Natural surfaces are usually associated with feature graphs, such as the cortical surface with anatomical atlas structure. Such a feature graph subdivides the whole surface into meaningful sub-regions. Existing brain mapping and registration methods did not integrate anatomical atlas structures. As a result, with existing brain mappings, it is difficult to visualize and compare the atlas structures. And also existing brain registration methods can not guarantee the best possible alignment of the cortical regions which can help computing more accurate shape similarity metrics for neurodegenerative disease analysis, e.g., Alzheimer’s disease (AD) classification. Also, not much attention has been paid to tackle surface parameterization and registration with graph constraints in a rigorous way which have many applications in graphics, e.g., surface and image morphing. This dissertation explores structural mappings for shape analysis of surfaces using the feature graphs as constraints. (1) First, we propose structural brain mapping which maps the brain cortical surface onto a planar convex domain using Tutte embedding of a novel atlas graph and harmonic map with atlas graph constraints to facilitate visualization and comparison between the atlas structures. (2) Next, we propose a novel brain registration technique based on an intrinsic atlas-constrained harmonic map which provides the best possible alignment of the cortical regions. (3) After that, the proposed brain registration technique has been applied to compute shape similarity metrics for AD classification. (4) Finally, we propose techniques to compute intrinsic graph-constrained parameterization and registration for general genus-0 surfaces which have been used in surface and image morphing applications.

L'instrument SNIFS a été conçu pour l'observation des Supernovae de type Ia à bas redshit afin de mieu connaître et caractériser ces objets. Le but étant de savoir si ces objets peuvent être utilisés comme des chandelles standards afin de contraindre les paramètres cosmologiques. La première partie de cette thèse porte sur le développement d'une simulation numérique détaillée de l'instrument SNIFS. Cette simulation reproduit les données issues de l'instrument de la manière la plus réaliste possible en tenant compte de toutes les aberrations présentes, ce qui inclut l'instrument mais aussi l'atmosphère. A terme ces images pourront être utilisées pour préparer la calibration de l'instrument. Le seconde partie tente d'établir une méthode capable d'analyser les résultats produits par l'instrument SNIFS. En se basant sur des outils morphométriques, cette méthode montrera comment l'on peut comparer des séries temporelles de spectre de supernovae et extraire des informations statistiques de celles ci.

Τα τελευταία χρόνια γίνονται αρκετές μελέτες πάνω σε συναισθηματικές εκφράσεις προσώπου. Σκοπός τους είναι η μελέτη της αντίδρασης του εγκεφάλου πάνω σε σχετικά ερεθίσματα, κάτι που βρίσκει εφαρμογή σε πολλούς τομείς, όπως οι Νευροεπιστήμες, η Τεχνητή Νοημοσύνη και η Ψυχολογία. Διενεργούνται αρκετά πειράματα, τα οποία βασίζονται σε απεικονίσεις εκφράσεων προσώπου, οι οποίες συνήθως ομαδοποιούνται σε βάσεις δεδομένων με φωτογραφίες εκφράσεων προσώπου. Στην παρούσα Διπλωματική εργασία, γίνεται προσπάθεια αναβάθμισης υπάρχουσας βάσης δεδομένων με φωτογραφίες συναισθηματικών εκφράσεων Ελλήνων. Αρχικά μελετάται το θεωρητικό υπόβαθρο των συναισθημάτων και των συγκινήσεων, καθώς και ο ρόλος τους στην ανθρώπινη συμπεριφορά. Στη συνέχεια δίνεται έμφαση στις βάσεις δεδομένων διαφόρων μελετών πάνω σε φωτογραφίες συναισθηματικών εκφράσεων του προσώπου, όπου και παρουσιάζεται ο τρόπος ανάπτυξης τέτοιων βάσεων. Η συνέχεια περιλαμβάνει την ψηφιακή ανάλυση των φωτογραφιών με τη χρήση λογισμικών πακέτων, δηλαδή τη μορφοποίηση και την ανάλυση χωρικών συχνοτήτων. Στην πρώτη περίπτωση επιλέγονται δύο συγκεκριμένα συναισθήματα και κατασκευάζονται καινούριες ενδιάμεσες (μορφοποιημένες) φωτογραφίες. Στη δεύτερη, εφαρμόζονται φίλτρα ως προς τη χωρική συχνότητα και προκύπτουν φωτογραφίες με χαμηλές και υψηλές χωρικές συχνότητες. Το σύνολο των φωτογραφιών που προκύπτει, αποτελεί τη βάση δεδομένων για το σύστημα διαχείρισης που κατασκευάζουμε. Πρόκειται για ένα πρόγραμμα που διαχειρίζεται ποικιλοτρόπως τη βάση δεδομένων και παρέχει αρκετές ευκολίες στον πειραματιστή στην έρευνά του. Στα πλαίσια του προγράμματος, αξιολογητές προσπαθούν να βρουν τι είδους συναίσθημα απεικονίζεται στις φωτογραφίες που βλέπουν. Η κάθε απάντηση των χρηστών αποθηκεύεται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για στατιστική επεξεργασία. Απώτερος στόχος είναι να γνωρίζουμε ποιες φωτογραφίες αποτελούν ορθότερη αναπαράσταση για τα συναισθήματα που εν γένει απεικονίζουν, για να αποτελέσουν μια αρκετά αξιόπιστη βάση δεδομένων, η οποία θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα πειραμάτων. Με τον τρόπο αυτό, το προτεινόμενο πρόγραμμα της εργασίας συνεισφέρει στη μελέτη του εγκεφάλου. / -

