En raison de la nature dynamique et volumétrique de l'écosystème marin pélagique, sa modélisation spatiale constitue un défi important. La représentation conventionnelle des phénomènes de ce milieu s’effectue par des coupes statiques verticales ou horizontales dans un environnement bidimensionnel (2D). Cependant, comme le démontre ce mémoire, l'étude de l'écosystème marin peut être grandement améliorée grâce à la modélisation spatiale tridimensionnelle (3D). L’apport principal de cette étude est d’avoir démontré le potentiel et la pertinence de la modélisation spatiale 3D pour l’environnement pélagique marin. Cette étude confirme que les outils émergents de visualisation scientifique dans le domaine de la modélisation géologique peuvent servir à améliorer l’étude de cet écosystème. Elle permet également de combler une lacune importante identifiée dans la littérature scientifique en examinant la performance des méthodes d’interpolation spatiale 3D. L’interpolation spatiale est une étape essentielle de la modélisation spatiale 3D des phénomènes continus (p.ex. salinité, température, etc.), mais aucune étude n’avait encore évalué son efficacité pour l’environnement pélagique marin. Il s’agit donc d’un pas important vers le développement d’un système d’information géographique (SIG) marin 3D complet. Les avantages de migrer vers une modélisation spatiale 3D sont discutés dans le contexte de la campagne océanographique ArcticNet-Malina, réalisée dans la mer de Beaufort (Arctique canadien) en 2009. Des représentations spatiales 3D basées sur une stratégie d’interpolation 3D robuste et optimale de cinq variables pélagiques marines (température, concentration en chlorophylle a, coefficient d’atténuation particulaire, distribution des eaux de l'halocline supérieure et flux vertical de carbone organique particulaire) sont présentées et leurs valeurs écologiques sont discutées. / Spatial modeling of the marine pelagic ecosystem is challenging due to its dynamic and volumetric nature. Consequently, conventional oceanographic spatial analysis of this environment is in a 2D environment, limited to static cutting planes in horizontal and vertical sections to present various phenomena. However, the study of the marine pelagic ecosystem can benefit from 3D spatial modeling. The main contribution of this study is to show that recent advances in 3D spatial modeling tools developed primarily for geological modeling can be exploited to extend the usual interpretation of marine pelagic phenomena from a 2D to a 3D environment. This study also fills a major gap identified in the literature by examining the performance of 3D spatial interpolation methods. Such interpolation is an essential step in 3D spatial modeling of continuous phenomena (eg, salinity, temperature, etc.), but no study has yet evaluated its performance for the marine pelagic environment. Accordingly, this study constitutes an important step towards the development of a complete 3D marine GIS. The benefits of migrating to a 3D spatial modeling of the marine environment are discussed in the context of the oceanographic campaign ArcticNet-Malina, conducted in the Beaufort Sea (Canadian Arctic) in 2009. 3D spatial representations based on a robust and optimal 3D interpolation strategy for five pelagic variables (temperature, chlorophyll a, particulate attenuation coefficient, distribution of upper halocline water mass and vertical flux of particulate organic carbon) of the ArcticNet-Malina campaign are presented and their ecological values are discussed.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre général de la 3D interactive en temps réel comme outil de représentation, d’aide à la conception et à la communication des idées et hypothèses de design. Un facteur, l’interaction et plus précisément la navigation dans les Environnements Virtuels (EV) 3D non immersifs est l’objet de cette recherche. Par le biais d’une approche expérimentale, l’influence de la 3D interactive en temps réel sur l’acquisition des connaissances spatiales est illustrée par l'étude du mode d’exploration dans un espace virtuel complexe. En effet, les résultats de la recherche montrent une influence positive de la 3D interactive sur la formation d’une compréhension spatiale des environnements en mode d’exploration actif. Alors qu’en mode d’exploration passif, il s’est avéré que les esquisses comportaient plus d’erreurs dans la représentation des espaces. / This research is part of the general framework of real time 3D interaction as a tool for representation, aided design and communication of design ideas. A factor, interaction and more precisely, navigation in a non immersive 3D Virtual Environment (VE), is the research subject. Using an experimental approach, the influence of real time 3D interaction on the acquisition of spatial knowledge is demonstrated, through observation of exploration modes in a complex virtual space. The research results stress a positive influence on spatial understanding through 3D interaction of visited environments during an active exploration. However, during passive exploration mode, the results revealed sketches with more spatial representations errors.

