La rétinopathie diabétique est la cause principale de cécité dans la population en âge de travailler. Une détection précoce et un traitement adapté permettent de réduire considérablement le risque de perte de vue. Les autorités médicales recommandent un examen annuel pour les patients diabétiques. Plusieurs programmes de dépistage de la rétinopathie diabétique ont été déployés pour appliquer cette recommandation. L'objectif du projet TeleOphta était de détecter automatiquement des examens normaux dans un système de dépistage du diabète, afin de réduire le fardeau des lecteurs, et donc servir plus de patients. Cette thèse propose plusieurs méthodes pour extraire des informations liées à des lésions provoquées par la rétinopathie diabétique dans des images en couleurs du fond d'œil.La détection des exsudats, microanévrismes et hémorragies est discutée en détail. L'un des principaux défis de ce travail est de traiter des images cliniques, acquises avec différents types de caméras de fond d'œil, par des personnes différentes. Par conséquent, l'hétérogénéité de la base de données est élevé. Des nouvelles méthodes de pré-traitement, qui effectuent non seulement des tâches de normalisation et de débruitage, mais aussi de détection de réflexions et d'artefacts optiques, sont proposées. Des méthodes de segmentation des candidats basées sur la morphologie mathématique, et de nouveaux descripteurs de texture et de contexte sont proposées pour la caractérisation des lésions. Un algorithme de forêts aléatoires est utilisé pour choisir les lésions parmi les candidats. Les méthodes proposées utilisent largement des nouvelles méthodes d'analyse des résidus.En outre, trois nouvelles bases de données publiques d'images de la rétine, e-ophtha EX, e-ophtha MA et e-ophtha HM, respectivement conçues pour développer et évaluer les méthodes de détection d' exsudats,de microanévrismes et d'hémorragies, sont proposées dans ce travail. Les images ont été extraites du réseau de télémédecine OPHDIAT pour le dépistage de la rétinopathie diabétique. Des annotations manuelles détaillées des lésions sont fournies avec ces bases de données. Les algorithmes proposés sont évalués sur ces bases.Les méthodes proposées ont été intégrées dans le système TeleOphta , qui est présentée et évaluée sur deux grandes bases de données. Chaque dossier du patient est classé en deux catégories: “Pour avis” ou “Normal". La classification est basée non seulement sur les résultats des méthodes présentées, mais aussi sur les signatures d'image fournies par d'autres partenaires, ainsi que sur l'information médicale du patient, et les données liées à l'acquisition. L'évaluation montre que le système TeleOphta permet de traiter deux fois plus de patients dans un réseau de dépistage, à moyens constants. / Diabetic retinopathy is the main cause of blindness among the middle-aged population. An early detection and adapted treatment considerably reduce the risk of sight loss. Medical authorities recommend an annual examination to diabetic patients. Several diabetic retinopathy screening programs have been deployed to enforce this recommendation. The aim of the TeleOphta project was to automatically detect normal examinations in a diabetic screening system, in order to reduce the burden on readers, and therefore serve more patients. This thesis proposes several methods to extract information linked to diabetic retinopathy lesions from color eye fundus images.The detection of exudates, microaneurysms and hemorrhages is discussed in detail. One of the main challenges of this work is to deal with clinical images, acquired by different types of eye fundus cameras, by different persons. Therefore the data base heterogeneity is high. New pre-processing methods, which perform not only normalization and denoising tasks, but also detect reflections and artifacts in the images, are proposed. Novel candidate segmentation methods based on mathematical morphology, and new textural and contextual features for lesion characterization, are proposed. A random forest algorithm is used to detect lesions among the candidates. The proposed methods make extensive use of new residue analysis methods.Moreover, three new publicly available retinal image databases, e-ophtha EX, e-ophtha MA and e-ophtha HM, respectively designed to develop and evaluate exudate, microaneurysms and hemorrhages detections methods, are proposed in this work. The images are extracted from the OPHDIAT telemedicine network for diabetic retinopathy screening. Manual annotations of the lesions are given in detail in these databases. The proposed algorithms are evaluated on these databases.The proposed methods have been integrated within the TeleOphta system, which is presented and evaluated on two large databases. Each patient record is classified into two categories: “To be referred” or “Normal”. The classification is based not only on the results of the presented methods, but also on image signatures provided by other partners, as well as on medical and acquisition-related information. The evaluation shows that the TeleOphta system can make about 2 times more patients benefit from the diagnosis service.

