Dans cette thèse, on s’intéresse à l’application du domaine de la vision par ordinateur à la vélocimétrie de surface des rivières. Les hydrauliciens utilisent déjà plusieurs routines de traitement d’images pour traiter des vidéos de rivières. Le but ultime est d’estimer la vitesse surfacique d’un cours d’eau par une méthode sans contact. Cela permet aux chercheurs d’éviter les risques liés au jaugeage intrusif des rivières, notamment en période de crue. Dans ce but, deux enjeux sont à prendre en compte. Tout d’abord, le mouvement apparent de la rivière dans l’espace image doit être estimé. Ensuite, ce mouvement, estimé en pixels par unité de temps, doit être transformé en une vitesse réelle exprimée en mètres par seconde par exemple. Jusqu’au présent, les méthodes de vélocimétrie par images imposent quelques contraintes sur les séquences pour qu’elles soient exploitables (notamment une caméra fixe et le besoin de la présence physique des équipes hydrauliques au site de jaugeage avant ou après l’événement). Dans cette thèse, on vise à élargir ce périmètre en incluant les vidéos prises par des amateurs (c’est à dire de paramètres inconnus, et avec un mouvement potentiel de la caméra) tout en présentant de meilleures solutions pour les enjeux précédemment mentionnés. / This thesis is an application of computer vision findings to river velocimetry research. Hydraulic research scientists already use various image processing techniques to process image sequences of rivers. The ultimate goal is to estimate free surface velocity of rivers remotely. As such, many risks related to intrusive river gauging techniques could be avoided. Towards this goal, there are two major issues need be addressed. Firstly, the motion of the river in image space need to be estimated. The second issue is related to how to transform this image velocity to real world velocity. Until recently, imagebased velocimetry methods impose many requirements on images and still need considerable amount of field work to be able to estimate rivers velocity with good accuracy. We extend the perimeter of this field by including amateur videos of rivers and we provide better solutions for the aforementioned issues. We propose a motion estimation model that is based on the so-called optical flow, which is a well developed method for rigid motion estimation in image sequences. Contrary to conventional techniques used before, optical flow formulation is flexible enough to incorporate physics equations that govern rivers motion. Our optical flow is based on the scalar transport equation and is augmented with a weighted diffusion term to compensate for small scale (non-captured) contributions. Additionally, since there is no ground truth data for such type of image sequences, we present a new evaluation method to assess the results. It is based on trajectory reconstruction of few Lagrangian particles of interest and a direct comparison against their manually-reconstructed trajectories. The new motion estimation technique outperformed traditional methods in image space. Finally, we propose a specialized geometric modeling of river sites that allows complete and accurate passage from 2D velocity to world velocity, under mild assumptions. This modeling considerably reduces the field work needed before to deploy Ground Reference Points (GRPs). We proceed to show the results of two case studies in which world velocity is estimated from raw videos.

La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example.