La vapeur d'eau atmosphérique joue un rôle important dans les processus météorologiques. Toutefois, sa variabilité spatio-temporelle a été un frein à son étude jusque dans les années 90. A partir de cette date, des chercheurs ont pu mettre en évidence le potentiel du GPS (Global Positioning System) comme instrument pouvant étudier l'humidité. Les résultats obtenus peuvent être de deux types. Une distribution 2D de l'humidité grâce aux valeurs intégrées au-dessus d'un réseau de station GPS ou une distribution 3D de la densité de vapeur d'eau au moyen de logiciel tomographique. Dans un premier temps, ce travail de thèse présente le développement, les tests et la validation d'un logiciel de tomographie troposphérique GPS développé au sein du Laboratoire de météorologie physique pour la communauté scientifique GPS. Ce logiciel fonctionne grâce au seul apport des données GPS brutes (type rinex) ainsi que des fichiers météorologiques au sol. Aucune contrainte externe n'est nécessaire afin de retrouver la distribution 3D de la densité de vapeur d'eau. Ce travail présente dans un second temps l'application opérationnelle de ce logiciel à travers trois campagnes de mesures. Les premiers résultats tomographiques concernent la campagne OHMCV (Observatoire Hydrométéorologique des Cévènnes-Vivarais) qui a eu lieu à l'automne 2002 dans le sud de la France. Les seconds résultats tomographiques concernent le réseau GPS permanent de l'IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique) à travers différents cas de l'année 2005. Enfin, les troisièmes résultats tomographiques concernent la campagne COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study) qui a eu lieu pendant l'été 2007 en Europe. Les différents résultats tomographiques ont fait l'objet d'une comparaison avec des données provenant de plusieurs radars météorologiques afin de mieux appréhender le rôle de la vapeur d'eau comme précurseur de l'initiation convective.

Digital Holography Microscopy (DHM) is a new 3D measurement technique that exists since Charge Coupled Devices (or CCD cameras) allow to record numerically high resolution images. That opens a new door to the theory of holography discovered in 1949 by Gabor: the door that masked the world of digital hologram processing. A hologram is a usual image but that contains the complex amplitude of the light coded into intensities recorded by the camera. The complex amplitude of the light can be seen as the combination of the energy information (squared amplitude modulus) with the information of the propagation angle of the light (phase of the amplitude) for each point of the image. When the hologram is digital, this dual information associated with a diffractive model of the light propagation permits to numerically investigate back and front planes to the recorded plane of the imaging system. We understand that 3D information can be recorded by a CCD camera and the acquisition rate of this volume information is only limited by the acquisition rate of the unique camera. For each digital hologram, the numerical investigation of front and back regions to the recorded plane is a tool to numerically refocus objects appearing unfocused in the original plane acquired by the CCD.<p>This thesis aims to develop general and robust algorithms that are devoted to automate the analysis process in the 3D space and in time of objects present in a volume studied by a specific imaging system that permits to record holograms. Indeed, the manual processing of a huge amount of holograms is not realistic and has to be automated by software implementing precise algorithms. In this thesis, the imaging system that records holograms is a Mach-Zehnder interferometer working in transmission and studied objects are either of biological nature (crystals, vesicles, cancer cells) or latex particles. We propose and test focus criteria, based on an identical focus metric, for both amplitude and phase objects. These criteria allow the determination of the best focus plane of an object when the numerical investigation is performed. The precision of the best focus plane is lower than the depth of field of the microscope. From this refocus theory, we develop object detection algorithms that build a synthetic image where objects are bright on a dark background. This detection map of objects is the first step to a fully automatic analysis of objects present in one hologram. The combination of the detection algorithm and the focus criteria allow the precise measurement of the 3D position of the objects, and of other relevant characteristics like the object surface in its focus plane, or its convexity or whatever. These extra relevant measures are carried out with a segmentation algorithm adapted to the studied