Les régions sèches situées à la périphérie des déserts sont généralement peuplées et mises en valeur sur un mode sédentaire. Elles partagent cependant avec les milieux désertiques des conditions environnementales qui les rendent sensibles et fragiles. Cela implique de bien connaître les mécanismes de leurs milieux, a fortiori dans un contexte de désertification qui augmente le risque environnemental. Celui-ci est souvent évalué par le suivi de la végétation, mais l’expérience de terrain montre que les formes éoliennes pourraient apporter des compléments utiles. La morphodynamique éolienne joue en effet un rôle non négligeable dans le risque environnemental en régions sèches. Si, dans les systèmes désertiques, l’influence des activités humaines sur l’évolution des formes éoliennes de grande taille est réduite, dans les régions sèches non-désertiques, elles sont de plus petite dimension et leur vitesse de réaction aux changements des conditions du milieu est élevée. Elles sont de surcroît liées aux autres composants du paysage, avec lesquels elles interagissent fortement, et leur fonctionnement peut être corrélé aux modalités d’exploitation du milieu. Cela en fait des indicateurs pertinents et leur suivi doit donc être conçu dans une approche systémique appuyée sur une bonne maîtrise des fondements physiques de l’étude de la morphodynamique éolienne qui sont présentés en ouverture de ce mémoire. Différents outils et concepts élaborés dans les contextes désertiques, parmi lesquels les déplacements potentiels sableux et la densité d’obstacle, sont détaillés. Les effets paysagers de la morphodynamique éolienne sont illustrés par divers exemples. Son intégration dans les études de suivi est alors questionnée pour démontrer que de nouvelles approches peuvent être explorées. Les propositions faites s’intéressent en particulier à un objet, la forme éolienne d’obstacle, qui reste mal connu malgré la place qu’il tient dans les paysages des régions sèches. Une grille de caractérisation fine de cet objet est définie, à partir de laquelle un protocole de quantification et d’évaluation qualitative nécessaire à la production d’indicateurs peut être élaboré. Pour cela, les méthodes développées doivent être reproductibles et minimiser la complexité et les coûts de mise en oeuvre. Dans le domaine de la télédétection, la facilité d’utilisation et la précision des images du Pixy, paramoteur léger à voile souple, démontrent le potentiel des vecteurs de type drone. L’intérêt des satellites à très haute résolution spatiale pour, notamment, la généralisation d’études ciblées est également démontré. Les images produites correspondent notamment à une échelle intermédiaire qui faisait jusqu’alors défaut. Parmi les fournisseurs d’images très haute résolution spatiale, Google Earth est une alternative possible des fournisseurs commerciaux. La disponibilité de plus en plus grande d’images de résolution très élevée offre des perspectives d’applications dans des domaines variés. Leur exploitation présente cependant des contraintes que la Morphologie Mathématique (MM), discipline de l’analyse d’image orientée-objet, permet de contourner. Les outils de la MM facilitent l’analyse façon robuste des images non corrigées, du type Pixy ou Google Earth. Elle s’appuie sur des procédures simples à reproduire, dont les résultats s’expliquent facilement. Elle participe ainsi à réduire le coût des études. Or, la question économique du diagnostic environnemental ne peut être évacuée, en particulier dans les pays concernés par la lutte contre la désertification. Chaque chapitre de ce mémoire démontre l’importance de la prise en considération de deux seuils : d’une part, le seuil d’hétérogénéité, en-deçà duquel l’information recherchée est noyée dans le bruit d’un trop grand détail, d’autre part, le seuil d’homogénéité, au-delà duquel la maille d’analyse fait que l’information est trop lissée pour être pertinente.... / Drylands share with deserts many environmental conditions that make them sensitive and fragile. It is a necessity to understand the mechanisms of these environments, especially in contexts where there is a risk of desertification. Such an understanding is often assessed by monitoring vegetation. Field experience, however, shows that aeolian morphodynamics may provide useful additional information. The aeolian morphodynamics plays indeed a significant role in the environmental risk of drylands. In desert systems, the anthropogenic pressure on aeolian processes is low. On the other hand, in non-desert drylands, features are smaller but have a faster reaction time to environmental change. They interact strongly with other components of the landscape, such as human activities. Accordingly, the study of non-desertic aeolian morphodynamics has to be designed following a systematic approach. It relies on a good knowledge of fundamental physics of wind geomorphology that is described in this dissertation. Various tools and concepts developed in desert environments, including potential displacement and roughness density, are given. The effects of aeolian morphodynamics on landscapes are illustrated by various examples. Standard studies of wind dynamics are discussed and questioned to demonstrate that new approaches can be explored. This study focuses anchored dunes, which remain poorly studied despite their importance in drylands. Anchored dunes are described and characterized in detail. Then a protocole of quantification and qualitative evaluation can be elaborated.Our aim was to develop methods that are reproducible and minimize the complexity and costs of implementation. The unmanned platform, Pixy, illustrates the potential of drones which provide accurate images with a great flexibility of use. The interest of very