Etant donné un point fixe pour un homéomorphisme de surface, on peut définir un ensemble de rotation autour du point fixe, qui est un invariant de conjugaison locale. Ce mémoire commence l'étude de cet invariant et de ses liens avec d'autres propriétés dynamiques : en particulier l'existence d'orbites périodiques, la différentiabilité au point fixe, l'indice de Poincaré-Lefschetz lorsque le point fixe est isolé.

Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à la problématique de la captation de mouvement sans marqueurs. Une approche classique est basée sur l'utilisation d'un modèle prédéfini du sujet, et est divisée en deux phases : celle d'initialisation, où la pose initiale du sujet est estimée, et celle de suivi, où la pose actuelle du sujet est estimée à partir des précédentes. Souvent, la phase d'initialisation est faite manuellement, rendant impossible l'utilisation en direct, ou nécessite des actions spécifiques du sujet. Nous proposons une phase d'initialisation automatique et temps-réel, utilisant l'information topologique extraite par squelettisation d'une reconstruction 3D du sujet. Cette information est représentée sous forme d'arbre (arbre de données), qui est mis en correspondance avec un arbre utilisé comme modèle, afin d'identifier les différentes parties du sujet. Pour obtenir une telle méthode, nous apportons des contributions dans les domaines de la topologie discrète et de la théorie des graphes. Comme notre méthode requiert le temps réel, nous nous intéressons d'abord à l'optimisation du temps de calcul des méthodes de squelettisation, ainsi qu'à l'élaboration de nouveaux algorithmes rapides fournissant de bons résultats. Nous nous intéressons ensuite à la définition d'une mise en correspondance efficace entre l'arbre de données et celui décrivant le modèle. Enfin, nous améliorons la robustesse de notre méthode en ajoutant des contraintes novatrices au modèle. Nous terminons par l'application de notre méthode sur différents jeux de données, démontrantses propriétés : rapidité robustesse et adaptabilité à différents types de sujet / This manuscript deals with the problem of markerless motion capture. An approach to thisproblem is model-based and is divided into two steps : an initialization step in which the initialpose is estimated, and a tracking which computes the current pose of the subject using infor-mation of previous ones. Classically, the initialization step is done manually, for bidding the possibility to be used online, or requires constraining actions of the subject. We propose an automatic real-time markerless initialization step, that relies on topological information provided by skeletonization of a 3D reconstruction of the subject. This topological information is then represented as a tree, which is matched with another tree used as modeldescription, in order to identify the different parts of the subject. In order to provide such a method, we propose some contributions in both digital topology and graph theory researchfields. As our method requires real-time computation, we first focus on the speed optimization of skeletonization methods, and on the design of new fast skeletonization schemes providing good results. In order to efficiently match the tree representing the topological information with the tree describing the model, we propose new matching definitions and associated algorithms. Finally, we study how to improve the robustness of our method by the use of innovative con-straints in the model. This manuscript ends by a study of the application of our method on several data sets, demon-strating its interesting properties : fast computation, robustness, and adaptability to any kindof subjects

Dans cette thèse, nous nous intéressons à diverses propriétés algébriques des groupes d'homéomorphismes et de difféomorphismes de variétés. On appelle fragmentation la possibilité d'écrire un homéomorphisme en tant que composé d'homéomorphismes supportés dans des boules. Tout d'abord, nous étudions la longueur des commutateurs sur le groupe des homéomorphismes du tore et de l'anneau, ainsi que la norme de fragmentation, qui associe à tout homéomorphisme le nombre minimal de facteurs nécessaires pour écrire cet homéomorphisme en tant que composé d'homéomorphismes supportés dans des boules. Dans une deuxième partie de la thèse, nous abordons una autre propriété algébrique des groupes d'homéomorphismes et de difféomorphismes : la distorsion. Celle-ci est reliée de manière surprenante à des propriétés de fragmentation des homéomorphismes.