objects of this thesis (opaque objects, and transparent objects in a uniform refractive index environment). The last algorithm investigated in this research work is the data association in time of objects from hologram to hologram in order to extract 3D trajectories by using the predictive Kalman filtering theory. <p>These algorithms are the abstract bricks of two software: DHM Object Detection and Analysis software, and Kalman Tracking software. The first software is designed for both opaque and transparent objects. The term object is not defined by one other characteristic in this work, and as a consequence, the developed algorithms are very general and can be applied on various objects studied in transmission by DHM. The tracking software is adapted to the dynamic applications of the thesis, which are flows of objects. Performance and results are exposed in a specific chapter. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

En raison de l’agglomération complexe des infrastructures souterraines dans les grandes zones urbaines et des préoccupations accrues des municipalités ou des gouvernements qui déploient des systèmes d’information foncière ou des industries qui souhaitent construire ou creuser, il devient de plus en plus impératif de localiser et de cartographier avec précision les pipelines, les câbles d’énergie hydroélectrique, les réseaux de communication ou les conduites d’eau potable et d’égout. Le géoradar (Ground Penetrating Radar ou GPR) est un outil en géophysique qui permet de produire des images en coupe du sous-sol desquelles de l’information utile sur les infrastructures souterraines peut être tirée. Des expériences antérieures et une analyse documentaire approfondie ont révélé que les logiciels disponibles pour réaliser des levés GPR qui sont utilisés directement sur le terrain et hors site ne reposent pas ou très peu sur des fonctionnalités géospatiales. En outre, l’intégration de données telles que la visualisation de données GPR dans des espaces géoréférencés avec des orthophotos, des cartes, des points d’intérêt, des plans CAO, etc., est impossible. Lorsque disponible, l’ajout d’annotations ou l’interrogation d’objets géospatiaux susceptibles d’améliorer ou d’accélérer les investigations ne proposent pas des interfaces conviviales. Dans ce projet de recherche, une nouvelle approche est proposée pour déployer le GPR et elle est basée sur quatre fonctionnalités issues du Web et des systèmes d’information géographique (WebGIS) jugées essentielles pour faciliter la réalisation de levés GPR sur le terrain. Pour démontrer la faisabilité de cette nouvelle approche, une extension de la plate-forme logicielle existante GVX (conçue et vendue par Geovoxel) appelée GVX-GPR a été développée. GVX-GPR propose aux utilisateurs d’instruments GPR quatre fonctionnalités soit 1) intégration de cartes, 2) géo-annotations et points d’intérêt, 3) géoréférencement et visualisation de radargrammes et 4) visualisation de sections GPR géoréférencées. Afin de tester l’approche WebGIS et GPXGPR, deux sites d’étude ont été relevés par deux professionnels différents, un expert et un non-expert en géophysique, ont été sélectionnés. Une première expérimentation réalisée sur le campus de l’Université Laval à Québec prévoyait l’identification de trois objets enterrés soit un câble électrique, une fibre optique et un tunnel dont leur position XYZ était connue. Le deuxième essai s’est passé à l’Universidade Federal do Rio de Janeiro (Rio de Janeiro, Brésil), avec un professionnel expert en géophysique. Ce 2e site cherchait à reproduire un environnent plus réaliste avec une quantité inconnue d’objets enterrés. Les quatre fonctionnalités proposées par GVX-GPR ont donc été testées et leur intérêt discuté par les deux utilisateurs GPR. Les deux utilisateurs GPR se sont dits très intéressés par l’outil GVX-GPR et ses nouvelles fonctionnalités et ils aimeraient pouvoir l’intégrer à leur travail quotidien car ils y voient des avantages. En particulier, l’approche et GVX-GPR les a aidés à découvrir de nouvelles cibles, à délimiter le territoire à couvrir, à interpréter les données GPR brutes en permettant l’interaction entre les données géospatiales (en ligne) et les profils de données GPR, et finalement pour la cartographie à produire tout en respectant la norme CityGML (donc utile au partage éventuel des données). De même, une fois le système maitrisé, GVX-GPR a permis d’optimiser la durée du levé. Ce projet de maitrise a donc permis d’élaborer une nouvelle approche pour effectuer des levés GPR et proposer un outil logiciel pour tester la faisabilité de celle-ci. Une première étape de validation de la faisabilité et de l’utilité a été réalisée grâce aux deux tests effectués. Évidemment, ces