high spatial resolution imagery provided by satellites such as QuickBird is also demonstrated. Their images introduce to an intermediate scale between field and large-scale satellite imagery. Among the providers of very high spatial resolution imagery, Google Earth (GE) appears to be a good alternative to commercial suppliers. Increasing availability of free high resolution images offers potential applications in various fields. However, their use has constraints that are managed by Mathematical Morphology (MM), an object-oriented image analysis discipline. Tools from MM allow the analysis of uncorrected images, like those of Pixy or GE. It relies on simple procedures easy to reproduce and explain. It thus contributes to reducing the cost of studies. This economic issue of environmental diagnosis cannot be ignored, especially in the countries concerned by the fight against desertification.Each chapter of this thesis demonstrates the importance of two thresholds through particular example. The threshold of heterogeneity, below which information is embedded in the background noise produced by too much detail, is the first one. The threshold of homogeneity, beyond which information is too smooth to be relevant, is the second one. This work attempts to show how these thresholds may have direct effects on results of a remote sensing study. This consideration is thus a structuring element of the methods used. Beyond the issue of aeolian morphodynamics, this thesis combines semi-automatic characterization methods of landscape elements with processes of multi-scalar integration. The results are potentially useful to any approach that seeks to understand the effects of a phenomenon at different scales.

Les plus grandes villes au monde disposent de plans 2D très détaillés des rues et des espaces publics. Ces plans contiennent des informations relatives aux routes, trottoirs, façades et objets urbains tels que, entre autres, les lampadaires, les panneaux de signalisation, les poteaux, et les arbres.De nos jours, certaines autorités locales, agences nationales de cartographie et sociétés privées commencent à adjoindre à leurs cartes de villes des informations en 3D, des choix de navigation et d'accessibilité.En comparaison des premiers systèmes de scanning en 3D d'il y a 30 ans, les scanners laser actuels sont moins chers, plus rapides et fournissent des nuages de points 3D plus précis et plus denses.L'analyse de ces données est difficile et laborieuse, et les méthodes semi-automatiques actuelles risquent de ne pas être suffisamment précises ni robustes. C'est en ce sens que des méthodes automatiques pour l'analyse urbaine sémantique en 3D sont nécessaires.Cette thèse constitue une contribution au domaine de l'analyse sémantique de nuages de points en 3D dans le cadre d'un environnement urbain.Nos méthodes sont basées sur les images d'élévation et elles illustrent l'efficacité de la morphologie mathématique pour développer une chaîne complète de traitement en 3D, incluant 6 étapes principales:i)~filtrage et pré-traitement;ii)~segmentation du sol et analyse d'accessibilité;iii)~segmentation des façades;iv)~détection d'objets;v)~segmentation d'objets;vi)~classification d'objets.De plus, nous avons travaillé sur l'intégration de nos résultats dans une chaîne de production à grande échelle.Ainsi, ceux-ci ont été incorporés en tant que ``shapefiles'' aux Systèmes d'Information Géographique et exportés en tant que nuages de points 3D pour la visualisation et la modélisation.Nos méthodes ont été testées d'un point de vue qualitatif et quantitatif sur plusieurs bases de données issues de l'état de l'art et du projet TerraMobilita.Nos résultats ont montré que nos méthodes s'avèrent précises, rapides et surpassent les travaux décrits par la littérature sur ces mêmes bases.Dans la conclusion, nous abordons également les perspectives de développement futur. / Most important cities in the world have very detailed 2D urban plans of streets and public spaces.These plans contain information about roads, sidewalks, facades and urban objects such as lampposts, traffic signs, bollards, trees, among others.Nowadays, several local authorities, national mapping agencies and private companies have began to consider justifiable including 3D information, navigation options and accessibility issues into urban maps.Compared to the first 3D scanning systems 30 years ago, current laser scanners are cheaper, faster and provide more accurate and denser 3D point clouds.Urban analysis from these data is difficult and tedious, and existing semi-automatic methods may not be sufficiently precise nor robust.In that sense, automatic methods for 3D urban semantic analysis are required.This thesis contributes to the field of semantic analysis of 3D point clouds from urban environments.Our methods are based on elevation images and illustrate how mathematical morphology can be exploited to develop a complete 3D processing chain including six main steps:i)~filtering and preprocessing;ii)~ground segmentation and accessibility analysis;iii)~facade segmentation,iv)~object detection;v)~object segmentation;and, vi)~object classification.Additionally, we have worked on the integration of our results into a large-scale production chain. In that sense, our results have been exported as 3D point clouds for visualization and modeling purposes and integrated as shapefiles into Geographical Information Systems (GIS).Our methods have been qualitative and quantitative tested in several databases from the state of the art and from TerraMobilita project.Our results show that our methods are accurate, fast and outperform other works reported in the literature on the same databases.Conclusions and perspectives for future work are discussed as well.