Il est connu depuis des décennies que la propagation des fissures de fatigue dans les matériaux élastoplastiques est très sensible à l’histoire du chargement car le comportement non-linéaire du matériau peut avoir une grande influence sur les vitesses de propagation. Cependant, le calcul brut de millions de cycles de fatigue avec des comportements matériaux non-linéaires sur des structures tridimensionnelles réalistes conduirait à des temps de calcul prohibitifs. Ainsi, nous proposons de coupler deux approches de réduction de modèle a priori et a posteriori, afin de diminuer considérablement le coût de calcul de ce type de problèmes. Tout d’abord, considérant l’hypothèse de plasticité confinée, une stratégie de réduction de modèle a posteriori du comportement plastique de la structure fissurée est proposée. Le modèle réduit ainsi obtenu fournit incrémentalement l’état plastique autour du front de fissure, duquel est déduite la vitesse instantanée de la fissure. De plus, une seconde approche de réduction de modèle, a priori cette fois, est aussi mise en place afin d’accélérer encore plus les temps de résolution du problème global. Cette approche a priori consiste à construire incrémentalement —et sans calculs préalables— une base réduite spécifique à chaque cas-test, en extrayant de l’information des champs de déplacement de la structure au cours du temps et pendant la propagation éventuelle de la fissure. Ainsi, les champs de déplacement solutions de la géométrie fissurée réactualisée sont vus comme une combinaison linéaire de cette base réduite de vecteurs. La méthode numérique considérée ici est la méthode des éléments finis. De fait, pendant la propagation de la fissure, la discrétisation spatiale du modèle doit être réactualisée afin d’être conforme avec le front de la fissure. Dans ce but, une technique spécifique de déformation de maillage est utilisée, et permet de discrétiser la géométrie variable du modèle avec des maillages de même topologie. Cette technique de déformation de maillage apparaît comme une étape clé de la stratégie de réduction de modèle. Finalement, une approche adaptative est construite autour de cette stratégie. Elle permet de garantir la qualité des résultats obtenus par rapport à un critère de précision donné. La précision et l’efficacité de cette stratégie globale sont démontrées à travers de nombreux exemples bidimensionnels et tridimensionnels dans le cadre de propagation de fissure en model, de même que pour un exemple industriel d’une pièce fissurée d’hélicoptère. / It has been known for decades that fatigue crack propagation in elastic-plastic media is very sensitive to load history since the nonlinear behavior of the material can have a great influence on propagation rates. However, the raw computation of millions of fatigue cycles with nonlinear material behavior on tridimensional structures would lead to prohibitive calculation times. In this respect, we propose a global model reduction strategy, mixing both the a posteriori and a priori approaches in order to drastically decrease the computational cost of these types of problems. First, the small scale yielding hypothesis is assumed, and an a posteriori model reduction of the plastic behavior of the cracked structure is performed. This reduced model provides incrementally the plastic state in the vicinity of the crack front, from which the instantaneous crack growth rate is inferred. Then an additional a priori model reduction technique is used to accelerate even more the time to solution of the whole problem. This a priori approach consists in building incrementally and without any previous calculations a reduced basis specific to the considered test-case, by extracting information from the evolving displacement field of the structure. Then the displacement solutions of the updated crack geometries are sought as linear combinations of those few basis vectors. The numerical method chosen for this work is the finite element method. Hence, during the propagation the spatial discretization of the model has to be updated to be consistent with the evolving crack front. For this purpose, a specific mesh morphing technique is used, that enables to discretize the evolving model geometry with meshes of the same topology. This morphing method appears to be a key component of the model reduction strategy. Finally, the whole strategy introduced above is embedded inside an adaptive approach, in order to ensure the quality of the results with respect to a given accuracy. The accuracy and the efficiency of this global strategy have been shown through several examples; either in bidimensional and tridimensional cases for model crack propagation, including the industrial example of a helicopter structure.

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Avec la mondialisation, l'entreprise doit faire face aux menaces de plus en plus fortes de la concurrence et à l'accélération des flux d'information. Pour cela, elle est amenée à rester continuellement informée des innovations, des stratégies de la concurrence et de l'état du marché tout en gardant la maîtrise de son environnement. Le développement d'Internet et la globalisation ont à la fois renforcé cette exigence, et fourni les moyens de collecter l'information qui, une fois synthétisée, prend souvent une forme relationnelle. Pour analyser le relationnel, le recours à la visualisation par des graphes apporte un réel confort aux utilisateurs, qui, de façon intuitive, peuvent s'approprier une forme de connaissance difficile à appréhender autrement. <br />Nos travaux conduisent à l'élaboration des techniques graphiques permettant la compréhension des activités humaines, de leurs interactions mais aussi de leur évolution, dans une perspective décisionnelle. Nous concevons un outil alliant simplicité d'utilisation et précision d'analyse se basant sur deux types de visualisations complémentaires : statique et dynamique. <br />L'aspect statique de notre modèle de visualisation repose sur un espace de représentation, dans lequel les préceptes de la théorie des graphes sont appliqués. Le recours à des sémiologies spécifiques telles que le choix de formes de représentation, de granularité, de couleurs significatives permet une visualisation plus juste et plus précise de l'ensemble des données. L'utilisateur étant au cœur de nos préoccupations, notre contribution repose sur l'apport de fonctionnalités spécifiques, qui favorisent l'identification et l'analyse détaillée de structures de graphes. Nous proposons des algorithmes qui permettent de cibler le rôle des données au sein de la structure, d'analyser leur voisinage, tels que le filtrage, le k-core, la transitivité, de retourner aux documents sources, de partitionner le graphe ou de se focaliser sur ses spécificités structurelles.<br />Une caractéristique majeure des données stratégiques est leur forte évolutivité. Or l'analyse statistique ne permet pas toujours d'étudier cette composante, d'anticiper les risques encourus, d'identifier l'origine d'une tendance, d'observer les acteurs ou termes ayant un rôle décisif au cœur de structures évolutives.<br />Le point majeur de notre contribution pour les graphes dynamiques représentant des données à la fois relationnelles et temporelles, est le morphing de graphe. L'objectif est de faire ressortir les tendances significatives en se basant sur la représentation, dans un premier temps, d'un graphe global toutes périodes confondues puis en réalisant une animation entre les visualisations successives des graphes attachés à chaque période. Ce procédé permet d'identifier des structures ou des événements, de les situer temporellement et d'en faire une lecture prédictive.<br />Ainsi notre contribution permet la représentation des informations, et plus particulièrement l'identification, l'analyse et la restitution des structures stratégiques sous jacentes qui relient entre eux et à des moments donnés les acteurs d'un domaine, les mots-clés et concepts qu'ils utilisent.