deux tests sont des premiers pas dans une phase plus large de validation qui pourrait s’effectuer, et ils ont ouvert la porte à des ajustements ou l’ajout d’autres fonctionnalités, comme la manipulation des outils de visualisation 3D et l’ajout de filtres et traitement de signal. Nous estimons néanmoins ces premiers tests concluant pour ce projet de maîtrise, et surtout ils démontrent que les instruments GPR gagneraient à davantage intégrer les données et fonctionnalités géospatiales. Nous pensons également que nos travaux vont permettre à des communautés de non spécialistes en géophysique de s’intéresser aux instruments de type GPR pour les levés d’objets enfouis. Notre approche pourra les aider à préparer les données géospatiales utiles à la planification, à effectuer le levé terrain et à produire les cartes associées / Due to the complex agglomeration of underground infrastructures in large urban areas and accordingly increased concerns by municipalities or government who deploy land information systems or industries who want to construct or excavate, it is imperative to accurately locate and suitability map existing underground utility networks (UUN) such as pipelines, hydroelectric power cables, communication networks, or drinking water and sewage conduits. One emerging category of instrument in geophysics for collecting and extracting data from the underground is the ground penetrating radar (GPR). Previous experiments and a thorough literature review revealed that GPR software used in and off the field do not take advantage of geospatial features and data integration such as visualization of GPR data in a georeferenced space with orthophotographies, map, point of interest, CAD plans, etc. Also missing is the capability to add annotation or querying geospatial objects that may improve or expedite the investigations. These functions are long-lived in the geospatial domain, such as in geographic information system (GIS). In this research project, a new approach is proposed to deploy GPR based on four core WebGIS-enabled features, used to support field investigations with GPR. This WebGIS is based on an existing platform called GVX, designed and sold by Geovoxel as a risk management tool for civil engineering projects. In this proposed approach, a generic guideline based on GVX-GPR was developed which users can follow when deploying GPR. This approach is based on four core features which are missing on most GPR software, (1) map integration, (2) geo-annotations and points of interest, (3) radargram georeferencing and visualization, and (4) georeferenced slice visualization. In order to test the designed WebGIS-based approach, two different professionals, an expert in geophysics and a person without any background in geophysics, used the proposed approach in their day-to-day professional practice. The first experiment was conducted at Université Laval (Québec – Canada) when the subject undertook an area to a survey in order to identify 3 possible targets premapped. The second, with a Geophysics-specialist, took place in Rio de Janeiro, at Universidade Federal do Rio de Janeiro’s campus. This study covered an area counting on an unknown number of buried objects, aiming at reproducing a realistic survey scenario. Four new feature were added and discussed with GPR practitioners. Both GPR user declared to be very interested by the proposed by the tool GVX-GPR and its features, being willing to apply this software on their daily basis due to the added advantages. Particularly, this approach has aided these professionals to find new buried objects, delimit the survey area, interpret raw GPR data by allowing geospatial data interaction and GPR profiles, and, finally, to produce new maps compliant with standards such as CityGML. Also, once mastered, the technology allowed the optimization of survey time. This project enabled the development of a new approach to leverage GPR surveys and proposed a new tool in order to test the approach’s feasibility. A first step into the validation of this proposal has been taken towards a feasibility and utility evaluation with two tests accomplished. Unmistakably, these are the first steps of a likely larger validation process, opening up new possibilities for the continuity of the project such as the addition of signal processing techniques and 3D data handling. We nevertheless consider these conclusive for this master’s project, above all demonstrating the value add by geospatial data integration and functions to GPR instruments. This work is also intended to the community of newcomers, or interested in GPR, to further explore this technology, since this approach shall facilitate the preparation, execution, and post-processing phases of a GPR survey.