Le traitement d'images numériques a suivi l'évolution de l'électronique et de l'informatique. Il est maintenant courant de manipuler des images à valeur non pas dans {0,1}, mais dans des variétés ou des distributions de probabilités. C'est le cas par exemple des images couleurs où de l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI). Chaque type d'image possède ses propres structures algébriques, topologiques et géométriques. Ainsi, les techniques existantes de traitement d'image doivent être adaptés lorsqu'elles sont appliquées à de nouvelles modalités d'imagerie. Lorsque l'on manipule de nouveaux types d'espaces de valeurs, les précédents opérateurs peuvent rarement être utilisés tel quel. Même si les notions sous-jacentes ont encore un sens, un travail doit être mené afin de les exprimer dans le nouveau contexte. Cette thèse est composée de deux parties indépendantes. La première, « Morphologie mathématiques pour les images non standards », concerne l'extension de la morphologie mathématique à des cas particuliers où l'espace des valeurs de l'image ne possède pas de structure d'ordre canonique. Le chapitre 2 formalise et démontre le problème de l'irrégularité des ordres totaux dans les espaces métriques. Le résultat principal de ce chapitre montre qu'étant donné un ordre total dans un espace vectoriel multidimensionnel, il existe toujours des images à valeur dans cet espace tel que les dilatations et les érosions morphologiques soient irrégulières et incohérentes. Le chapitre 3 est une tentative d'extension de la morphologie mathématique aux images à valeur dans un ensemble de labels non ordonnés.La deuxième partie de la thèse, « Estimation de densités de probabilités dans les espaces de Riemann » concerne l'adaptation des techniques classiques d'estimation de densités non paramétriques à certaines variétés Riemanniennes. Le chapitre 5 est un travail sur les histogrammes d'images couleurs dans le cadre de métriques perceptuelles. L'idée principale de ce chapitre consiste à calculer les histogrammes suivant une approximation euclidienne local de la métrique perceptuelle, et non une approximation globale comme dans les espaces perceptuels standards. Le chapitre 6 est une étude sur l'estimation de densité lorsque les données sont des lois Gaussiennes. Différentes techniques y sont analysées. Le résultat principal est l'expression de noyaux pour la métrique de Wasserstein. / Digital image processing has followed the evolution of electronic and computer science. It is now current to deal with images valued not in {0,1} or in gray-scale, but in manifolds or probability distributions. This is for instance the case for color images or in diffusion tensor imaging (DTI). Each kind of images has its own algebraic, topological and geometric properties. Thus, existing image processing techniques have to be adapted when applied to new imaging modalities. When dealing with new kind of value spaces, former operators can rarely be used as they are. Even if the underlying notion has still a meaning, a work must be carried out in order to express it in the new context.The thesis is composed of two independent parts. The first one, "Mathematical morphology on non-standard images", concerns the extension of mathematical morphology to specific cases where the value space of the image does not have a canonical order structure. Chapter 2 formalizes and demonstrates the irregularity issue of total orders in metric spaces. The main results states that for any total order in a multidimensional vector space, there are images for which the morphological dilations and erosions are irregular and inconsistent. Chapter 3 is an attempt to generalize morphology to images valued in a set of unordered labels.The second part "Probability density estimation on Riemannian spaces" concerns the adaptation of standard density estimation techniques to specific Riemannian manifolds. Chapter 5 is a work on color image histograms under perceptual metrics. The main idea of this chapter consists in computing histograms using local Euclidean approximations of the perceptual metric, and not a global Euclidean approximation as in standard perceptual color spaces. Chapter 6 addresses the problem of non parametric density estimation when data lay in spaces of Gaussian laws. Different techniques are studied, an expression of kernels is provided for the Wasserstein metric.

Dans cette thèse, nous présentons de nouvelles méthodes de traitement d’images pourextraire ou rehausser les éléments fins d’une image. Pour ces opérateurs, issus de la morphologie mathématique,l’accent a été mis principalement sur la précision de détection et sur le temps de calcul,qui doivent être optimisés pour pouvoir répondre aux contraintes de temps imposées par différentesapplications industrielles. La première partie de ce mémoire présente ces méthodes, organisées enfonction de la tortuosité des objets à détecter. Nous commençons par proposer un algorithme rapidepour le calcul des ouvertures 1-D afin d’extraire des structures rectilignes des images. Puis, nous étudionsune nouvelle classe d’opérateurs rapides avec les ouvertures parcimonieuses par chemins, permettantd’analyser des structures ayant une tortuosité modérée. Enfin, nous proposons de nouveauxéléments structurants adaptatifs et des filtres connexes construits avec des attributs géodésiques etgéométriques pour extraire des structures filiformes ayant une tortuosité quelconque.Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse statistique en introduisantune nouvelle pénalisation adaptative. L’objectif consiste à créer un modèle prédictif précis, quiminimise en même temps une fonction de coût, indépendante des données. Lorsque cette fonctionde coût est liée au temps de calcul de chaque descripteur, il est alors possible de créer un modèleparcimonieux précis et qui minimise les temps de calcul. Cette méthode est une généralisation desrégressions linéaires et logistiques Ridge, Forward stagewise, Lar, ou Lasso.Les algorithmes développés dans cette thèse ont été utilisés pour trois applications industrielles,très différentes les unes des autres, mais toutes faisant intervenir une approche multidisciplinaire : letraitement d’images et l’analyse statistique. L’association de ces deux disciplines permet d’améliorerla généricité des stratégies proposées puisque les opérateurs de traitement d’images alliés à un apprentissagesupervisé ou non supervisé, permettent d’adapter le traitement à chaque application.Mots clés : Traitement d’images, morphologie mathématique, analyse statistique, caractérisation deformes, contrôles non destructifs, ouvertures parcimonieuses par chemins, region growing structuringelements, amincissements par attributs géodésiques et topologiques, adaptive coefficient shrinkage. / This PhD is dedicated to new image processing methods to extract or enhance thinobjects from an image. These methods stem from mathematical morphology, and they mainly focuson the accuracy of the detection and on the computation time. This second constraint is imposed bythe fact that we are dealing with high-throughput applications. The first part of this thesis presentsthese methods, organized according to the tortuosity of the objects to detect. We first propose afast algorithm for the computation of 1-D openings, used to extract thin and straight structures in theimages. Then, we study a new class of fast operators, parsimonious path openings, which can extractthin structures with moderate tortuosities. Finally, we propose new adaptive structuring elementsand new thinnings with geodesic and geometric attributes to filter out the noise and to enhance thinstructures of any tortuosity.Besides, we have developed a machine learning method by introducing a new adaptive penalization.We aim at creating a predictive model that minimizes a cost function (independent of the data)while preserving a good accuracy. When this cost function is linked to the computation time of eachfeature, the resulting models will optimize the timings, while preserving a good accuracy. This methodis a generalization of linear and logistic regressions with Ridge, Forward stagewise, Lar or Lassopenalization.The algorithms developed in this thesis have been used for three industrial applications. While theirobjectives are very different, the framework is the same (non-destructive testing) and they all involvea multidisciplinary approach (images processing and statistical analysis). The combination of thesetwo fields yields a higher flexibility in comparison with classical methods. Generic strategies are used,since image processing operators are associated to statistical learning (supervised or unsupervised)to make a specific treatment for each application.Keywords: Image processing, mathematical morphology, statistical analysis, pattern recognition,non destructive testing, parsimonious path openings, region growing structuring elements, geodesicand topologic attributes thinnings, adaptive coefficient shrinkage.

Les images angiographiques sont utilisés pour différentes tâches comme le diagnostique, le suivie de pathologies et la planification d'interventions chirurgicales. Toutefois, en raison du faible ratio signal sur bruit et le contenu complexe des données (informations clairsemées), l'analyse des images angiographiques est une tâche fastidieuse et source d'erreurs. Ces différentes considérations ont motivé le développement de nombreuses techniques d'analyse.Les travaux de cette thèse s'organisent autour de deux axes de recherches : d'une part la segmentation des images angiographiques, et d'autre part la modélisation des réseaux vasculaires cérébraux. En segmentation, l'automatisation induit généralement un coût de calcul élevé, alors que les méthodes interactives sont difficiles à utiliser en raison de la dimension et de la complexité des images. Ces travaux présentent un compromis entre les deux approches, en utilisant le concept de segmentation à base d'exemple. Cette stratégie qui utilise les arbres de coupes de façon non standard,conduit à des résultats satisfaisant, lorsqu'elle est appliqué sur des données d'ARM cérébrales 3D. Les approches existantes, en modélisation, reposent exclusivement sur des informations relatives aux vaisseaux. Ces travaux ont exploré une nouvelle voie, consistant à utiliser à la fois les informations vasculaires et morphologiques ( c-à-d structures cérébrales) pour améliorer la précision et la pertinence des atlas obtenus. Les expériences soulignent des améliorations dans les principales étapes du processus de création de l'atlas impacté par l'utilisation de l'information morphologique. Un exemple d'atlas cérébraux a été réalisé. / Angiographie images are useful data for several tasks, e.g., diagnosis, pathology follow-up or surgery planning. However, due to low SNR (noise,artifacts), and complex semantic content (sparseness), angiographie image analysis is a time consurning and error prone task. These consideration have motivated the development of numerous vesse! filtering, segmentation, or modeling techinques.This thesis is organized around two research areas : the segmentation anù the moùeling. Segmentation of cerebral vascular networks from 3D angiographie data remains a challenge. Automation generally induces a high computational cost and possible errors, white interactive methods are hard to use due to the dimension and the complexity of images. This thesis presents a compromise between both approaches by using the concept of example-based segmentation. This strategy, which uses component-trees in a non-standard fashion, leads to promising results, when applied on cerebral MR angiographie data. The generation of cerebrovascular atlases remains a complex and infrequently considered issue. The existing approaches rely on information exclusively related to the vessels. This thesis investigate a new way, consisting of using both vascular and morphological information (i.e. Cerebral structures) to improve the accuracy and relevance of the obtaines vascular atlases. Experiments emphasize improvments in the main steps of the atlas generation process impacted by the use of the morphological information. An example of cerebrovascular atlas obtained from a dataset of MRAs acquired form different acquisition devices has been provided.