Ce mémoire décrit le développement opto-mécanique et électro-mécanique de la 2ième version du scanner TomOptUS pour tomographie optique diffuse (TOD).Ce scanner est destiné à l'imagerie moléculaire 3D de l'intérieur d'un petit animal. Les buts de la TOD sont : 1) d'obtenir la distribution spatiale des coefficients d'absorption ([mu][indice inférieur a]) et de diffusion ([mu][indice inférieur s]) dans les tissus biologiques (imagerie intrinsèque) et 2) de localiser des agents fluorescents injectés et à suivre leur distribution spatiale (imagerie par fluorescence). La TOD sur petit animal est d'un grand intérêt en pharmacologie et en oncologie pour l'étiquetage de médicaments afin de suivre leur progression, pour suivre l'évolution d'une pathologie sous traitement sur un même individu, ou pour repérer des cellules cancéreuses par marquage des protéines membranaires qu'elles expriment. La diffusion de la lumière dans les tissus biologiques est le plus grand obstacle en TOD. Les mesures en régime continu ne permettent pas de distinguer les photons détectés selon le degré de diffusion qu'ils subissent. La diffusion mène à une perte d'information quant à la trajectoire suivie par les photons. La détection résolue en temps permet de garder une partie de cette information. Le scanner TomOptUS utilise un système ultra-rapide de comptage de photons corrélé en temps et des tubes photomultiplicateurs pour mesurer la distribution temporelle de pulses lumineux transmis et/ou rétrodiffusés dans le sujet à imager suite à l'illumination à l'aide d'impulsions laser ultra-brèves. La 2 ième version du scanner est un système multicanal à géométrie annulaire sur 360 [degrés] autour du sujet. Il est muni de 7 canaux de détection optique permettant l'acquisition simultanée de données tomographiques dans deux bandes de longueurs d'onde (intrinsèque et fluorescence). L'acquisition des données est automatisée par ordinateur.Ce scanner a l'avantage d'effectuer des mesures sans contact avec le sujet. Ceci facilite l'acquisition des données et permettra éventuellement de le combiner à d'autres modalités d'imagerie médicale sans contact (tomographie d'émission par positrons, tomodentométrie [i.e. tomodensitométrie] ou imagerie par résonance magnétique) pour réaliser des séances d'imagerie multimodales. Le scanner est aussi équipé d'un système de vision numérique stéréo à 2 caméras permettant de mesurer la surface externe du sujet en 3D. Les mesures tomographiques et de surface se font simultanément en utilisant le faisceau laser incident sur le sujet. On présente des résultats de localisation d'un nombre a priori inconnu d'inclusions fluorescentes ponctuelles dans une mire (ou fantôme) absorbante et diffusante. L'algorithme de localisation repose sur la mesure des temps d'arrivée des premiers photons à différentes positions angulaires autour du sujet. Ceci requiert une résolution temporelle très élevée dans la détection des photons, une très grande synchronisation des différents canaux de détection et une grande stabilité dans la détection des signaux optiques. L'architecture du scanner ainsi qu'une méthode de calibration élaborée dans le cadre des présents travaux permettent d'atteindre de telles performances. On présente également des résultats préliminaires de l'effet d'un milieu hétérogène sur le temps de vol des photons.

Le principal objectif de cette thèse a été de mettre en œuvre des lasers solide à base de verre phosphate codopé Yb3+:Er3+ pompés par diode afin d'étudier leur comportement lorsqu'ils sont soumis à une rétroinjection optique. Ces lasers présentent comme principaux avantages par rapport à d'autres sources une très grande sensibilité à la rétroinjection compte tenu des propriétés de l'ion Er3+ favorisant les oscillations de relaxation du laser. D'autre part, la longueur d'onde d'émission 1,535 µm appartient au domaine de sécurité oculaire.<br /> En premier lieu, nous avons établi les équations d'évolution temporelle de l'inversion de population et du champ électrique d'un laser à 3 niveaux (Yb:Er) soumis à un retour optique décalé en fréquence. Nous avons ensuite réalisé une étude comparative de l'influence du milieu à gain (système à 3 niveaux Yb:Er ou à 4 niveaux LNA:Nd) et des paramètres de cavité sur la sensibilité à la rétroinjection optique. <br /> Les lasers réalisés ont été ensuite mis en œuvre dans divers expériences de rétroinjection optique permettant des mesures originales de vitesse, de distance ou de vibration pour la restitution d'un son. <br /> La quatrième partie de ce mémoire est consacrée à la mise en œuvre d'un laser bi-fréquence. Un tel laser oscille simultanément sur deux états propres de polarisation orthogonaux dont les fréquences optiques sont légèrement décalées. On peut alors utiliser le battement entre ces deux états propres en rétroinjection optique pour réaliser une détection hétérodyne ou self-hétérodyne.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Energie, thermique, combustion : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.43 ref.