Engineers have long been inspired by nature's flyers. Such animals navigate complex environments gracefully and efficiently by using a variety of evolutionary adaptations for high-performance flight. Biologists have discovered a variety of sensory adaptations that provide flow state feedback and allow flying animals to feel their way through flight. A specialized skeletal wing structure and plethora of robust, adaptable sensory systems together allow nature's flyers to adapt to myriad flight conditions and regimes. In this work, motivated by biology and the successes of bio-inspired, engineered aerial vehicles, linear quadratic control of a flexible, morphing wing design is investigated, helping to pave the way for truly autonomous, mission-adaptive craft. The proposed control algorithm is demonstrated to morph a wing into desired positions. Furthermore, motivated specifically by the sensory adaptations organisms possess, this work transitions to an investigation of aircraft wing load identification using structural response as measured by distributed sensors. A novel, recursive estimation algorithm is utilized to recursively solve the inverse problem of load identification, providing both wing structural and aerodynamic states for use in a feedback control, mission-adaptive framework. The recursive load identification algorithm is demonstrated to provide accurate load estimate in both simulation and experiment. / Graduation date: 2012

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur parametrischen Finite Elemente Simulation von Mikrosystemen und zum Export dieser Modelle in Elektronik- und Systemsimulationswerkzeuge vorgestellt. Parametrische FE-Modelle beschreiben den Einfluss von geometrischen Abmessungen, Schwankungen von Materialeigenschaften und veränderten Umgebungsbedingungen auf das Funktionsverhalten von Sensoren und Aktuatoren. Parametrische FE-Modelle werden für die Auswahl geeigneter Formelemente und deren Dimensionierung während des Entwurfsprozesses in der Mikrosystemtechnik benötigt. Weiterhin ermöglichen parametrische Modelle Sensitivitätsanalysen zur Bewertung des Einflusses von Toleranzen und Prozessschwankungen auf die Qualität von Fertigungsprozessen. In Gegensatz zu üblichen Sample- und Fitverfahren wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, welche die Taylorkoeffizienten höherer Ordnung zur Beschreibung des Einflusses von Designparametern direkt aus der Finite-Elemente- Formulierung, durch Ableitungen der Systemmatrizen, ermittelt. Durch Ordnungsreduktionsverfahren werden die parametrischen FE-Modelle in verschiedene Beschreibungssprachen für einen nachfolgenden Elektronik- und Schaltungsentwurf überführt. Dadurch wird es möglich, neben dem Sensor- und Aktuatorentwurf auch das Zusammenwirken von Mikrosystemen mit elektronischen Schaltungen in einer einheitlichen Simulationsumgebung zu analysieren und zu optimieren. / The thesis deals with advanced parametric modeling technologies based on differentiation of the finite element equations which account for parameter variations in a single FE run. The key idea of the new approach is to compute not only the governing system matrices of the FE problem but also high order partial derivatives with regard to design parameters by means of automatic differentiation. As result, Taylor vectors of the system’s response can be expanded in the vicinity of the initial position capturing dimensions and physical parameter. A novel approaches for the parametric MEMS simulation have been investigated for mechanical, electrostatic and fluidic domains in order to improve the computational efficiency. Objective of reduced order modeling is to construct a simplified model which approximates the original system with reasonable accuracy for system level design of MEMS. The modal superposition technique is most suitable for system with flexible mechanical components because the deformation state of any flexible system can be accurately described by a linear combination of its lowest eigenvectors. The developed simulation approach using parametric FE analyses to extract basis functions have been applied for parametric reduced order modeling. The successful implementation of a derivatives based technique for parameterization of macromodel by the example of microbeam and for exporting this macromodel into MATLAB/Similink to simulate dynamical behavior has been reported.

The aim of this work is to explore the joining of inspiration, such as different garments and materials, in relation to commonly used methods in the fashion industry when it comes to joining of different trends and references such as clashing and collaging. The work proposes a new method and framework for join- ing inspiration which generates different results depending on what kind of inspiration that is put in to it. A garment can roughly be broken down to a silhouette and shape, materials and details. The material put in to the method and framework is based on information from trend seminars for SS16, because that is how many of today’s trend-oriented fashion brands get there inspiration. Trendy garment silhouettes are mixed through processes of computational morphing in Adobe Flash by a generation of spin in the mixing process were shape hints are used in a new manner. The new generated silhouettes are further developed and materialized through procedures of interpretation and figuration. Different trendy materials are melded in a direct and concrete way through mixed media techniques such as laminating, fusing and vacuum-techniques. The final steps of the method is a garment shape and material synthesis with starting point in the generated shape with the final material. The projects intention is to let the physical experimentation, interpretation and figuration play a central role in the research process for new types of methods, garments, materials and expressive pos- sibilities.