Cette thèse explore l’utilisation de représentations hiérarchiques des images issues de la morphologie mathématique, les arbres des coupes, pour la recherche et la classification d’images. Différents types de structures arborescentes sont analysés et une nouvelle classification en deux superclasses est proposée, ainsi qu’une contribution à l’indexation et à la représentation de ces structures par des dendogrammes. Deux contributions à la recherche d’images sont proposées, l’une sur la détection de régions d’intérêt et l’autre sur la description de ces régions. Les régions MSER peuvent être détectées par un algorithme s’appuyant sur une représentation des images par arbres min et max. L’utilisation d’autres structures arborescentes sous-jacentes permet de détecter des régions présentant des propriétés de stabilité différentes. Un nouveau détecteur, basé sur les arbres des formes, est proposé et évalué en recherche d’images. Pour la description des régions, le concept de spectres de formes 2D permettant de décrire globalement une image est étendu afin de proposer un descripteur local, au pouvoir discriminant plus puissant. Ce nouveau descripteur présente de bonnes propriétés à la fois de compacité et d’invariance à la rotation et à la translation. Une attention particulière a été portée à la préservation de l’invariance à l’échelle. Le descripteur est évalué à la fois en classification d’images et en recherche d’images satellitaires. Enfin, une technique de simplification des arbres de coupes est présentée, qui permet à l’utilisateur de réévaluer les mesures du niveau d’agrégation des régions imposé par les arbres des coupes. / This thesis explores component trees, hierarchical structures from Mathematical Morphology, and their application to image retrieval and related tasks. The distinct component trees are analyzed and a novel classification into two superclasses is proposed, as well as a contribution to indexing and representation of the hierarchies using dendrograms. The first contribution to the field of image retrieval is in developing a novel feature detector, built upon the well-established MSER detection. The tree-based implementation of the MSER detector allows for changing the underlying tree in order to produce features of different stability properties. This resulted in the Tree of Shapes based Maximally Stable Region detector, leading to improvements over MSER in retrieval performance. Focusing on feature description, we extend the concept of 2D pattern spectra and adapt their global variant to more powerful, local schemes. Computed on the components of Min/Max-tree, they are histograms holding the information on distribution of image region attributes. The rotation and translation invariance is preserved from the global descriptor, while special attention is given to achieving scale invariance. We report comparable results to SIFT in image classification, as well as outperforming Morphology-based descriptors in satellite image retrieval, with a descriptor shorter than SIFT. Finally, a preprocessing or simplification technique for component trees is also presented, allowing the user to reevaluate the measures of region level of aggregation imposed on a component tree. The thesis is concluded by outlining the future perspectives based on the content of the thesis.