La tomographie optique diffuse (TOD) est une modalité d’imagerie biomédicale 3D peu dispendieuse et non-invasive qui permet de reconstruire les propriétés optiques d’un tissu biologique. Le processus de reconstruction d’images en TOD est difficile à réaliser puisqu’il nécessite de résoudre un problème non-linéaire et mal posé. Les propriétés optiques sont calculées à partir des mesures de surface du milieu à l’étude. Dans ce projet, deux méthodes de reconstruction non-linéaire pour la TOD ont été développées. La première méthode utilise un modèle itératif, une approche encore en développement qu’on retrouve dans la littérature. L’approximation de la diffusion est le modèle utilisé pour résoudre le problème direct. Par ailleurs, la reconstruction d’image à été réalisée dans différents régimes, continu et temporel, avec des mesures intrinsèques et de fluorescence. Dans un premier temps, un algorithme de reconstruction en régime continu et utilisant des mesures multispectrales est développé pour reconstruire la concentration des chromophores qui se trouve dans différents types de tissus. Dans un second temps, un algorithme de reconstruction est développé pour calculer le temps de vie de différents marqueurs fluorescents à partir de mesures optiques dans le domaine temporel. Une approche innovatrice a été d’utiliser la totalité de l’information du signal temporel dans le but d’améliorer la reconstruction d’image. Par ailleurs, cet algorithme permettrait de distinguer plus de trois temps de vie, ce qui n’a pas encore été démontré en imagerie de fluorescence. La deuxième méthode qui a été développée utilise l’apprentissage machine et plus spécifiquement l’apprentissage profond. Un modèle d’apprentissage profond génératif est mis en place pour reconstruire la distribution de sources d’émissions de fluorescence à partir de mesures en régime continu. Il s’agit de la première utilisation d’un algorithme d’apprentissage profond appliqué à la reconstruction d’images en TOD de fluorescence. La validation de la méthode est réalisée avec une mire aux propriétés optiques connues dans laquelle sont inséres des marqueurs fluorescents. La robustesse de cette méthode est démontrée même dans les situations où le nombre de mesures est limité et en présence de bruit. / Abstract : Diffuse optical tomography (DOT) is a low cost and noninvasive 3D biomedical imaging technique to reconstruct the optical properties of biological tissues. Image reconstruction in DOT is inherently a difficult problem, because the inversion process is nonlinear and ill-posed. During DOT image reconstruction, the optical properties of the medium are recovered from the boundary measurements at the surface of the medium. In this work, two approaches are proposed for non-linear DOT image reconstruction. The first approach relies on the use of iterative model-based image reconstruction, which is still under development for DOT and that can be found in the literature. A 3D forward model is developed based on the diffusion equation, which is an approximation of the radiative transfer equation. The forward model developed can simulate light propagation in complex geometries. Additionally, the forward model is developed to deal with different types of optical data such as continuous-wave (CW) and time-domain (TD) data for both intrinsic and fluorescence signals. First, a multispectral image reconstruction algorithm is developed to reconstruct the concentration of different tissue chromophores simultaneously from a set of CW measurements at different wavelengths. A second image reconstruction algorithm is developed to reconstruct the fluorescence lifetime (FLT) of different fluorescent markers from time-domain fluorescence measurements. In this algorithm, all the information contained in full temporal curves is used along with an acceleration technique to render the algorithm of practical use. Moreover, the proposed algorithm has the potential of being able to distinguish more than 3 FLTs, which is a first in fluorescence imaging. The second approach is based on machine learning techniques, in particular deep learning models. A deep generative model is proposed to reconstruct the fluorescence distribution map from CW fluorescence measurements. It is the first time that such a model is applied for fluorescence DOT image reconstruction. The performance of the proposed algorithm is validated with an optical phantom and a fluorescent marker. The proposed algorithm recovers the fluorescence distribution even from very noisy and sparse measurements, which is a big limitation in fluorescence DOT imaging.

En aérodynamique automobile, les écoulements sont caractérisés par des structures fortement décollées, tridimensionnelles et instationnaires qui sont à l'origine de la trainée du véhicule et de la génération de bruit. Une configuration modèle générique de cette aérodynamique a été proposée. On étudie de manière expérimentale l'interaction du sillage tridimensionnel d'un disque de diamètre D placé à une distance H d'une paroi. Sur la base de cet écoulement, l'objectif est de développer une analyse instationnaire des structures de l'écoulement et de leur couplage avec la pression fluctuante. On a mis en oeuvre pour cela des moyens d'essais modernes tels que la mesure synchronisée pression/vitesse ou la mesure HS-PIV (High Speed - PIV) et développé des moyens d'analyse (analyse corrélatoire, outils lagrangien FTLE, moyenne conditionnelle et estimation stochastique). Pour H/D=0.75, le battement du sillage associé au lâcher tourbillonnaire est mis en évidence. Les moyennes de phase, déterminées à l'aide d'une analyse POD du signal de pression, associent le déplacement vertical du sillage au lâcher de structures cohérentes dans le plan de symétrie. L'utilisation de l'estimation stochastique de type spatio-temporelle, dont la supériorité par rapport à l'approche spatiale a été démontrée, a permis de montrer que les structures cohérentes sont reliées de manière linéaire aux fluctuations de pression. Pour H/D=0.3, l'interaction du sillage du disque avec la paroi a considérablement changé. Dans la zone proche du point de décollement, il a été montré à l'aide de l'outil lagrangien FTLE que la fréquence dominante de 30Hz sur les DSP de pression est associée aux fluctuations du point de décollement.

