Flying animals such as bats, birds, and moths are actively studied by researchers wanting to better understand these animals’ behavior and flight characteristics. Towards this goal, multi-view videos of flying animals have been recorded both in lab- oratory conditions and natural habitats. The analysis of these videos has shifted over time from manual inspection by scientists to more automated and quantitative approaches based on computer vision algorithms. This thesis describes a study on the largely unexplored problem of 3D pose estimation of flying animals in multi-view video data. This problem has received little attention in the computer vision community where few flying animal datasets exist. Additionally, published solutions from researchers in the natural sciences have not taken full advantage of advancements in computer vision research. This thesis addresses this gap by proposing three different approaches for 3D pose estimation of flying animals in multi-view video datasets, which evolve from successful pose estimation paradigms used in computer vision. The first approach models the appearance of a flying animal with a synthetic 3D graphics model and then uses a Markov Random Field to model 3D pose estimation over time as a single optimization problem. The second approach builds on the success of Pictorial Structures models and further improves them for the case where only a sparse set of landmarks are annotated in training data. The proposed approach first discovers parts from regions of the training images that are not annotated. The discovered parts are then used to generate more accurate appearance likelihood terms which in turn produce more accurate landmark localizations. The third approach takes advantage of the success of deep learning models and adapts existing deep architectures to perform landmark localization. Both the second and third approaches perform 3D pose estimation by first obtaining accurate localization of key landmarks in individual views, and then using calibrated cameras and camera geometry to reconstruct the 3D position of key landmarks. This thesis shows that the proposed algorithms generate first-of-a-kind and leading results on real world datasets of bats and moths, respectively. Furthermore, a variety of resources are made freely available to the public to further strengthen the connection between research communities.

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Flapping flight shows promise for micro air vehicle design because flapping wings provide superior aerodynamic performance than that of fixed wings and rotors at low Reynolds numbers. In these flight regimes, unsteady effects become increasingly important. This thesis explores some of the unsteady effects that provide additional lift to flapping wings through an experiment-based optimization of the kinematics of a flapping wing mechanism in a water tunnel. The mechanism wings and flow environment were scaled to simulate the flight of the hawkmoth (Manduca sexta) at hovering or near-hovering speeds. The optimization was repeated using rigid and flexible wings to evaluate the impact that wing flexibility has on aerodynamic performance of flapping wings. The trajectories that produced the highest lift were compared using particle image velocimetry to characterize the flow features produced during the periods of peak lift. A leading edge vortex was observed with all of the flapping trajectories and both wing types, the strength of which corresponded to the measured amount of lift of the wing. This research furthers our understanding of the lift-generating mechanisms used in nature and can be applied to improve the design of micro air vehicles.

Les angrecoïdes constituent le groupe d'orchidées épiphytes le plus diversifié dans les Afrotropiques, comprenant environ 800 espèces. Bien que beaucoup d'attention leur aient été porté, certaines énigmes taxonomiques subsistent au sein des angraecoïdes, et les facteurs à l'origine de leur diversification rapide sont encore inconnus. Les angraecoïdes présentent une remarquable diversité en termes du nombre chromosomique, en faisant un système très approprié pour explorer l'impact des changements caryotypiques sur la cladogenèse, les taux de spéciation/extinction et la diversification morphologique dans le contexte des fluctuations climatiques en Afrique tropicale depuis le Miocène. En outre, grâce au large éventail des longueurs d'éperon nectarifère que ces orchidées présentent, elles ont fait l'objet, depuis Darwin, de recherches approfondies dans le cadre des interactions plantes-animaux. Ici, sur base de nouveaux arbres phylogénétiques produits en utilisant ITS-1 ainsi que cinq marqueurs plastidiques et englobant environ 40 % des espèces, nous fournissons un nouveau cadre taxonomique pour les principales lignées d'Angraecinae. De plus, le cadre taxonomique des angraecoïdes est mis à jour avec, notamment, la description de trois nouveaux genres et six nouvelles espèces. Cette nouvelle hypothèse phylogénétique nous a permis d'étudier si les changements des caryotypes et des pollinisateurs ont pu être les moteurs de la radiation évolutive des angraecoïdes. La reconstruction des états ancestraux du nombre chromosomique révèle une histoire caryotypique dominée par la dysploïdie descendante en Afrique tropicale continentale, où environ 90 % des espèces dérivent d'au moins un changement inféré de n = 17–18 à n = 25 au Miocène moyen. L’examen des intervalles de position du nectar par rapport au pollen dans les Afrotropiques a révélé qu'environ 3 % de la flore des angiospermes de Madagascar est probablement pollinisée par des sphinx, alors que cette proportion est d'environ 1,6 % en Afrique continentale. Les nombreux changements de guilde de pollinisateur vers la sphingophilie ayant eu lieu chez les angraecoïdes seraient à l’origine d’environ 31 % des espèces, y compris certaines lignées ayant les taux de spéciation les plus élevés. En dehors du domaine de la sphingophilie, de nouveaux exemples possibles d’ornithophilie, de phalénophilie et de pollinisation par des tipules à long proboscis/microlepidoptères sont discutées. Des perspectives de recherche concernant l'évolution génomique chez les angraecoïdes et l'impact et les mécanismes des changements des sites de fixation des pollinies sont suggérées. Enfin, certaines priorités pour l’observation de nouveaux pollinisateurs sur le terrain et les frontières de l’alpha et bêta-taxonomie chez les angraecoïdes sont présentées. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished