Le shoveling de l'incisive centrale maxillaire est une caractéristique dentaire non-métrique utilisée en anthropologie comme indicateur des relations entre les populations. Ce trait morphologique dentaire est défini comme le degré d'élévation des crêtes mésiales et distales marginales sur la surface linguale des incisives maxillaires avec des formes plus prononcées renfermant une fosse. Plusieurs tentatives ont été faites pour classer et évaluer les différences de shoveling entre les populations humaines modernes et fossiles, en utilisant d'abord des approches descriptives détaillées et en élaborant par la suite des systèmes de notation ordinale des traits. A ce jour, la technique gold standard pour l'analyse du shoveling est basée sur une échelle ordinale de sept grades qui a été adaptée et intégrée à un système formel de notation des traits non métriques de la morphologie dentaire: le Arizona State University Dental Anthropology System (ASUDAS). Ce protocole standard est basé sur des plaques de plâtre de référence représentant les moulages de dents sélectionnées montrant un gradient d'expression d'un trait particulier. La notation ordinale, même si elle est contrôlée par des définitions strictes des caractéristiques, des références visuelles et l'expérience de l'observateur, comprend une part inévitable de subjectivité. De plus, les supports d'information conventionnels utilisés par ASUDAS peuvent entrainer des pertes d'information dans le temps. Dans un premier temps, nous avons élaboré une nouvelle approche morphométrique quantitative pour évaluer la variation du shoveling des incisives centrales maxillaires humaines modernes (UI1). Nous avons analysé par imagerie virtuelle 87 UI1 humaines modernes (Europe, Afrique, Asie) et les 7 UI1 de la plaque de référence ASU-UI1 en utilisant la morphométrie géométrique et le positionnement de points de repères glissants. Les résultats de la répartition du shoveling en fonction des populations selon notre nouvelle méthode morphométrique sont en étroite corrélation avec la répartition du shoveling largement décrite dans la littérature. En outre, nos résultats ont mis en évidence certaines limites dans l'utilisation des plaques ASUDAS, laissant supposer qu'elles ne représentent pas nécessairement un gradient objectif d'expression de cette caractéristique dentaire non métrique. [...] / The shoveling of the maxillary central incisor is a non-metric dental characteristic frequently used in anthropology as an indicator of population relations for its taxonomic and phylogenetic relevance for many decades. This dental morphological feature is defined as the degree of elevation of the mesial and distal marginal ridges on the lingual surface of the maxillary incisors, canines and mandibular incisors, with more pronounced pit-like forms. From the 19th century until today, several attempts have been made to classify and assess the shoveling differences between fossil and modern human populations, first using detailed descriptive approaches and later developing ordinal feature notation systems. The standard gold technique for shoveling analysis is based on a seven-grade ordinal scale that has been adapted and integrated into a formal system for scoring non-metric features of dental morphology: the Arizona State University Dental Anthropology System (ASUDAS). This widely-used standard protocol is based on reference plaster plaques representing the casts of selected teeth showing a gradient of expression of a particular trait. Ordinal notation, even if controlled by strict definitions of characteristics, visual references, and observer experience, includes an inevitable element of subjectivity. Moreover, the conventional information support used by ASUDAS can lead to loss of information over time. Some researchers have attempted to reduce visual subjectivity by measuring the depth of lingual shoveling, but with little success in their results due to method accuracy problems. First, we developed a new quantitative morphometric approach to assess the shoveling variation of modern human maxillary central incisors (UI1). We analyzed by virtual imaging 87 modern human UI1 (Europe, Africa, Asia) and the 7 UI1 of the ASU-UI1 reference plaque using geometric morphometry and the positioning of sliding reference points. The results of the distribution of shoveling according to populations according to our new morphometric method are in close correlation with the distribution of shoveling widely described in the literature. In addition, our results showed some limitations in the use of ASUDAS plaques, suggesting that they do not necessarily represent an objective gradient of expression of this non-metric dental characteristic. [...]

Le développement des techniques de microscopie 3D offrant une résolution spatiale de l'ordre du micromètre a ouvert un large champ de recherche en biologie cellulaire. Parmi elles, un avantage intéressant de la micro-tomographie par faisceau d'ions est de donner des résultats quantitatifs en termes de concentrations locales d'une manière directe, en utilisant une technique d'émission de rayonnement X (PIXET) combinée à la microscopie ionique en transmission (STIMT). Le traitement des données expérimentales constitue un point délicat. Après une brève introduction aux techniques de reconstruction existantes, nous présentons le principe du code DISRA, le plus complet écrit jusqu'à ce jour, qui nous a servi de base pour ce travail de thèse. Nous avons modifié et étendu le code DISRA en considérant les aspects spécifiques des échantillons biologiques. Un logiciel de traitement de données complet a ainsi été développé, avec une interface utilisateur permettant le contrôle de chaque étape de la reconstruction. Les résultats d'expériences de STIMT et/ou PIXET effectuées au CENBG sur des spécimens de référence et sur des cellules végétales ou humaines isolées sont présentés.

Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire, ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résultats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Cette thèse propose d'étudier en détail une méthode générale de construction d'un réseaude pores interconnectés à partir d'une image 3D d'un matériau poreux afin de calculer laperméabilité absolue. Un squelette de l'espace poral est tout d'abord utilisé pour définir laposition des pores. Ce squelette est transformé en graphe, puis plusieurs étapes de fusiondes nœuds sont réalisées pour obtenir un réseau exploitable. Une ligne de partage des eauxprenant comme marqueurs les nœuds du graphe permet d'attribuer une géométrie auxpores. Le système d'équation linéaire à résoudre est construit en intégrant les équations deStokes sur des éléments de l'espace poral. Une méthode originale de calcul du coefficient deproportionnalité existant entre les pressions au centre de deux pores et le débit traversantla surface les séparant est proposée. Une application de l'intégralité de l'approche estégalement présentée sur un matériau réel.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale.<br />Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

L'imagerie cone-beam computed tomography (CBCT) est une méthodologie de contrôle non destructif permettant l'obtention d'images volumiques d'un objet. Le système d'acquisition se compose d'un tube à rayons X et d'un détecteur plan numérique. La recherche développée dans ce manuscrit se déroule dans le contexte industriel. L'objet est placé sur une platine de rotation et une séquence d'images 2D est acquise. Un algorithme de reconstruction procure des données volumiques de l'atténuation de l'objet. Ces informations permettent de réaliser une étude métrologique et de valider ou non la conformité de la pièce imagée. La qualité de l'image 3D est dégradée par différents artefacts inhérents à la plateforme d'acquisition. L'objectif de cette thèse est de mettre au point une méthode de correction adaptée à une plateforme de micro-tomographie par rayons X d'objets manufacturés poly-matériaux. Le premier chapitre décrit les bases de la physique et de l'algorithmie propres à la technique d'imagerie CBCT par rayons X ainsi que les différents artefacts nuisant à la qualité de l'image finale. Le travail présenté ici se concentre sur deux types d'artefacts en particulier: les rayonnements secondaires issus de l'objet et du détecteur et le durcissement de faisceau. Le second chapitre présente un état de l'art des méthodes visant à corriger le rayonnement secondaire. Afin de quantifier le rayonnement secondaire, un outil de simulation basé sur des techniques de Monte Carlo hybride est développé. Il permet de caractériser le système d'acquisition installé au laboratoire de façon réaliste. Le troisième chapitre détaille la mise en place et la validation de cet outil. Les calculs Monte Carlo étant particulièrement prohibitifs en terme de temps de calcul, des techniques d'optimisation et d'accélération sont décrites. Le comportement du détecteur est étudié avec attention et il s'avère qu'une représentation 2D suffit pour modéliser le rayonnement secondaire. Le modèle de simulation permet une reproduction fidèle des projections acquises avec le système réel. Enfin, le dernier chapitre présente la méthodologie de correction que nous proposons. Une première reconstruction bruitée de l'objet imagé est segmentée afin d'obtenir un modèle voxélisé en densités et en matériaux. L'environnement de simulation fournit alors les projections associées à ce volume. Le volume est corrigé de façon itérative. Des résultats de correction d'images tomographiques expérimentales sont présentés dans le cas d'un objet mono-matériaux et d'un objet poly-matériaux. Notre routine de correction réduit les artefacts de cupping et améliore la description du volume reconstruit.

Le scanner laser aéroporté est une technique d'imagerie très prometteuse, notamment pour l'observation des zones forestières. En particulier, la déclinaison "onde complète", qui consiste à enregistrer l'intégralité du signal lumineux réfléchi par la scène suite à l'émission d'une impulsion laser, permet de sonder les couverts végétaux en profondeur. De nombreux systèmes commerciaux sont disponibles et d'ores et déjà utilisés en particulier en topographie ou en bathymétrie. Mais ces systèmes ne sont pas dédiés à l'observation de la végétation. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'intérêt de ces systèmes pour la reconstruction géométrique des modèles numériques de terrain sous couvert végétal, et le développement d'outils qui permettront d'optimiser les performances des systèmes lidar onde complète dans ce but. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle physique de lidar onde complète adapté à la simulation de l'observation de scènes de végétation. Le modèle DELiS (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) permet de simuler l'observation de scènes de végétation complexes et réalistes, tout en incluant la prise en compte de l'environnement extérieur (atmosphère, soleil) ainsi que des bruits de mesure. Une fois le modèle DELiS validé par confrontation à des résultats analytiques, nous avons utilisé ses capacités de simulation afin d'étudier l'intérêt du lidar onde complète pour la reconstruction d'un modèle numérique de terrain sous couvert végétal. Dans ce but, nous avons mis en place une méthode originale de traitement et de classification des données lidar onde complète permettant de séparer les échos lidar provenant du sol de ceux provenant de la végétation. Grâce à ces données classifiées, nous pouvons ensuite reconstruire la géométrie du sol et des objets initialement occultés par la végétation. Enfin, nous nous intéresserons à la possibilité de combiner des données aéroportées acquises sous différents points de vue afin d'améliorer les reconstructions. Mis à part le développement d'un outil opérationnel de simulation de la mesure lidar onde complète, qui pourra servir de support à de nombreuses études ainsi qu'au développement et au dimensionnement de nouveaux instruments, nous avons pu démontrer dans cette thèse que le scanner laser aéroporté onde complète pouvait permettre d'obtenir en milieux forestier des reconstructions de la géométrie du terrain à des résolutions sub-métriques et avec une précision de l'ordre de 10 à 20 centimètres. La combinaison des visées multi-angulaire permet, par l'apport d'une quantité importante d'information supplémentaire, d'améliorer encore les reconstructions. Nous montrons cependant que les visées inclinées sont plus sensibles à la présence des troncs et branchages des arbres, éléments qui sont susceptibles d'introduire une erreur importante dans les processus de classification et de reconstruction. Pour cette raison, nous recommandons l'utilisation de la visée nadir pour la reconstruction mono-vue des modèles numériques de terrain, et nous proposons une méthode permettant de choisir de façon optimale les visées inclinées à ajouter pour l'observation détaillée d'une portion plus restreinte de la scène.

Cette thèse propose d'étudier en détail une méthode générale de construction d'un réseaude pores interconnectés à partir d'une image 3D d'un matériau poreux afin de calculer laperméabilité absolue. Un squelette de l'espace poral est tout d'abord utilisé pour définir laposition des pores. Ce squelette est transformé en graphe, puis plusieurs étapes de fusiondes nœuds sont réalisées pour obtenir un réseau exploitable. Une ligne de partage des eauxprenant comme marqueurs les nœuds du graphe permet d'attribuer une géométrie auxpores. Le système d'équation linéaire à résoudre est construit en intégrant les équations deStokes sur des éléments de l'espace poral. Une méthode originale de calcul du coefficient deproportionnalité existant entre les pressions au centre de deux pores et le débit traversantla surface les séparant est proposée. Une application de l'intégralité de l'approche estégalement présentée sur un matériau réel. / A general method to build a pore network model from a 3D image of a porous material ispresented in this work in order to compute its permeability. A skeleton of the void spaceis first used to define pores position. This skeleton is converted to a first graph. Mergingsteps are necessary to obtain a relevant network. A volume is allocated to the pores using awatershed algorithm, starting with markers defined from the nodes of the graph. The linearsystem of equations to solve is deduced by integrating the Stokes equations on pore spacepartitioning elements. The proportionality coefficient linking the pressure drop betweentwo pore centers and the flow going through the surface separating them is calculated withan original method. Application of the complete process to a real material is presented.

L'évolution biologique des organismes peut être étudiée comme une succession de transformations morphologiques qui sont caractérisées par le changement de leur géométrie tridimensionnelle globale et locale. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des outils mathématiques et informatiques comparatifs de formes tridimensionnelles afin d'étudier ces transformations et de pouvoir les comparer avec les variabilités inter- et intra-espèces. Dans la chaîne de traitement des données tridimensionnelles (images 3D ou maillages 3D) employée en " paléoanthropologie virtuelle ", la méthode la plus souvent utilisée en analyse comparative est basée sur des points de repère (en général, anatomiques) dont les coordonnées sont analysées à l'aide d'outils mathématiques tels que la " morphométrie géométrique ". Plus récemment, une autre classe de méthodes a été proposée. Elle permet des comparaisons globales entre les surfaces complètes de structures anatomiques sans avoir besoin de définir des points de repère. On obtient ainsi une analyse statistique de la forme moyenne et de sa variabilité en tout point. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier la chaîne d'analyse morphométrique des données 3D utilisées en paléoanthropologie, de la numérisation à l'exploitation des données par les chercheurs. Cette thèse présente des méthodes analytiques pour le traitement des données issues de la paléoanthropologie, depuis la numérisation des sites de fouilles jusqu'à l'acquisition et l'analyse des spécimens. Nous établissons des modèles numériques de terrain (analyses multidimensionnelles de données issues de différentes modalités d'acquisition telles que les scans laser et la photogrammétrie) qui permettent d'appréhender les vestiges dans leur contexte et nous proposons des analyses qui répondent à des problématiques qui sont spécifiques aux études en biologie. En particulier, nous apportons des outils d'analyse et de visualisation (cartographies 3D et analyses statistiques) pour des problématiques de déformation basées sur des recalages surfaciques. Nous proposons également une méthode d'analyse sur des données partielles afin de pouvoir exploiter l'ensemble des données disponibles dans les registres fossiles et modernes. Nos résultats mettent en évidence que les méthodes par recalage surfacique augmentent non seulement les possibilités de capter les formes et leurs variations, mais permettent également de travailler sur des formes globales et non uniquement sur certains points. Nous montrons notamment que ces méthodes permettent le développement d'outils qui sont bien adaptés pour les études en paléoanthropologie. / The biological evolution of organisms can be studied as a set of morphological transformations which are characterized by the modification of their global three- dimensional geometry and by some discrete traits. In this context, it is necessary to develop comparative mathematical and computational tools for the study of the inter- and intraspecific variation. Within the three-dimensional data processing workflow (3D images or 3D meshes) employed in " virtual paleoanthropology ", the method that is most commonly used in comparative analysis is based on landmarks (most often anatomical landmarks) from which coordinates are analyzed by using mathematical tools such as " geometric morphometrics ". More recently, other methods allowing global comparisons between three-dimensional reconstructions without landmarks have been proposed. They allow for example the statistical analysis of a global shape and its variability. We suggest to study the process for morphometric analysis of 3D data commonly used in paleoanthropology, from the digitization to the exploration of 3D data. This dissertation introduces analytical methods for the processing of data provided by paleoanthropological studies, from the digitization of the excavation sites to the acquisition and the analysis of specimens. We established digital ground models (multidimensional analyses of data from various modalities of acquisition such as laser scanner and photogrammetry) that contribute to a comprehensive understanding of fossil remains in their context and we proposed relevant analyses for resolving specific problems inherent to biological studies. In particular, we developed appropriate tools for analyses and viewing (3D mappings and statistical analyses) dedicated specifically to problems of deformation-based registrations. Additionally, we introduced a method for the analysis of partial data in order to use all the specimens available in the fossil and modern records. Besides opening up new possibilities of capturing shape variation, our results highlight that techniques based on surface registration provide a reliable methodological framework for working on global shapes without focusing on specific points. We reported in particular that these methods allow the development of tools which are particularly suitable for the paleoanthropological studies.

L’objectif de cette thèse de doctorat était de concevoir et développer un système permettant de caractériser les épandeurs et de prédire la répartition d’engrais au sol. Nous avons proposé deux approches basées respectivement sur l’imagerie 2D et 3D.Le système 2D a permis de déterminer les déplacements dans les images avec une très haute précision où 90% des estimations ont uniquement moins de 0,2 pixels d’erreur. Cependant cette précision n’était applicable que dans le cas d’un épandeur équipé de disques plats pour lequel la plupart des engrais est éjectée dans le plan horizontal parallèle au plan d’image de la camera. Par conséquent nous avons proposé un système d’imagerie 3D qui a permis de déterminer le mouvement 3D des engrais. Ainsi il peut être appliqué sur des épandeurs équipés de disque concave.Ce nouveau système peut : Caractériser les épandeurs dans un hall avec des conditions contrôlées ;Evaluer les effets de différents réglages des épandeurs ;Etudier le comportement des granulés et améliorer le modèle de vol balistique.Un tel système, moyennant quelques modifications, est envisagé à long terme sur un épandeur, permettant une gestion en temps réel de l’épandage et une rétroaction potentielle sur le fonctionnement de l’épandeur. [extrait du résumé] / The characterization of the fertilizer centrifugal spreading has become an important agriculture scientific issue in order to help farmers having a higher fertilization precision hence higher production efficiency. The ejected fertilizer grains are comparable to projectiles; hence, by using a ballistic flight model, predicting the spread pattern on the ground relies on an estimation of the trajectories and velocities of ejected grains. To estimate those parameters two approaches were proposed. First a two-steps zero mean normalized cross-correlation based algorithm for motion estimation was used to determine the displacement of the grains in the 2D images. The efficiency of this algorithm was evaluated by the mean of a grain images’ simulator. The results showed a high accuracy with an error of less than 0.2 pixels for 90% of the estimated velocities. However, the vertical ejection angle cannot be determined. This limits the use of the technique to spreaders equipped with flat disks where the trajectories of the grains will mostly be in a horizontal plane. This restriction was handled by the second approach. It is based on a 3D stereovision imaging system. A region based stereo matching algorithm with uniqueness and ordering constraints was introduced. It was validated using a grains’ stereo images simulator. 90% of the disparities were estimated with errors less than 2 pixels (around 1%). Moreover a 3D motion estimation algorithm was developed. It is based on an improvement of the previous 2D motion estimation algorithm combined with the estimated 3D coordinates. The efficiency of the whole system was approved via a comparison of its results and a real distribution obtained from a developed cylindrical collector.