Un bras de chargement de gaz est une structure articulée dans laquelle du méthane peut s’écouler à température cryogénique. En haute mer, ces bras sont installés sur le pont de navires-usines et se connectent à des méthaniers pour leur transférer du gaz. En raison de problèmes de sécurité et de performances, il est souhaité que le bras de chargement soit robotisé pour qu’il se connecte automatiquement. Cette thèse a pour objectif l‘automatisation de la connexion. Cette opération nécessite un pilotage de grande précision vis à vie de la taille du bras. Pour cette raison le bras est d’abord étalonné pour augmenter sa précision statique. Ensuite, des analyses modales expérimentales mettent en évidence l’importante souplesse de la structure des bras de chargement. Pour cette raison un générateur de trajectoires « douces », à jerk limité, est développé afin de piloter le bras sans le faire vibrer. Enfin, un système de compensation actif visant à compenser les mouvements relatifs des deux navires est mis en place. Cette compensation combine la génération de trajectoires douces avec une composante prédictive basée sur des réseaux de neurones. Cette dernière permet de prédire et d’anticiper les mouvements des navires sur l’océan, afin d’annuler tout retard dans la compensation. Finalement, cette thèse présente la première connexion automatique d’un bras de chargement, et démontre la validité de cette approche. / Marine loading arms are articulated structures that transfer liquefied gas between two vessels. The flanging operation of the loading arm to the receiving tanker is very sensitive. This thesis aims to robotize a loading arm so it can flange automatically. The required accuracy for the connection is very high. A calibration procedure is thus proposed to increase the accuracy of loading arms. Moreover a jerk-limited trajectory generator is developed to smoothly drive the arm without inducing oscillation. This element is important because the structures of loading arms have a very low stiffness and easily oscillate, as highlighted by modal analyses.A predictive active compensation algorithm is developed to track without delay the relative motion between the two vessels. This algorithm relies on an artificial neural network able to predict the evolution of this relative motion. Finally this thesis presents the first automatic connection of an offshore loading arm. The success of the final tests validate the feasibility the automatic connection and the validity of this approach.

A time-domain backprojection processor for airborne synthetic aperture radar (SAR) has been developed at the University of Massachusetts’ Microwave Remote Sensing Lab (MIRSL). The aim of this work is to produce a SAR processor capable of addressing the motion compensation issues faced by frequency-domain processing algorithms, in order to create well focused SAR imagery suitable for interferometry. The time-domain backprojection algorithm inherently compensates for non-linear platform motion, dependent on the availability of accurate measurements of the motion. The implementation must manage the relatively high computational burden of the backprojection algorithm, which is done using modern graphics processing units (GPUs), programmed with NVIDIA’s CUDA language. An implementation of the Non-Equispaced Fast Fourier Transform (NERFFT) is used to enable efficient and accurate range interpolation as a critical step of the processing. The phase of time- domain processed imagery is dif erent than that of frequency-domain imagery, leading to a potentially different approach to interferometry. This general purpose SAR processor is designed to work with a novel, dual-frequency S- and Ka-band radar system developed at MIRSL as well as the UAVSAR instrument developed by NASA’s Jet Propulsion Laboratory. These instruments represent a wide range of SAR system parameters, ensuring the ability of the processor to work with most any airborne SAR. Results are presented from these two systems, showing good performance of the processor itself.

This thesis deals with digital image stabilization. It contains a brief overview of the problem and available methods for digital image stabilization. The aim was to design and implement image stabilization system in JAVA, which is designed for RapidMiner. Two new stabilization methods have been proposed. The first is based on the motion estimation and motion compensation using Full-search and Three-step search algorithms. The basis of the second method is the detection of object boundaries. The functionality of the proposed method was tested on video sequences with contain visible shake of the scene, which has beed created for this purpose. Testing results show that with the proper set of input parameters for the object border detection method, successful stabilization of the scene is achieved. The rate of error reduction between images is approximately about 65 to 85%. The output of the method is stabilized image sequence and a set of metadata collected during stabilization, which can be further processed in an environment of RapidMiner.