Dans cette thèse nous nous intéressons à la dynamique locale autour d'une sous-variété compacte invariante et à la théorie du nombre de rotation. Dans [Nai82] V. A. Naishul' a montré que parmi les difféomorphismes du plan isotopes à l'identité qui fixent 0, qui préservent l'aire (ou analytiques) et dont la différentielle en $0$ est une rotation, l'angle de cette rotation est un invariant de conjugaison topologique. Ce résultat de Na\u{\i}shul$'$, a été généralisé dans plusieurs directions (voir [GP95], [GLP96] et [Pon12]). Par exemple en dimension supérieure, dans [GP95] J.-M. Gambaudo et E. Pécou ont considéré des difféomorphismes de $\R^{n+2}$ qui possèdent un tore $\T^n$ de dimension $n$ invariant dont la dynamique est topologiquement conjuguée à une rotation irrationnelle. Ils ont défini un nombre de rotation et ont démontré que ce nombre est invariant de conjugaison topologique (par exemple lorsque le difféomorphisme préserve un volume). Dans la première partie du deuxième chapitre de cette thèse, nous proposons d'introduire une notion d'ensemble de rotation local pour les homéomorphismes locaux qui préservent une sous-variété compacte de codimension $2$ dont le fibré normal est trivial. A l'aide de cet ensemble, nous déduirons un résultat qui généralise les travaux en dimension supérieure cités plus haut. Dans [Rue85] D. Ruelle a considéré des difféomorphismes d'une surface dont le fibré tangent est trivial qui préservent une mesure. Il leur a associé un nombre réel qui a été appelé l'invariant de Ruelle. Les constructions de cette thèse nous permettront de voir cet invariant comme un ensemble de rotation local au-dessus d'une mesure. A l'aide de l'invariance par conjugaison de cet ensemble de rotation, nous allons retrouver, à la fin du deuxième chapitre, le résultat démontré par J.-M. Gambaudo et E. Ghys dans [GG97] : l'invariant de Ruelle est en fait invariant de conjugaison topologique. Soit $Homeo_0(\R^2;0)$ l'ensemble des homéomorphismes du plan $\R^2$ isotopes a l'identité qui fixent l'origine $0\in\R^2$. Récemment dans [LeR13], F. Le Roux a donné une définition de l'ensemble de rotation local autour de $0$ d'une isotopie dans $Homeo_0(\R^2;0)$ issue de l'identité, et il a posé la question suivante : cet ensemble est-il toujours un intervalle ? Dans le troisième chapitre de cette thèse, nous allons donner une réponse positive à cette question et aussi à la question analogue dans le cas de l'anneau ouvert. / In this thesis we are interested in the local dynamics around of a compact invariant sub-manifold and in the rotation number theory. In [Nai82] V.A Naihul' proved that, among analytic or area preserving diffeomorphisms in the plane which are isotopic to the identity fix $0$ and whose derivative at $0$ is a rotation, the angle of this rotation is invariant by topological conjugation. This result of Naishul' was generalized in many directions (see [GP95], [GLP96] and [Pon12]). For example in [GP95] J.-M. Gambaudo and E. Pécou considered diffeomorphisms in $\R^{n+2}$, which possess an invariant $n$-dimensional torus $\T^n$ whose dynamics restricted to the torus is topologically conjugate to an irrational rotation. They defined a rotation number, and proved that this number is invariant by topological conjugation among volume-preserving maps. In the first part of the second chapter of this thesis, we propose to introduce a notion of local rotation set for local homeomorphisms, which preserve a compact sub-manifold of codimension 2 whose normal bundle is trivial. Using this set, we will deduce a result which generalizes the above mentioned works. In [Rue85] D. Ruelle considered measure preserving diffeomorphisms of a surface whose tangent bundle is trivial. He associated to them a real number called the Ruelle invariant. The constructions made in this thesis will permit us to see this number as a local rotation set over a measure. The invariance by topological conjugation of this set will us permit, at the end of the second chapter, to prove the following result due to J.-M- Gambaudo and E. Ghys: the Ruelle invariant is invariant by topological conjugacy. Let $Homeo_0(\R^2;0)$ be the set of all homeomorphisms of the plane isotopic to the identity and which fix $0$. Recently in [LeR13] F. Le Roux gave the definition of the local rotation set around of 0 of a general isotopy $I$ in $Homeo_0(\R^2;0)$ from the identity to a homeomorphism $f$ and he asked if this set is always an interval. In the third chapter of this thesis we give a positive answers to this question and to the analogous question in the case of the open annulus.