L'un des problèmes les plus complexes dans l'analyse des images histologiques est l'évaluation de l¿organisation spatiale des structures histologiques dans le tissu. En fait, les sections histologiques peuvent contenir un très grand nombre de cellules de différents types et irrégulièrement réparties dans le tissu, ce qui rend leur contenu spatial indescriptible d'une manière simple. Les méthodes fondées sur la théorie des graphes ont été largement explorées dans cette direction, car elles sont des outils de représentation efficaces ayant la capacité expressive de décrire les caractéristiques spatiales et les relations de voisinage qui sont interprétées visuellement par le pathologiste. On peut distinguer trois familles principales de méthodes des graphes utilisées à cette fin: analyse de structure syntaxique, analyse de réseau et analyse spectrale. Cependant, un autre ensemble distinctif de méthodes basées sur la morphologie mathématique sur les graphes peut être développé et adapté pour ce problème. L'objectif principal de cette thèse est le développement d'un outil capable de fournir une évaluation quantitative des arrangements spatiaux des structures histologiques en utilisant la morphologie mathématique basée sur les graphes. / One of the most challenging problems in histological image analysis is the evaluation of the spatial organizations of histological structures in the tissue. In fact, histological sections may contain a very large number of cells of different types and irregularly distributed, which makes their spatial content indescribable in a simple manner. Graph-based methods have been widely explored in this direction, as they are effective representation tools having the expressive ability to describe spatial characteristics and neighborhood relationships that are visually interpreted by the pathologist. We can distinguish three main families of graph-based methods used for this purpose: syntactic structure analysis, network analysis and spectral analysis. However, another distinctive set of methods based on mathematical morphology on graphs can be additionally developed for this issue. The main goal of this dissertation is the development of a framework able to provide quantitative evaluation of the spatial arrangements of histological structures using graph-based mathematical morphology.

Résumé : La détection des bâtiments dans les images à très haute résolution spatiale (THRS) a plusieurs applications pratiques et représente un domaine de recherche scientifique intensive ces dernières années. Elle fait face à la complexité du milieu urbain et aux spécificités des images provenant des différents capteurs. La performance des méthodes existantes pour l’extraction des bâtiments n’est pas encore suffisante pour qu’elles soient généralisées à grande échelle (différents types de tissus urbains et capteurs). Les opérateurs morphologiques se sont montrés efficaces pour la détection des bâtiments dans les images panchromatiques (images en niveaux de gris) à très haute résolution spectrale (THRS). L’information spectrale issue des images multispectrales est jugée nécessaire pour l’amélioration de leur performance. L’extension des opérateurs morphologiques pour les images multispectrales exige l’adoption d’une stratégie qui permet le traitement des pixels sous forme de vecteurs, dont les composantes sont les valeurs dans les différentes bandes spectrales. Ce travail de recherche vise l’application de la transformation morphologique dite Hit-or-Miss (HMT) à des images multispectrales à THRS, afin de détecter des bâtiments. Pour répondre à la problématique de l’extension des opérateurs morphologiques pour les images multispectrales, nous proposons deux solutions. Comme une première solution nous avons généré des images en niveaux de gris à partir les bandes multispectrales. Dans ces nouvelles images les bâtiments potentiels sont rehaussés par rapport à l’arrière-plan. La HMT en niveaux de gris est alors appliquée à ces images afin de détecter les bâtiments. Pour rehausser les bâtiments nous avons proposé un nouvel indice, que nous avons appelé Spectral Similarity Ratio (SSR). Pour éviter de définir des configurations, des ensembles d’éléments structurants (ES), nécessaires pour l’application de la HMT, au préalable, nous avons utilisé l’érosion et la dilatation floues et poursuivi la réponse des pixels aux différentes valeurs des ES. La méthode est testée sur des extraits d’images représentant des quartiers de type résidentiel. Le taux moyen de reconnaissance obtenu pour les deux capteurs Ikonos et GeoEye est de 85 % et de 80 %, respectivement. Le taux moyen de bonne identification, quant à lui, est de 85 % et 84 % pour les images Ikonos et GeoEye, respectivement. Après certaines améliorations, la méthode a été appliquée sur des larges scènes Ikonos et WorldView-2, couvrant différents tissus urbains. Le taux moyen des bâtiments reconnus est de 82 %. Pour sa part, le taux de bonne identification est de 81 %. Dans la deuxième solution, nous adoptons une stratégie vectorielle pour appliquer la HMT directement sur les images multispectrales. La taille des ES de cette transformation morphologique est définie en utilisant la transformation dite chapeau haut-de-forme par reconstruction. Une étape de post-traitement inclut le filtrage de la végétation par l’indice de la végétation NDVI et la validation de la localisation des bâtiments par l’information d’ombre. La méthode est appliquée sur un espace urbain de type résidentiel. Des extraits d’images provenant des capteurs satellitaires Ikonos, GeoEye et WorldView 2 ont été traités. Le taux des bâtiments reconnus est relativement élevé pour tous les extraits - entre 85 % et 97 %. Le taux de bonne identification démontre des résultats entre 74 % et 88 %. Les résultats obtenus nous permettent de conclure que les objectifs de ce travail de recherche, à savoir, la proposition