This thesis treats static and dynamic surface characterization using radiometric and Fourier optical methods. A Fourier optical method has been developed for real time image processing in paper production and printing applications. It has been shown that the method can be used to measure crepe frequency, an important parameter in tissue paper production, as well as to monitor the wire mark pattern at paper web velocities of up to 20 m/s. The wire mark pattern has been used to measure dimensional variations across a paper web. These are important for the mechanical properties of paper. Imaging of the moving surfaces onto a spatial light modulator, necessary for Fourier optical analysis of opaque objects, constitutes a motion blur problem. This problem has been solved by means of optical motion compensation using a rotating mirror. A rotating mirror system has also been developed for the inspection of small particles fixed to a rotating sample disc. The optical motion compensation configurations have made exposure times of more than two orders of magnitude longer than the exposure time without compensation possible. A light scattering model for opaque objects, for example coated paper, has also been developed and verified, with a coefficient of determination between theory and measurement ranging from r2=0.84 to r2=0.98, on various paper samples. The light scattering model has been used in the development of an instrument based on the photometric stereo principle. In this instrument the reflectance (or color) and topography of opaque samples are determined from two or more images of the sample illuminated from different directions. The method has been successfully used for studies of the relation between topography and print results in gravure and flexographic printing. Comparisons of surface height profiles measured with the photometric stereo method and profiles obtained with mechanical and optical scanning stylus instruments have shown coefficients of determination of up to r2=0.97. The main advantages of the method are the high speed, the scalability and the ability to obtain reflectance and surface height maps of a surface simultaneously.

Positron emission tomography (PET) is a well-established functional imaging method used in nuclear medicine. It allows for retrieving information about biochemical and physiological processes in vivo. The currently possible spatial resolution of PET is about 5 mm for brain acquisitions and about 8 mm for whole-body acquisitions, while recent improvements in image reconstruction point to a resolution of 2 mm in the near future. Typical acquisition times range from minutes to hours due to the low signal-to-noise ratio of the measuring principle, as well as due to the monitoring of the metabolism of the patient over a certain time. Therefore, patient motion increasingly limits the possible spatial resolution of PET. In addition, patient immobilisations are only of limited benefit in this context. Thus, patient motion leads to a relevant resolution degradation and incorrect quantification of metabolic parameters. The present work describes the utilisation of a novel motion compensation method for clinical brain PET acquisitions. By using an external motion tracking system, information about the head motion of a patient is continuously acquired during a PET acquisition. Based on the motion information, a newly developed event-based motion compensation algorithm performs spatial transformations of all registered coincidence events, thus utilising the raw data of a PET system - the so-called `list-mode´ data. For routine acquisition of this raw data, methods have been developed which allow for the first time to acquire list-mode data from an ECAT Exact HR+ PET scanner within an acceptable time frame. Furthermore, methods for acquiring the patient motion in clinical routine and methods for an automatic analysis of the registered motion have been developed. For the clinical integration of the aforementioned motion compensation approach, the development of additional methods (e.g. graphical user interfaces) was also part of this work. After development, optimisation and integration of the event-based motion compensation in clinical use, analyses with example data sets have been performed. Noticeable changes could be demonstrated by analysis of the qualitative and quantitative effects after the motion compensation. From a qualitative point of view, image artefacts have been eliminated, while quantitatively, the results of a tracer kinetics analysis of a FDOPA acquisition showed relevant changes in the R0k3 rates of an irreversible reference tissue two compartment model. Thus, it could be shown that an integration of a motion compensation method which is based on the utilisation of the raw data of a PET scanner, as well as the use of an external motion tracking system, is not only reasonable and possible for clinical use, but also shows relevant qualitative and quantitative improvement in PET imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in der Nuklearmedizin etabliertes funktionelles Schnittbildverfahren, das es erlaubt Informationen über biochemische und physiologische Prozesse in vivo zu erhalten. Die derzeit erreichbare räumliche Auflösung des Verfahrens beträgt etwa 5 mm für Hirnaufnahmen und etwa 8 mm für Ganzkörperaufnahmen, wobei erste verbesserte Bildrekonstruktionsverfahren eine Machbarkeit von 2 mm Auflösung in Zukunft möglich erscheinen lassen. Durch das geringe Signal/Rausch-Verhältnis des Messverfahrens, aber auch durch die Tatsache, dass der Stoffwechsel des Patienten über einen längeren Zeitraum betrachtet wird, betragen typische PET-Aufnahmezeiten mehrere Minuten bis Stunden. Dies hat zur Folge, dass Patientenbewegungen zunehmend die erreichbare räumliche Auflösung dieses Schnittbildverfahrens limitieren. Eine Immobilisierung des Patienten zur Reduzierung dieser Effekte ist hierbei nur bedingt hilfreich. Es kommt daher zu einer relevanten Auflösungsverschlechterung sowie zu einer Verfälschung der quantifizierten Stoffwechselparameter. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Nutzbarmachung eines neuartigen Bewegungskorrekturverfahrens für klinische PET-Hirnaufnahmen. Mittels eines externen Bewegungsverfolgungssystems wird während einer PET-Untersuchung kontinuierlich die Kopfbewegung des Patienten registriert. Anhand dieser Bewegungsdaten führt ein neu entwickelter event-basierter Bewegungskorrekturalgorithmus eine räumliche Korrektur aller registrierten Koinzidenzereignisse aus und nutzt somit die als "List-Mode" bekannten Rohdaten eines PET Systems. Für die Akquisition dieser Daten wurden eigens Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben, diese Rohdaten von einem ECAT Exact HR+ PET Scanner innerhalb eines akzeptablen Zeitraumes zu erhalten. Des Weiteren wurden Methoden für die klinische Akquisition der Bewegungsdaten sowie für die automatische Auswertung dieser Daten entwickelt. Ebenfalls Teil der Arbeit waren die Entwicklung von Methoden zur Integration in die klinische Routine (z.B. graphische Nutzeroberflächen). Nach der Entwicklung, Optimierung und Integration der event-basierten Bewegungskorrektur für die klinische Nutzung wurden Analysen anhand von Beispieldatensätzen vorgenommen. Es zeigten sich bei der Auswertung sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Effekte deutliche Änderungen. In qualitativer Hinsicht wurden Bildartefakte eliminiert; bei der quantitativen Auswertung einer FDOPA Messung zeigte sich eine revelante Änderung der R0k3 Einstromraten eines irreversiblen Zweikompartment-Modells mit Referenzgewebe. Es konnte somit gezeigt werden, dass eine Integration einer Bewegungskorrektur unter Zuhilfenahme der Rohdaten eines PET Systems sowie unter Nutzung eines externen Verfolgungssystems nicht nur sinnvoll und in der klinischen Routine machbar ist, sondern auch zu maßgeblichen qualitativen und quantitativen Verbesserungen in der PET-Bildgebung beitragen kann.

Positron emission tomography (PET) is a well-established functional imaging method used in nuclear medicine. It allows for retrieving information about biochemical and physiological processes in vivo. The currently possible spatial resolution of PET is about 5 mm for brain acquisitions and about 8 mm for whole-body acquisitions, while recent improvements in image reconstruction point to a resolution of 2 mm in the near future. Typical acquisition times range from minutes to hours due to the low signal-to-noise ratio of the measuring principle, as well as due to the monitoring of the metabolism of the patient over a certain time. Therefore, patient motion increasingly limits the possible spatial resolution of PET. In addition, patient immobilisations are only of limited benefit in this context. Thus, patient motion leads to a relevant resolution degradation and incorrect quantification of metabolic parameters. The present work describes the utilisation of a novel motion compensation method for clinical brain PET acquisitions. By using an external motion tracking system, information about the head motion of a patient is continuously acquired during a PET acquisition. Based on the motion information, a newly developed event-based motion compensation algorithm performs spatial transformations of all registered coincidence events, thus utilising the raw data of a PET system - the so-called `list-mode´ data. For routine acquisition of this raw data, methods have been developed which allow for the first time to acquire list-mode data from an ECAT Exact HR+ PET scanner within an acceptable time frame. Furthermore, methods for acquiring the patient motion in clinical routine and methods for an automatic analysis of the registered motion have been developed. For the clinical integration of the aforementioned motion compensation approach, the development of additional methods (e.g. graphical user interfaces) was also part of this work. After development, optimisation and integration of the event-based motion compensation in clinical use, analyses with example data sets have been performed. Noticeable changes could be demonstrated by analysis of the qualitative and quantitative effects after the motion compensation. From a qualitative point of view, image artefacts have been eliminated, while quantitatively, the results of a tracer kinetics analysis of a FDOPA acquisition showed relevant changes in the R0k3 rates of an irreversible reference tissue two compartment model. Thus, it could be shown that an integration of a motion compensation method which is based on the utilisation of the raw data of a PET scanner, as well as the use of an external motion tracking system, is not only reasonable and possible for clinical use, but also shows relevant qualitative and quantitative improvement in PET imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in der Nuklearmedizin etabliertes funktionelles Schnittbildverfahren, das es erlaubt Informationen über biochemische und physiologische Prozesse in vivo zu erhalten. Die derzeit erreichbare räumliche Auflösung des Verfahrens beträgt etwa 5 mm für Hirnaufnahmen und etwa 8 mm für Ganzkörperaufnahmen, wobei erste verbesserte Bildrekonstruktionsverfahren eine Machbarkeit von 2 mm Auflösung in Zukunft möglich erscheinen lassen. Durch das geringe Signal/Rausch-Verhältnis des Messverfahrens, aber auch durch die Tatsache, dass der Stoffwechsel des Patienten über einen längeren Zeitraum betrachtet wird, betragen typische PET-Aufnahmezeiten mehrere Minuten bis Stunden. Dies hat zur Folge, dass Patientenbewegungen zunehmend die erreichbare räumliche Auflösung dieses Schnittbildverfahrens limitieren. Eine Immobilisierung des Patienten zur Reduzierung dieser Effekte ist hierbei nur bedingt hilfreich. Es kommt daher zu einer relevanten Auflösungsverschlechterung sowie zu einer Verfälschung der quantifizierten Stoffwechselparameter. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Nutzbarmachung eines neuartigen Bewegungskorrekturverfahrens für klinische PET-Hirnaufnahmen. Mittels eines externen Bewegungsverfolgungssystems wird während einer PET-Untersuchung kontinuierlich die Kopfbewegung des Patienten registriert. Anhand dieser Bewegungsdaten führt ein neu entwickelter event-basierter Bewegungskorrekturalgorithmus eine räumliche Korrektur aller registrierten Koinzidenzereignisse aus und nutzt somit die als "List-Mode" bekannten Rohdaten eines PET Systems. Für die Akquisition dieser Daten wurden eigens Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben, diese Rohdaten von einem ECAT Exact HR+ PET Scanner innerhalb eines akzeptablen Zeitraumes zu erhalten. Des Weiteren wurden Methoden für die klinische Akquisition der Bewegungsdaten sowie für die automatische Auswertung dieser Daten entwickelt. Ebenfalls Teil der Arbeit waren die Entwicklung von Methoden zur Integration in die klinische Routine (z.B. graphische Nutzeroberflächen). Nach der Entwicklung, Optimierung und Integration der event-basierten Bewegungskorrektur für die klinische Nutzung wurden Analysen anhand von Beispieldatensätzen vorgenommen. Es zeigten sich bei der Auswertung sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Effekte deutliche Änderungen. In qualitativer Hinsicht wurden Bildartefakte eliminiert; bei der quantitativen Auswertung einer FDOPA Messung zeigte sich eine revelante Änderung der R0k3 Einstromraten eines irreversiblen Zweikompartment-Modells mit Referenzgewebe. Es konnte somit gezeigt werden, dass eine Integration einer Bewegungskorrektur unter Zuhilfenahme der Rohdaten eines PET Systems sowie unter Nutzung eines externen Verfolgungssystems nicht nur sinnvoll und in der klinischen Routine machbar ist, sondern auch zu maßgeblichen qualitativen und quantitativen Verbesserungen in der PET-Bildgebung beitragen kann.