Dans cette thèse, on étudie deux thèmes, a priori différents mais qui rentrent dans le cadre des systèmes dynamiques : les échanges d’intervalles, la résolution d’équations cohomologiques et la description explicite des distributions invariantes par certains difféomorphismes d’un groupe de Lie compact.1 - On établit un critère d'existence de fonctions propres continues non constantes pour les échangesd'intervalles, c'est-à-dire de non mélange faible topologique. On construit pour tout entier m > 3des échanges de m intervalles de rang 2 uniquement ergodiques et non topologiquement faiblementmélangeants. Nous répondons aussi à une question de Ferenczi et Zamboni. On construit aussi pourtout entier pair m ≥ 4 des échanges de m intervalles possédant des valeurs propres irrationnelles et desvaleurs propres rationnelles (avec fonctions propres associées continues par morceaux) et qui sont soituniquement ergodiques, soit non minimaux.2 - On montre qu’un échange d’intervalles affine, dont les pentes sont des puissances d’un mêmeentier n, et dont les coupures et leurs images sont des rationnels , a une dynamique très simple : toutesses orbites sont propres et il possède une orbite périodique ou un cycle périodique.3 - On traite deux questions d’analyse sur un groupe de Lie connexe compact G. i) Soient a ∈ Get γ le difféomorphisme de G donné par γ(x) = ax (translation `a gauche par a). On donne lesconditions nécessaires et suffisantes pour que l’équation cohomologique f − f ◦ γ = g admette dessolutions dans l’espace de Fréchet C∞(G) des fonctions complexes C∞ sur G. ii) Lorsque G est le toreTn, on détermine explicitement les distributions sur Tn invariantes par un automorphisme affine γ i.e.γ(x) = Ax + a avec A ∈ GL(n, Z) et a ∈ Tn.4 - On donne des résultats obtenus dans 3) une application aux déformations infinitésimales d’unfeuilletage obtenu par suspension d’une translation d’un groupe de Lie compact. / In this thesis, we study two subjects, which are priori different but are within the scopeof dynamical systems: interval exchange, the resolution of cohomological equationsand the explicit description of invariant distributions by a diffeomorphism on a compactLie group.1. We prove a criterion for the existence of continuous non constant eigenfunc-tions for interval exchange transformations which are non topologically weakly mixing.We first construct, for any m > 3, uniquely ergodic interval exchange transforma-tions of Q-rank 2 with irrational eigenvalues associated to continuous eigenfunctionswhich are not topologically weakly mixing; this answers a question of Ferenczi andZamboni [5]. Moreover we construct, for any even integer m ≥ 4, interval exchangetransformations of Q-rank 2 with both irrational eigenvalues (associated to continuouseigenfunctions) and non trivial rational eigenvalues (associated to piecewise continu-ous eigenfunctions); these examples can be chosen to be either uniquely ergodic ornon minimal.2. We prove that an affine interval exchange, whose slopes are integer powers ofthe same integer n, and whose cuts and their images are rational, has a very simpledynamic: all its orbits are proper and it has a periodic orbit or a periodic cycle.3. A third section deals with two analytic questions on a connected compact Liegroup G. i) Let a ∈ G and denote by γ the diffeomorphism of G given by γ(x) = ax(left translation by a). We give necessary and sufficient conditions for the existenceof solutions of the cohomological equation f − f ◦ γ = g on the Fr´echet space C∞(G)of complex C∞ functions on G. ii) When G is the torus Tn, we compute explicitly thedistributions on Tn invariant by an affine automorphism γ, that is, γ(x) = Ax+a withA ∈ GL(n, Z) and a ∈ Tn.4. We apply the results of the preceding section to describe the infinitesimaldeformations of a foliation obtained by suspension of a translation associated to anelement on a compact Lie group.

Dans cette thèse, on étudie deux thèmes, a priori différents mais qui rentrent dans le cadre des systèmes dynamiques : les échanges d'intervalles, la résolution d'équations cohomologiques et la description explicite des distributions invariantes par certains difféomorphismes d'un groupe de Lie compact.1 - On établit un critère d'existence de fonctions propres continues non constantes pour les échangesd'intervalles, c'est-à-dire de non mélange faible topologique. On construit pour tout entier m > 3des échanges de m intervalles de rang 2 uniquement ergodiques et non topologiquement faiblementmélangeants. Nous répondons aussi à une question de Ferenczi et Zamboni. On construit aussi pourtout entier pair m ≥ 4 des échanges de m intervalles possédant des valeurs propres irrationnelles et desvaleurs propres rationnelles (avec fonctions propres associées continues par morceaux) et qui sont soituniquement ergodiques, soit non minimaux.2 - On montre qu'un échange d'intervalles affine, dont les pentes sont des puissances d'un mêmeentier n, et dont les coupures et leurs images sont des rationnels , a une dynamique très simple : toutesses orbites sont propres et il possède une orbite périodique ou un cycle périodique.3 - On traite deux questions d'analyse sur un groupe de Lie connexe compact G. i) Soient a ∈ Get γ le difféomorphisme de G donné par γ(x) = ax (translation 'a gauche par a). On donne lesconditions nécessaires et suffisantes pour que l'équation cohomologique f − f ◦ γ = g admette dessolutions dans l'espace de Fréchet C∞(G) des fonctions complexes C∞ sur G. ii) Lorsque G est le toreTn, on détermine explicitement les distributions sur Tn invariantes par un automorphisme affine γ i.e.