pour que les hypothèses des résultats de stabilité ne soient pas satisfaites. La distance à une mesure est une fonction distance généralisée introduite récemment qui est robuste aux points aberrants. Dans ce travail, on généralise le Voronoi Covariance Measure à des fonctions distances généralisées et on montre que cet estimateur appliqué à la distance à une mesure est robuste aux points aberrants. On en déduit en particulier un estimateur de normale très robuste. On présente également des résultats expérimentaux qui montrent une forte robustesse des estimations de normales, courbures, directions de courbure et arêtes vives. Ces résultats sont comparés favorablement à l'état de l'art. / The purpose of geometric inference is to answer the following problem : Given a geometric object that is only known through an approximation, can we get a robust estimation of its properties? We consider in this thesis the case where the approximation is a point cloud or a digital set in a finite dimensional Euclidean space. We first show a stability result for a normal estimator based on the principal component analysis, as well as a result of multigrid convergence of an estimator of the Voronoi covariance measure, which uses covariance matrices of Voronoi cells. As most of geometric inference results, these two last results use the robustness of the distance function to a compact set. However, the presence of a single outlier is sufficient to make the assumptions of these results not satisfied. The distance to a measure is a generalized distance function introduced recently, that is robust to outliers. In this work, we generalize the Voronoi Covariance Measure to generalized distance functions and we show that this estimator applied to the distance to a measure is robust to outliers. We deduce a very robust normal estimator. We present experiments showing the robustness of our approach for normals, curvatures, curvature directions and sharp features estimation. These results are favorably compared to the state of the art.

La théorie de l'homologie formalise la notion de trou dans un espace. Pour un sous-ensemble de l'espace Euclidien, on définit une séquence de groupes d'homologie, dont leurs rangs sont interprétés comme le nombre de trous de chaque dimension. Ces groupes sont calculables quand l'espace est décrit d'une façon combinatoire, comme c'est le cas pour les complexes simpliciaux ou cubiques. À partir d'un objet discret (un ensemble de pixels, voxels ou leur analogue en dimension supérieure) nous pouvons construire un complexe cubique et donc calculer ses groupes d'homologie.Cette thèse étudie trois approches relatives au calcul de l'homologie sur des objets discrets. En premier lieu, nous introduisons le champ de vecteurs discret homologique, une structure combinatoire généralisant les champs de vecteurs gradients discrets, qui permet de calculer les groupes d'homologie. Cette notion permet de voir la relation entre plusieurs méthodes existantes pour le calcul de l'homologie et révèle également des notions subtiles associés. Nous présentons ensuite un algorithme linéaire pour calculer les nombres de Betti dans un complexe cubique 3D, ce qui peut être utilisé pour les volumes binaires. Enfin, nous présentons deux mesures (l'épaisseur et l'ampleur) associés aux trous d'un objet discret, ce qui permet d'obtenir une signature topologique et géométrique plus intéressante que les simples nombres de Betti. Cette approche fournit aussi quelques heuristiques permettant de localiser les trous, d'obtenir des générateurs d'homologie ou de cohomologie minimaux, d'ouvrir et de fermer les trous. / Homology theory formalizes the concept of hole in a space. For a given subspace of the Euclidean space, we define a sequence of homology groups, whose ranks are considered as the number of holes of each dimension. Hence, b0, the rank of the 0-dimensional homology group, is the number of connected components, b1 is the number of tunnels or handles and b2 is the number of cavities. These groups are computable when the space is described in a combinatorial way, as simplicial or cubical complexes are. Given a discrete object (a set of pixels, voxels or their analog in higher dimension) we can build a cubical complex and thus compute its homology groups.This thesis studies three approaches regarding the homology computation of discrete objects. First, we introduce the homological discrete vector field, a combinatorial structure which generalizes the discrete gradient vector field and allows to compute the homology groups. This notion allows to see the relation between different existing methods for computing homology. Next, we present a linear algorithm for computing the Betti numbers of a 3D cubical complex, which can be used for binary volumes. Finally, we introduce two measures (the thickness and the breadth) associated to the holes in a discrete object, which provide a topological and geometric signature more interesting than only the Betti numbers. This approach provides also some heuristics for localizing holes, obtaining minimal homology or cohomology generators, opening and closing holes.