Grâce à l’implémentation d’algorithmes de reconstruction 3D dans les systèmes d’imagerie TEM/TDM, une étude quantitative à partir des images reconstruites est possible. La quantification d’images TEM/TDM est nécessaire afin de permettre une étude dosimétrique 3D des patients atteints de tumeurs neuroendocrines traités au 177Lu-octréotate. Cependant, afin de permettre une quantification précise des images obtenues, plusieurs paramètres du système doivent être déterminés afin d’appliquer les corrections nécessaires. Dans le cadre de cette étude, l’appareil TEM/TDM utilisé est tout d’abord calibré. Pour ce faire, la stabilité temporelle, la sensibilité, le temps mort et l’effet de volume partiel de l’appareil sont déterminés pour différents radioisotopes. Par la suite, une étude comparative de deux plateformes de reconstruction est effectuée afin de trouver la technique offrant la plus haute précision quantitative d’images TEM/TDM. La calibration et l’étude des reconstructions de l’appareil TEM/TDM a permis de déterminer la procédure optimale pour l’imagerie quantitative du 177Lu et de 99mTc avec une erreur maximale de 3%. Ces résultats pourraient être validés à l’aide de données cliniques.

L'un des plus grands défis de la réalité augmentée consiste à aligner parfaitement les informations réelles et virtuelles pour donner l'illusion que ces informations virtuelles font partie intégrante du monde réel. Pour ce faire, il faut estimer avec précision la position et l'orientation de l'utilisateur, et ce, en temps réel. L'augmentation de scènes extérieures est particulièrement problématique, car il n'existe pas de technologie suffisamment précise pour permettre d'assurer un suivi de la position de l'utilisateur au niveau de qualité requis pour des applications en ingénierie. Pour éviter ce problème, nous nous sommes attardés à l'augmentation de panoramas omnidirectionnels pris à une position fixe. L'objectif de ce projet est de proposer une méthode robuste et automatique d'initialisation permettant de calculer la pose de panoramas omnidirectionnels urbains pour ainsi obtenir un alignement parfait des panoramas et des informations virtuelles. / One of the greatest challenges of augmented reality is to perfectly synchronize real and virtual information to give the illusion that virtual information are an integral part of real world. To do so, we have to precisely estimate the user position and orientation and, even more dificult, it has to be done in real time. Augmentation of outdoor scenes is particularly problematic because there are no technologies accurate enough to get user position with the level of accuracy required for application in engineering. To avoid this problem, we focused on augmenting panoramic images taken at a fixed position. The goal of this project is to propose a robust and automatic initialization method to calculate the pose of urban omnidirectional panoramas to get a perfect alignment between panoramas and virtual information.

Le mélanome est un cancer agressif dont la progression est facilitée par la dégradation de la matrice extracellulaire, à la fois par les fibroblastes et les cellules tumorales. Cette dégradation génère des peptides d’élastine, notamment responsables de la prolifération des cellules saines et cancéreuses. Le peptide d’élastine (VGVAPG)3 accélère la reprise et le déroulement du cycle cellulaire de fibroblastes normaux et de cellules de mélanomes préalablement synchronisés (expression de pKi-67, détection de la phase S et quantification d’ADN). L’architecture nucléaire associée à la reprise de la synthèse des ARNm concerne les compartiments nucléaires PML-NBs et domaines SC35, partenaires indissociables de la transcription et de l’épissage, qui sont étudiés, après immunomarquages, en microscopie confocale suivie d’une reconstruction 3D. Les compartiment PML-NBs et domaines SC35 se réorganisent en fonction d’une part des phases du cycle cellulaire et d’autre part de l’activité transcriptionnelle, passant d’une séquestration du SC35 dans les PML-NBs à une interpénétration des deux compartiments. L’analyse quantitative de ces compartiments complète les résultats architecturaux en 3D. Le peptide se fixe sur le complexe récepteur de l’élastine, et induit de l’activation de la voie MEK ½ ERK ½. Un antagoniste de cette fixation (lactose) ainsi que l’inhibition de la voie ERK ½ (UO126) conduisent à l’abolition des effets dus au peptide tant pour le cycle cellulaire que pour l’organisation des PML-NBs et domaines SC35, confirmant ainsi l’implication de ces voies. / Melanoma is an aggressive cancer for which invasion is facilitated by degradation of the extracellular matrix, both by normal fibroplasts and tumor cells. This degradation generates elastin peptides, in particular responsible for the proliferation of normal and tumor cells. The elastin peptide (VGVAPG)3. accelerates recovery and progression in cell cycle of normal fibroblasts and melanoma cells previously synchronized (expression of pKi-67, S-phase detection and quantification of DNA). The nuclear architecture associated with the recovery of the synthesis of mRNA on the PML-NBs nuclear compartments and SC35 domains, inseparable partners of transcription and splicing, which are studied after immunostaining by confocal microscopy followed by 3D reconstruction. Compartments PML-NBs and SC35domains are reorganized according of the phases of the cell cycle and also the transcriptional activity, from SC35 sequestration in PML-NBs to an interpenetration of the two compartments. The quantitative analysis of these compartments consolidates the 3D architectural results. The peptide binds to the elastin receptor complex and induceds the activation of the MEK 1/2 ERK 1/2. An antagonist of the fixation (lactose) and inhibition of ERK 1/2 (UO126) lead to the abolition of effects due to the peptide for both the cell cycle and the organized of PML-NBs and SC35 domains, confirming the involvement of these pathways.

