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Les Graphes sont des structures mathématiques puissantes constituant un outil de modélisation universel utilisé dans différents domaines de l'informatique, notamment dans le domaine de la reconnaissance de formes. L'appariement de graphes est l'opération principale dans le processus de la reconnaissance de formes à base de graphes. Dans ce contexte, trouver des solutions d'appariement de graphes, garantissant l'optimalité en termes de précision et de temps de calcul est un problème de recherche difficile et d'actualité. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de ce problème dans deux domaines : la reconnaissance de formes 2D et 3D. Premièrement, nous considérons le problème d'appariement de graphes géométriques et ses applications sur la reconnaissance de formes 2D. Dance cette première partie, la reconnaissance des Kites (structures archéologiques) est l'application principale considérée. Nous proposons un "framework" complet basé sur les graphes pour la reconnaissance des Kites dans des images satellites. Dans ce contexte, nous proposons deux contributions. La première est la proposition d'un processus automatique d'extraction et de transformation de Kites a partir d'images réelles en graphes et un processus de génération aléatoire de graphes de Kites synthétiques. En utilisant ces deux processus, nous avons généré un benchmark de graphes de Kites (réels et synthétiques) structuré en 3 niveaux de bruit. La deuxième contribution de cette première partie, est la proposition d'un nouvel algorithme d'appariement pour les graphes géométriques et par conséquent pour les Kites. L'approche proposée combine les invariants de graphes au calcul de l'édition de distance géométrique. Deuxièmement, nous considérons le problème de reconnaissance des formes 3D ou nous nous intéressons à la reconnaissance d'objets déformables représentés par des graphes c.à.d. des tessellations de triangles. Nous proposons une décomposition des tessellations de triangles en un ensemble de sous structures que nous appelons triangle-étoiles. En se basant sur cette décomposition, nous proposons un nouvel algorithme d'appariement de graphes pour mesurer la distance entre les tessellations de triangles. L'algorithme proposé assure un nombre minimum de structures disjointes, offre une meilleure mesure de similarité en couvrant un voisinage plus large et utilise un ensemble de descripteurs qui sont invariants ou au moins tolérants aux déformations les plus courantes. Finalement, nous proposons une approche plus générale de l'appariement de graphes. Cette approche est fondée sur une nouvelle formalisation basée sur le problème de mariage stable. L'approche proposée est optimale en terme de temps d'exécution, c.à.d. la complexité est quadratique O(n2), et flexible en terme d'applicabilité (2D et 3D). Cette approche se base sur une décomposition en sous structures suivie par un appariement de ces structures en utilisant l'algorithme de mariage stable. L'analyse de la complexité des algorithmes proposés et l'ensemble des expérimentations menées sur les bases de graphes des Kites (réelle et synthétique) et d'autres bases de données standards (2D et 3D) attestent l'efficacité, la haute performance et la précision des approches proposées et montrent qu'elles sont extensibles et générales / Graphs are powerful mathematical modeling tools used in various fields of computer science, in particular, in Pattern Recognition. Graph matching is the main operation in Pattern Recognition using graph-based approach. Finding solutions to the problem of graph matching that ensure optimality in terms of accuracy and time complexity is a difficult research challenge and a topical issue. In this thesis, we investigate the resolution of this problem in two fields: 2D and 3D Pattern Recognition. Firstly, we address the problem of geometric graphs matching and its applications on 2D Pattern Recognition. Kite (archaeological structures) recognition in satellite images is the main application considered in this first part. We present a complete graph based framework for Kite recognition on satellite images. We propose mainly two contributions. The first one is an automatic process transforming Kites from real images into graphs and a process of generating randomly synthetic Kite graphs. This allowing to construct a benchmark of Kite graphs (real and synthetic) structured in different level of deformations. The second contribution in this part, is the proposition of a new graph similarity measure adapted to geometric graphs and consequently for Kite graphs. The proposed approach combines graph invariants with a geometric graph edit distance computation. Secondly, we address the problem of deformable 3D objects recognition, represented by graphs, i.e., triangular tessellations. We propose a new decomposition of triangular tessellations into a set of substructures that we call triangle-stars. Based on this new decomposition, we propose a new algorithm of graph matching to measure the distance between triangular tessellations. The proposed algorithm offers a better measure by assuring a minimum number of triangle-stars covering a larger neighbourhood, and uses a set of descriptors which are invariant or at least oblivious under most common deformations. Finally, we propose a more general graph matching approach founded on a new formalization based on the stable marriage problem. The proposed approach is optimal in term of execution time, i.e. the time complexity is quadratic O(n2) and flexible in term of applicability (2D and 3D). The analyze of the time complexity of the proposed algorithms and the extensive experiments conducted on Kite graph data sets (real and synthetic) and standard data sets (2D and 3D) attest the effectiveness, the high performance and accuracy of the proposed approaches and show that the proposed approaches are extensible and quite general