γ(x) = Ax + a avec A ∈ GL(n, Z) et a ∈ Tn.4 - On donne des résultats obtenus dans 3) une application aux déformations infinitésimales d'unfeuilletage obtenu par suspension d'une translation d'un groupe de Lie compact.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à diverses propriétés algébriques des groupes d'homéomorphismes et de difféomorphismes de variétés. On appelle fragmentation la possibilité d'écrire un homéomorphisme en tant que composé d'homéomorphismes supportés dans des boules. Tout d'abord, nous étudions la longueur des commutateurs sur le groupe des homéomorphismes du tore et de l'anneau, ainsi que la norme de fragmentation, qui associe à tout homéomorphisme le nombre minimal de facteurs nécessaires pour écrire cet homéomorphisme en tant que composé d'homéomorphismes supportés dans des boules. Dans une deuxième partie de la thèse, nous abordons una autre propriété algébrique des groupes d'homéomorphismes et de difféomorphismes : la distorsion. Celle-ci est reliée de manière surprenante à des propriétés de fragmentation des homéomorphismes. / In this thesis, we are interested in various algebraic properties of groups of homeomorphisms and diffeomorphisms of manifolds. We call fragmentation the possibility to write a homeomorphism as a composition of homeomorphisms supported in balls. First, we study the commutator length on the group of homeomorphisms of the torus and of the annulus, as well as the fragmentation norm, which associates to any homeomorphism the minimal number of factors necessary to write this homeomorphism as a composition of homeomorphisms supported in balls. In a second part of this thesis, we deal with another algebraic property of homeomorphism and diffeomorphism groups: the distortion. This last notion is surprisingly related to fragmentation properties of homeomorphisms.

Dans quelle mesure peut-on lire les propriétés dynamiques (quand le temps tend vers l’infini) d’un système sur des simulations numériques ? Pour tenter de répondre à cette question, on étudie dans cette thèse un modèle rendant compte de ce qui se passe lorsqu’on calcule numériquement les orbites d’un système à temps discret f (par exemple un homéomorphisme). L’ordinateur travaillant à précision numérique finie, il va remplacer f par une discrétisation spatiale de f, notée f_N (où l’ordre de la discrétisation N rend compte de la précision numérique). On s’intéresse en particulier au comportement dynamique des applications finies f_N pour un système f générique et pour l’ordre N tendant vers l’infini, où générique sera à prendre dans le sens de Baire (principalement parmi des ensembles d’homéomorphismes ou de C^1-difféomorphismes). La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique des discrétisations f_N lorsque f est un homéomorphisme conservatif/dissipatif générique d’une variété compacte. L’étude montre qu’il est illusoire de vouloir retrouver la dynamique du système de départ f à partir de celle d’une seule discrétisation f_N : la dynamique de f_N dépend fortement de l’ordre N. Pour détecter certaines dynamiques de f il faut considérer l’ensemble des discrétisations f_N, lorsque N parcourt N.La seconde partie traite du cas linéaire, qui joue un rôle important dans l’étude du cas des C^1-difféomorphismes génériques, abordée dans la troisième partie de cette thèse. Sous ces hypothèses, on obtient des résultats similaires à ceux établis dans la première partie, bien que plus faibles et de preuves plus difficiles. / How is it possible to read the dynamical properties (ie when the time goes to infinity) of a system on numerical simulations ? To try to answer this question, we study inthis thesis a model reflecting what happens when the orbits of a discrete time system f (for example an homeomorphism) are computed numerically. The computer working in finite numerical precision, it will replace f by a spacial discretization of f, denotedby f_N (where the order N of discretization stands for the numerical accuracy). In particular, we will be interested in the dynamical behaviour of the finite maps f_N for a generic system f and N going to infinity, where generic will be taken in the sense of Baire (mainly among sets of homeomorphisms or C^1-diffeomorphisms). The first part of this manuscript is devoted to the study of the dynamics of the discretizations f_N, when f is a generic conservative/dissipative homeomorphism of a compact manifold. We show that it would be mistaken to try to recover the dynamics of f from that of a single discretization f_N : its dynamics strongly depends on the order N. To detect some dynamical features of f we have to consider all thediscretizations f_N when N goes through N.The second part deals with the linear case, which plays an important role in the study of C^1-generic diffeomorphisms, discussed in the third part of this manuscript. Under these assumptions, we obtain results similar to those established in the first part,though weaker and harder to prove.