Un nouveau régime de combustion capable de réduire la formation des oxydes d'azote est étudié. Une flamme non prémélangée est stabilisée entre des réactifs dilués, préalablement chauffés et injectés séparément dans un brûleur à contre-courant. Un dispositif expérimental a été réalisé, avec pour paramètres de fonctionnement l'étirement aérodynamique, le taux de turbulence des jets opposés, la température de préchauffage et le taux de dilution dans l'azote des espèces réactives. La caractérisation aérothermochimique est effectuée au moyen de la PIV et de l'imagerie d'émission des radicaux OH* et CH*. Des algorithmes spécifiques de traitement des images et d'extraction des zones réactives ont été mis au point. L'influence des paramètres sur les propriétés de la flamme a été mesurée. Le domaine d'inflammabilité croît avec l'augmentation de la température et de la turbulence, mais se restreint avec celle de la dilution. Ces observations ont été reliées à l'épaisseur des zones chimiquement actives. La turbulence augmente le transport des espèces et rend la flamme, lorsque les réactifs sont préchauffés, plus robuste à l'extinction. L'augmentation de la température et de la turbulence conduit à une homogénéisation spatiale des propriétés de la flamme et de l'écoulement.

L'utilisation de fluides au comportement rhéologique complexe (seuil d'écoulement, thixotropie) est de plus en plus courante dans notre quotidien. Une description globale du comportement n'est pas suffisante et c'est pourquoi ce travail se focalise sur la détermination locale des propriétés de ces matériaux complexes. Pour cela nous nous appuyons sur des méthodes optiques pour obtenir des informations sur la contrainte et la vitesse de cisaillement. Nous avons choisi d'opter pour la PIV (Particle Image Velocimetry) pour l'obtention du gradient de vitesse et la photoélasticimétrie pour la mesure de contrainte. L'emploi de ces deux techniques de mesure oblige que les fluides étudiés soient transparents et biréfringents. Nous étudions alors une solution de Milling Yellow (fluide au comportement rhéologique simple) pour valider nos techniques de mesure et des suspensions de Laponite qui sont des fluides à seuil et thixotropes. La première étape de ce travail consiste à avoir une idée générale du comportement rhéologique des fluides d'où leur caractérisation à l'aide d'un rhéomètre. Ensuite, dans une géométrie où la répartition de contrainte est connue (géométrie à cylindres coaxiaux), nous déterminons les lois rhéo-optiques nous permettant de relier la contrainte dans le matériau à sa réponse optique. Enfin, dans une géométrie plan-plan, nous couplons les deux techniques de mesure optiques (PIV et photoélasticimétrie) afin de reconstruire un rhéogramme local des différents fluides étudiés pouvant être comparé à celui issu de mesures classiques de rhéométrie. / The use of fluids with a complex rheological behavior (yield stress, thixotropy) is becoming more common in our daily lives. However, a global description of this behavior is not satisfactory even if it is quickly and easily accessible. The aim of this work is to advance in the understanding of complex behaviors at a local scale. Optical methods are the best way to do that. In our case, we need to get information about the shear stress and the shear rate. So we need a measurement technique for each of these variables. A PIV (Particle Image Velocimetry) technique is used to obtain the shear rate and the shear stress is determined by photoelasticimetry. The use of these two techniques requires that the studied fluids are transparent and birefringent. Then, our measurement techniques are validated using a Milling Yellow solution (a simple rheological fluid) before studying Laponite suspensions which are thixotropic yield stress fluids. Firstly, a rheometer is used to have a general idea of the rheological behavior of our fluids. Secondly, in a geometry where the shear stress distribution is known (a coaxial cylinders geometry), rheo-optical laws connecting the shear stress within the material to its optical response are determined. Finally, in a plate-plate geometry, the two optical measurement techniques (PIV and photoelasticimetry) are coupled to reconstruct a local rheogram for the studied fluids that can be compared to the one obtained from conventional Rheometric measurements.

Nous étudions les propriétés quantiques des images<br /> optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ<br /> électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que<br /> mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche<br /> multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode<br /> de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque<br /> de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire.<br /><br /> Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images<br /> optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du<br /> champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à<br /> deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que<br /> le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de<br /> déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous<br /> appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton<br /> spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même<br /> si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la<br /> diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de<br /> correlations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une<br /> expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré<br /> transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un<br /> grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre<br /> deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes<br /> transverses.