En raison de la capacité et de l'amélioration des performances informatiques, les représentations structurelles sont devenues de plus en plus populaires dans le domaine de la reconnaissance de formes (RF). Quand les objets sont structurés à base de graphes, le problme de la comparaison d'objets revient à un problme d'appariement de graphes (Graph Matching). Au cours de la dernière décennie, les chercheurs travaillant dans le domaine de l'appariement de graphes ont porté une attention particulière à la distance d'édition entre graphes (GED), notamment pour sa capacité à traiter différent types de graphes. GED a été ainsi appliquée sur des problématiques spécifiques qui varient de la reconnaissance de molécules à la classi fication d'images. / Due to the inherent genericity of graph-based representations, and thanks to the improvement of computer capacities, structural representations have become more and more popular in the field of Pattern Recognition (PR). In a graph-based representation, vertices and their attributes describe objects (or part of them) while edges represent interrelationships between the objects. Representing objects by graphs turns the problem of object comparison into graph matching (GM) where correspondences between vertices and edges of two graphs have to be found.

Notre thèse a pour objectif la construction d’un système omni-langage de recherche de mots dans les documents numérisés. Nous nous plaçons dans le contexte où le contenu du document est homogène (ce qui est le cas pour les documents anciens où l’écriture est souvent bien soignée et mono-scripteur) et la connaissance préalable du document (le langage, le scripteur, le type d’écriture, le tampon, etc.) n’est pas connue. Grâce à ce système, l'utilisateur peut composer librement et intuitivement sa requête et il peut rechercher des mots dans des documents homogènes de n’importe quel langage, sans détecter préalablement une occurrence du mot à rechercher. Le point clé du système que nous proposons est les invariants, qui sont les formes les plus fréquentes dans la collection de documents. Pour le requêtage, l’utilisateur pourra créer le mot à rechercher en utilisant les invariants (la composition des requêtes), grâce à une interface visuelle. Pour la recherche des mots, les invariants peuvent servir à construire des signatures structurelles pour représenter les images de mots. Nous présentons dans cette thèse la méthode pour extraire automatiquement les invariants à partir de la collection de documents, la méthode pour évaluer la qualité des invariants ainsi que les applications des invariants à la recherche de mots et à la composition des requêtes. / The objective of our thesis is to build an omni-language word retrieval system for scanned documents. We place ourselves in the context where the content of documents is homogenous and the prior knowledge about the document (the language, the writer, the writing style, etc.) is not known. Due to this system, user can freely and intuitively compose his/her query. With the query created by the user, he/she can retrieve words in homogenous documents of any language, without finding an occurrence of the word to search. The key of our proposed system is the invariants, which are writing pieces that frequently appeared in the collection of documents. The invariants can be used in query making process in which the user selects and composes appropriate invariants to make the query. They can be also used as structural descriptor to characterize word images in the retrieval process. We introduce in this thesis our method for automatically extracting invariants from document collection, our evaluation method for evaluating the quality of invariants and invariant’s applications in the query making process as well as in the retrieval process.

Cette thèse se situe à l’intersection de deux domaines de recherche scientifique la Reconnaissance d’Objets Structurels (ROS) et la Recherche Opérationnelle (RO). Le premier consiste à rendre la machine plus intelligente et à reconnaître les objets, en particulier ceux basés sur les graphes. Alors que le second se focalise sur la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire difficiles. L’idée principale de cette thèse est de combiner les connaissances de ces deux domaines. Parmi les problèmes difficiles existants en ROS, le problème de la distance d’édition entre graphes (DEG) a été sélectionné comme le cœur de ce travail. Les contributions portent sur la conception de méthodes adoptées du domaine RO pour la résolution du problème de DEG. Explicitement, des nouveaux modèles linéaires en nombre entiers et des matheuristiques ont été développé à cet effet et de très bons résultats ont été obtenus par rapport à des approches existantes. / This thesis is focused on Graph Matching (GM) problems and in particular the Graph Edit Distance (GED) problems. There is a growing interest in these problems due to their numerous applications in different research domains, e.g. biology, chemistry, computer vision, etc. However, these problems are known to be complex and hard to solve, as the GED is a NP-hard problem. The main objectives sought in this thesis, are to develop methods for solving GED problems to optimality and/or heuristically. Operations Research (OR) field offers a wide range of exact and heuristic algorithms that have accomplished very good results when solving optimization problems. So, basically all the contributions presented in thesis are methods inspired from OR field. The exact methods are designed based on deep analysis and understanding of the problem, and are presented as Mixed Integer Linear Program (MILP) formulations. The proposed heuristic approaches are adapted versions of existing MILP-based heuristics (also known as matheuristics), by considering problem-dependent information to improve their performances and accuracy.