d’une technique pour l’estimation de la similarité spectrale entre les pixels formant le toit d’un bâtiment, l’intégration de l’information multispectrale dans la HMT dans le but de détecter les bâtiments, et la proposition d’une technique qui permet la définition semi-automatique des configurations bâtiment/voisinage dans les images multispectrales, ont été atteints. // Abstract : Detection of buildings in very high spatial resolution images (THRS) has various practical applications and is recently a subject of intensive scientific research. It faces the complexity of the urban environment and the variety of image characteristics depending on the type of the sensor. The performance of existing building extraction methods is not yet sufficient to be generalized to a large scale (different urban patterns and sensors). Morphological operators have been proven effective for the detection of buildings in panchromatic (greyscale) very high spectral resolution (VHSR) images. The spectral information of multispectral images is jugged efficient to improve the results of the detection. The extension of morphological operators to multispectral images is not straightforward. As pixels of multispectral images are pixels vectors the components of which are the intensity values in the different bands, a strategy to order vectors must be adopted. This research thesis focuses on the application of the morphological transformation called Hit-or-Miss (HMT) on multispectral VHSR images in order to detect buildings. To address the issue of the extension of morphological operators to multispectral images we have proposed two solutions. The first one employs generation of greyscale images from multispectral bands, where potential buildings are enhanced. The grayscale HMT is then applied to these images in order to detect buildings. To enhance potential building locations we have proposed the use of Spectral Similarity Ratio (SSR). To avoid the need to set multiple configurations of structuring elements (SE) necessary for the implementation of the HMT, we have used fuzzy erosion and fuzzy dilation and examined the pixel response to different values of SE. The method has been tested on image subsets taken over residential areas. The average rate of recognition for the two sensors, Ikonos and GeoEye, is 85% and 80%, respectively. The average rate of correct identification is 85% and 84%, for Ikonos and GeoEye subsets, respectively. Having made some improvements, we then applied the method to large scenes from Ikonos and WorldView-2 images covering different urban patterns. The average rate of recognized buildings is 82%. The rate of correct identification is 81%. As a second solution, we have proposed a new vector based strategy which allows the multispectral information to be integrated into the percent occupancy HMT (POHMT). Thus, the POHMT has been directly applied on multispectral images. The parameters for the POHMT have been defined using the morphological transformation dubbed top hat by reconstruction. A post-processing step included filtering the vegetation and validating building locations by proximity to shadow. The method has been applied to urban residential areas. Image subsets from Ikonos, GeoEye and WorldView2 have been processed. The rate of recognized buildings is relatively high for all subsets - between 85% and 97%. The rate of correct identification is between 74 % and 88 %. The results allow us to conclude that the objectives of this research, namely, suggesting a technique for estimating the spectral similarity between the pixels forming the roof of a building, the integration of multispectral information in the HMT in order to detect buildings and the proposition of a semiautomatic technique for the definition of the configurations building/neighbourhood in multispectral images, have been achieved.

Cette thèse propose une méthode de caractérisation morphologique multibande des galaxies. Ces dernières ont commencé à évoluer et à interagir très tôt dans l'histoire de l'Univers: leurs formes dans les différentes parties du spectre électromagnétique représentent donc un traceur important de cette histoire. Ce travail propose une organisation hiérarchique de modèles, allant de la description des structures dominantes (bulbe et disque) aux composantes les plus fines (bras spiraux, anneaux, ...). Elle permet d'aboutir à une description des galaxies de haut niveau sémantique, chaque modèle réalisant une décomposition multibande de l'image en composantes astrophysiques interprétables par les astronomes. Les modélisations proposées innovent par l'intégration d'un filtre adaptatif appliqué sur les observations, dont les paramètres sont estimés conjointement avec ceux des composantes de la galaxie. L'estimation des paramètres des modèles est effectuée dans un contexte bayésien et résolue à l'aide d'algorithmes d'optimisation stochastique (algorithmes de Monte Carlo par chaines de Markov). La rapidité des algorithmes est améliorée grâce à des techniques d'échelles et de directions adaptatives, ainsi qu'à une version multi-températures du recuit simulé. En outre, les développements concernant la théorie des arbres de composantes connexes permettent la mise au point d'algorithmes non paramétriques multibandes, efficaces et robustes pour la réalisation des pré-traitements nécessaires à la mise en oeuvre de la décomposition en structures. Cela a notamment abouti à des avancées dans la théorie des hyperconnexions et des représentations sous forme d'arbres de composantes hyperconnexes. Les performances des méthodes proposées ont été évaluées sur un ensemble conséquent d'environ 1 500 galaxies et discutées avec les astronomes: elles montrent clairement la pertinence et la robustesse de la méthode. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles classifications prenant en compte la signature multibande des galaxies spatialement résolues.