La stimulation cérébrale profonde est un traitement efficace pour traiter les symptômes parkinsoniens chez les patients en échappement thérapeutique médical. L'intervention chirurgicale consiste à positionner au millimètre près une électrode de stimulation dans un noyau cérébral profond. La qualité du ciblage peut être améliorée par des bases de données multimodales, à la fois anatomiques, cliniques et électrophysiologiques. En premier lieu, nous avons créé une IRM moyennée appelée template Parkinson, puis nous avons validé la segmentation des 24 structures cérébrales profondes du template. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la meilleure localisation du plot stimulé dans le noyau subthalamique (NST) en étudiant les résultats moteur et neuropsychologiques de 30 patients parkinsoniens stimulés dans le NST. Pour chaque score clinique, nous avons obtenu un atlas anatomo-clinique, associant le degré d'amélioration ou de dégradation du patient avec son plot stimulé. Nous avons constaté une discordance entre la meilleure amélioration motrice et l'inévitable dégradation des fluences en stimulant dans la région postéro-supérieure du NST. Dans un troisième temps, nous avons développé des cartes statistiques anatomo-cliniques pour visualiser les conséquences motrices et neuropsychologiques à 6 mois d'une stimulation du pallidum médial (GPm) chez 20 patients parkinsoniens. Les patients étaient tous améliorés sur le plan moteur sans altération neuropsychologique. La zone où la majorité des patients étaient améliorés sur le plan moteur, était la partie postéro-ventrale du GPm, un peu plus latéralement que les données de la littérature. Notre but est d'utiliser les cartes statistiques de manière prospective chez d'autres patients à opérer, pour raccourcir le temps de ciblage pré-chirurgical le jour de l'intervention et pour améliorer le résultat postopératoire, tant sur le plan moteur que neuropsychologique.

In a near future, the computation power will be widely used in endoscopy rooms. It will enable the augmented reality already implemented in some surgery. Before reaching this, a preliminary step is the development of a 3D reconstruction endoscope. In addition to that, endoscopists suffer from a lack of quantitative data to evaluate dimensions and distances, notably for the polyp size measurement.<p>In this thesis, a contribution to more a robust 3D reconstruction endoscopic device is proposed. Structured light technique is used and implemented using a diffractive optical element. Two patterns are developed and compared: the first is based on the spatial-neighbourhood coding strategy, the second on the direct-coding strategy. The latter is implemented on a diffractive optical element and used in an endoscopic 3D reconstruction device. It is tested in several conditions and shows excellent quantitative results but the robustness against bad visual conditions (occlusions, liquids, specular reflection,) must be improved. <p>Based on this technology, an endoscopic ruler is developed. It is dedicated to answer endoscopists lack of measurement system. The pattern is simplified to a single line to be more robust. Quantitative data show a sub-pixel accuracy and the device is robust in all tested cases. The system has then been validated with a gastroenterologist to measure polyps. Compared to literature in this field, this device performs better and is more accurate. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished