De nos jours, la plupart des dispositifs numériques d’acquisition et d’affichage d’images utilisent un petit nombre de couleurs dites primaires afin de représenter n’importe quelle couleur visible. Par exemple, la majorité des appareils photos "grand public" quantifient la couleur comme une certaine combinaison de Rouge, Vert et Bleu(RVB). Ce genre de technologie est qualifiée de tri-chromatique et, au même titre que les modèles tetra-chromatiques communs en imprimerie, elle présente un certain nombre d’inconvénients, tels que le métamérisme ou encore la limitation aux longueurs d’onde visibles. Afin de palier à ces limitations, les technologies multi-, hyper,voire ultra-spectrale ont connu un gain notable d’attention depuis plusieurs décennies. Un image spectrale est constituée d’un nombre de bandes (ou canaux) supérieur à 3, représentant des régions spectrales spécifiques et permettant de recouvrer la radiance ou reflectance d’objets avec plus de précision et indépendamment du capteur utilisé. De nombreux travaux de recherche ont fait considérablement progresser les méthodes d’acquisition et d’analyse, mais beaucoup de challenges demeurent, particulièrement en ce qui concernel a visualisation de ce type de données. En effet, si une image contient plusieurs dizaines de canaux comment la représenter sur un écran qui n’en accepte que trois ? Dans cette thèse, nous présentons un certain nombre de méthodes d’extraction d’attributs pour l’analyse d’images spectrales, avec une attention particulière sur la problématique de la visualisation. / Nowadays, digital imaging is mostly based on the paradigm that a combinations of a small number of so-called primary colors is sufficient to represent any visible color. For instance, most cameras usepixels with three dimensions: Red, Green and Blue (RGB). Such low dimensional technology suffers from several limitations such as a sensitivity to metamerism and a bounded range of wavelengths. Spectral imaging technologies offer the possibility to overcome these downsides by dealing more finely withe the electromagnetic spectrum. Mutli-, hyper- or ultra-spectral images contain a large number of channels, depicting specific ranges of wavelength, thus allowing to better recover either the radiance of reflectance of the scene. Nevertheless,these large amounts of data require dedicated methods to be properly handled in a variety of applications. This work contributes to defining what is the useful information that must be retained for visualization on a low-dimensional display device. In this context, subjective notions such as appeal and naturalness are to be taken intoaccount, together with objective measures of informative content and dependency. Especially, a novel band selection strategy based on measures derived from Shannon’s entropy is presented and the concept of spectral saliency is introduced.

Pas de résumé / No abstract

Exploiting wireless communications has had an unstoppable growth in the last years. In this attracting scenario, the Ultra Wide Band (UWB) market represents one of the main interesting targets for semiconductor industry. The availability of newer and larger bandwidth in the frequency spectrum (60 GHz and 77 GHz) opens to the possibility of higher bitrates communications. The technology cost reduction is made possible by the use of silicon as semiconductor substrate in the place of classical heterojunction materials. The rapid reduction of the technological node (seen as the thinning of the gate channel) in the new generation of CMOS transistors allows obtaining faster transistors that become usable on V band applications. Therefore, the digital origin of the technology yields two additional advantages. First of all, the facilities for the circuits' production already exist as well as the recipe to create the devices on the substrate. The only additive cost remains the characterization of the technology at mm-wave frequencies. The second fundamental advantage is the possibility to have a complete integration of the system in the same dies with a substantial reduction of packaging and interconnection costs. The objectives of this thesis is the design and the modeling of a complete 60 GHz UWB transceiver starting from the characterization and the optimization of the single subcomponents. The main feature that constitutes the principal constraint of the entire work of this thesis is the high efficiency required for the transceiver front - end. The energy safe capability, in fact, represents the strength point of this project, being the system conceived for wireless sensors network applications. Passive components as inductors and RF lines, have been the first elements that have been designed and characterized. Then the structure of CMOS transistor have been analyzed and characterized in order to obtain performances as higher as possible, in particular for wide transistors. The knowledge acquired during this first part has allowed the developed of high quality factor inductors and high performance transistors (used in the design of upconversion mixer). In addition, the optimum correspondence between simulations and measurements combined with the gained experience on the RF electromagnetic simulations have been exploited to create a series of innovative (when possible) passive structures as baluns, power splitters and power couplers. The second significant part of this work has been consecrated to the modeling of a series of high performance active circuits in the transmitter and the receiver blocks (upconversion mixer, voltage controlled oscillator ad a series of differential and single-ended buffers). The behavior of these structures has been accurately investigated and optimized in order to be later efficiently integrated in the complete transceiver system. The systems are finally integrated in two different dies, transmitter and receiver blocks, and the 60 GHz link has been yield by a demostrator set-up.

Pas de résumés en français

Dans cette thèse, nous avons exploré différentes méthodes de recalage déformables pouvant être appliquées entre les images IRM et les images ETR acquises pendant la biopsie. Nous avons observé à partir d'une étude de la littérature que les méthodes de recalage déformables existantes pour le recalage des images de prostate multimodales ne fournissent pas de précisions satisfaisantes et que la plupart sont coûteuse [sic] en ressources informatiques, notre méthode proposée n'étant pas une exception à cette tendance. Dans ce contexte, notre objectif secondaire a été de rechercher une méthode de recalage déformable qui puisse être appliquée au cours des interventions (nécessitant du temps réel). Par conséquent, nous proposons un schéma d'apprentissage où les paramètres de déformation sont appris sur une série d'images d'entraînement puis modélisés et une estimation linéaire de ces modèles est ensuite appliquée pour recaler les images ETR-IRM. Cette solution assure une vitesse de calcul sans compromettre beaucoup la précision de recalage.Dans les expérimentations réalisées pour valider nos travaux, la sonde transrectale de biopsie n'était pas équippée pour permettre une localisation 3D (par conséquent, la position spatiale (coordonnée z) des ETR images par rapport au système d'imagerie n'était pas disponible). Toutefois, pour la fusion ETR-IRM, il est important d'identifier la coupe pré-biopsie axiale IRM qui correspond à l'image ETR acquise au cours de la biopsie. Par conséquent, un autre objectif de ce travail a été d'identifier automatiquement la coupe axiale IRM d'un volume pré-biopsie correspondant à l'image ETR en utilisant une méthode qui exploite les métriques de similarité basées sur l'image et la forme. / This thesis investigates the employment of different deformable registration techniques to register pre-operative magnetic resonance and inter-operative ultrasound images during prostate biopsy. Accurate registration ensures appropriate biopsy sampling of malignant prostate tissues and reduces the rate of re-biopsies. Therefore, we provide comparisons and experimental results for some landmark- and intensity-based registration methods: thin-plate splines, free-form deformation with B-splines. The primary contribution of this thesis is a new spline-based diffeomorphic registration framework for multimodal images. In this framework we ensure diffeomorphism of the thin-plate spline-based transformation by incorporating a set of non-linear polynomial functions. In order to ensure clinically meaningful deformations we also introduce the approximating thin-plate splines so that the solution is obtained by a joint-minimization of the surface similarities of the segmented prostate regions and the thin-plate spline bending energy. The method to establish point correspondences for the thin-plate spline-based registration is a geometric method based on prostate shape symmetry but a further improvement is suggested by computing the Bhattacharyya metric on shape-context based representation of the segmented prostate contours. The proposed deformable framework is computationally expensive and is not well-suited for registration of inter-operative images during prostate biopsy. Therefore, we further investigate upon an off-line learning procedure to learn the deformation parameters of a thin-plate spline from a training set of pre-operative magnetic resonance and its corresponding inter-operative ultrasound images and build deformation models by applying spectral clustering on the deformation parameters. Linear estimations of these deformation models are then applied on a test set of inter-operative and pre-operative ultrasound and magnetic resonance images respectively. The problem of finding the pre-operative magnetic resonance image slice from a volume that matches the inter-operative ultrasound image has further motivated us to investigate on shape-based and image-based similarity measures and propose for slice-to-slice correspondence based on joint-maximization of the similarity measures. / En aquesta tesi s'investiga l'ús de diferents tècniques de registre deformable per registrar imatges de ressonància magnètica preoperatòries i imatges d'ultrasò interoperatòries en la biòpsia de pròstata. Un registre correcte garanteix l'adequada presa de mostres de biòpsia dels teixits malignes de la pròstata i redueix la taxa de re-biòpsies. Aquesta tesis inicialment presenta una comparació i resultats experimentals d’uns dels mètodes de registre més utilitzats basats en intensitat i en punts (landmarks): thin-plate splines i deformacions free form utilitzant B-splines. La principal contribució d'aquesta tesi és una nova metodologia de registre per imatges multimodals basada en splines i formulació difeomòrfica. En aquesta metodologia, s’assegura el difeomorfisme de la transformació basada en thin-plate splines mitjançant la incorporació d'un conjunt de funcions polinòmiques no lineals. Per tal de garantir deformacions clínicament significatives també introduïm thin-plate splines aproximants de manera que la solució s'obté mitjançant una minimització conjunta de les similituds de la superfície de les regions de la pròstata segmentades i de l'energia de la curvatura del thin-plate spline. El mètode per establir les correspondències de punts per el registre en thin-plate splines és un mètode geomètric basat en la simetria de la forma de la pròstata. Alhora, es suggereix una millora addicional basada en la utilització de la mètrica Bhattacharyya en la representació de forma (shape context) dels contorns de la pròstata segmentats. La metodologia de deformació proposada inicialment és computacionalment costosa i no està ben adaptada per el registre interoperatiu durant la biòpsia de pròstata. Per tant, s’investiga més a fons un procediment d'aprenentatge off-line per aprendre els paràmetres de deformació dels thin-plate splines a partir d'un conjunt d'entrenament de dades ressonància magnètica preoperatòries i les seves corresponents imatges d'ultrasò interoperatòries i es construeixen models de deformació mitjançant l'aplicació de mètodes d’agrupació espectral (spectral clustering) en els paràmetres de deformació. Les estimacions lineals d'aquests models de deformació s'apliquen després en un conjunt de test de ressonància magnètica i ultrasò. El problema de trobar la llesca del volum de ressonància magnètica preoperatòria que coincideixi amb la imatge d'ultrasò interoperatòria ens ha motivat a investigar sobre les mesures de similitud basades en la forma i contingut de la imatge i ens ha portat a proposar un nou mètode per a la correspondència tall a tall basat en la maximització conjunta de les mesures de similitud esmentades

[...] L’utilisation d’images ETR pour la biopsie est maintenant une norme suivie par les urologues pour le dépistage du cancer de la prostate. Toutefois, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) offre un meilleur contraste des tissus mous par rapport aux images ETR. Ainsi, certaines tumeurs malignes visibles par l’IRM ne le sont pas avec les images ETR comme illustré par l’image de la figure 1. En fusionnant les deux modalités IRM et échographie transrectale, il est possible de développer des outils performants de diagnostic. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet PROSCAN qui est une collaboration entre le centre de recherche VICOROB (Computer Vision and Robotics Group) de l’université de Gérone et le Girona Magnetic Resonance Center du CHU de Gérone. [...] .. L’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes de segmentation précises et rapides de la prostate dans les images IRM ET ETR afin de faciliter la fusion d’images multimodales dans le cadre du projet PROSCAN. [...] Nous avons commencé notre travail par une étude approfondie des méthodes de segmentation dans les deux modalités échographie transrectale et IRM. Les principales similitudes et les différences entre les diverses méthodes, leurs forces et faiblesse sont été analysées. Les méthodes de segmentation de la prostate peuvent être regroupées dans quatre catégories différentes, selon les informations utilisées pour guider la segmentation [...] L’analyse des méthodes de segmentation montre que les approches qui combinent les informations de forme et de contour donnent les meilleurs résultats. Aussi, nous proposons d’utiliser le modèle AAM (Actice Appearance Model) qui a prouvé son efficacité pour la segmentation de la prostate dans les image d’échographietransrectale. Le modèle AAM permet de combiner les informations de forme et d’apparence en une unique fonction de coût à optimiser. De plus, l’étape d’optimisation par descente de gradient faite hors-ligne réduit considérablement les temps de calcul.Les images obtenues par échographie transrectale possèdent généralement une faible qualité ainsi qu’un faible contraste. Pour améliorer la robustesse de notre méthode de segmentation, nous introduisons des caractéristiques de texture extraits avec les ondelettes de Haar et des filtres en quadrature. Les résultats obtenus montrent que cette information de texture accroit la précision de la segmentation. Parailleurs, l’augmentation du temps de calcul due à l’utilisation des filtres est compensé par l’augmentation de la précision.Pour une initialisation automatique, nous avons développé un modèle probabiliste basé sur une classification supervisée. Un classifieur est construit à partird’un ensemble d’images d’apprentissage manuellement segmentées. Ce classifieur est utilisé pour obtenir une pré-segmentation de la prostate dans l’image ETR dans laquelle on attribue à chaque pixel une probabilité d’appartenance à la prostate. Unnouveau modèle AAM est ensuite construit dans lequel les intensités sont remplacéespar les probabilités obtenues à l’etape précédente. Les résultats obtenus montrent que cette approche permet une initialisation automatique tout en améliorant laprécision de la segmentation.Enfin, pour obtenir un modèle plus robuste nous avons utilisé la fonctionnelle de Mumford-Shah qui permet de définir une fonction de coût à optimiser comprenant à la fois les informations d’apparence, de forme et de topologie locale de laprostate. Les nombreux résultats qualitatifs et quantitatifs présentés dans la suite de ce manuscrit montrent que notre méthode donne de meilleurs résultats comparé à diverses autres approches. / Prostate segmentation in trans rectal ultrasound (TRUS) and magnetic resonanceimages (MRI) facilitates volume estimation, multi-modal image registration, surgicalplaning and image guided prostate biopsies. The objective of this thesis is to developshape and region prior deformable models for accurate, robust and computationallyefficient prostate segmentation in TRUS and MRI images. Primary contributionof this thesis is in adopting a probabilistic learning approach to achieve soft classificationof the prostate for automatic initialization and evolution of a shape andregion prior deformable models for prostate segmentation in TRUS images. Twodeformable models are developed for the purpose. An explicit shape and regionprior deformable model is derived from principal component analysis (PCA) of thecontour landmarks obtained from the training images and PCA of the probabilitydistribution inside the prostate region. Moreover, an implicit deformable model isderived from PCA of the signed distance representation of the labeled training dataand curve evolution is guided by energy minimization framework of Mumford-Shah(MS) functional. Region based energy is determined from region based statistics ofthe posterior probabilities. Graph cut energy minimization framework is adoptedfor prostate segmentation in MRI. Posterior probabilities obtained in a supervisedlearning schema and from a probabilistic segmentation of the prostate using an atlasare fused in logarithmic domain to reduce segmentation error. Finally a graphcut energy minimization in the stochastic framework achieves prostate segmentationin MRI. Statistically significant improvement in segmentation accuracies areachieved compared to some of the works in literature. Stochastic representation ofthe prostate region and use of the probabilities in optimization significantly improvesegmentation accuracies / La segmentació de la pròstata en imatges d’ecografia transrectal (TRUS) i en imatgesde ressonáncia magnètica (RM) facilita l’estimació del volum d’aquesta glàndula,el registre d’imatges entre ambdues modalitats, així com la planificació quirrgica debiòpsies guiades per imatge. L’objectiu d’aquesta tesi, doncs, és el desenvolupamentd’eines automàtiques per a una segmentació de la pròstata de manera precisa,robusta i computacionalment eficient en ambdues modalitats d’imatges.La contribució principal d’aquest tesi és la segmentació de les imatges ecogràfiquesde la pròstata. El mètode proposat es basa en dos passos ben diferenciats. Primer, através d’un aprenentatge probabilístic inicial, s’aconsegueix una primera localitzacióaproximada de la pròstata i que serveix per, en un segon pas, inicialitzar i permetreevolucionar de manera automàtica dos models deformables independents, guiats apartir de la informació de forma i regió de la pròstata estimada en el primer pas. Elprimer model deformable s’obté explícitament a partir de l’anàlisi de componentsprincipals (PCA) d’un conjunt de punts del contorn, que permet modelar la formade la pròstata, i de l’anàlisi PCA de la distribució de probabilitat dins de la regióprostàtica, que permet modelar la textura d’aquesta. Un tercer anàlisi PCA permetcorrelacionar ambdues distribucions. D’altra banda, un segon model deformable esderiva implícitament de l’anàlisi PCA de la funció distància obtinguda amb el conjuntde dades d’entrenament etiquetades. La consegüent evolució d’aquesta corbas’obté mitjanant la minimització del funcional Mumford-Shah, el qual es basa en unconjunt d’estadístics regionals obtinguts a partir de l’estimació de les probabilitatsa posteriori de les regions internes i externes de la pròstata.La segona contribució d’aquesta tesi és la segmentació automàtica de la pròstataen imatges 3D de RM. De manera similar a les imatges ecogràfiques, el sistemacombina les probabilitats d’un aprenentatge supervisat amb una segmentació inicial,en aquest cas, obtinguda a partir d’un atles probabilístic creat amb els volumsd’entrenament. La segmentació final s’obté a través d’una minimització basada engrafs.El resultat final és, doncs, el desenvolupament d’eines que permeten una segmentació acurada i robusta de la pròstata tant en imatges ecogròfiques com deressonòncia magnètica, millorant de forma substancial i significant la precisió delsmètodes desenvolupats fins a l’actualitat

La polarisation est le phénomène qui décrit les orientations des oscillations des ondes lumineuses qui sont limitées en direction. La lumière polarisée est largement utilisée dans le règne animal,à partir de la recherche de nourriture, la défense et la communication et la navigation. Le chapitre (1) aborde brièvement certains aspects importants de la polarisation et explique notre problématique de recherche. Nous visons à utiliser un capteur polarimétrique-catadioptrique car il existe de nombreuses applications qui peuvent bénéficier d'une telle combinaison en vision par ordinateur et en robotique, en particulier pour l'estimation d'attitude et les applications de navigation. Le chapitre (2) couvre essentiellement l'état de l'art de l'estimation d'attitude basée sur la vision.Quand la lumière non-polarisée du soleil pénètre dans l'atmosphère, l'air entraine une diffusion de Rayleigh, et la lumière devient partiellement linéairement polarisée. Le chapitre (3) présente les motifs de polarisation de la lumière naturelle et couvre l'état de l'art des méthodes d'acquisition des motifs de polarisation de la lumière naturelle utilisant des capteurs omnidirectionnels (par exemple fisheye et capteurs catadioptriques). Nous expliquons également les caractéristiques de polarisation de la lumière naturelle et donnons une nouvelle dérivation théorique de son angle de polarisation.Notre objectif est d'obtenir une vue omnidirectionnelle à 360 associée aux caractéristiques de polarisation. Pour ce faire, ce travail est basé sur des capteurs catadioptriques qui sont composées de surfaces réfléchissantes et de lentilles. Généralement, la surface réfléchissante est métallique et donc l'état de polarisation de la lumière incidente, qui est le plus souvent partiellement linéairement polarisée, est modifiée pour être polarisée elliptiquement après réflexion. A partir de la mesure de l'état de polarisation de la lumière réfléchie, nous voulons obtenir l'état de polarisation incident. Le chapitre (4) propose une nouvelle méthode pour mesurer les paramètres de polarisation de la lumière en utilisant un capteur catadioptrique. La possibilité de mesurer le vecteur de Stokes du rayon incident est démontré à partir de trois composants du vecteur de Stokes du rayon réfléchi sur les quatre existants.Lorsque les motifs de polarisation incidents sont disponibles, les angles zénithal et azimutal du soleil peuvent être directement estimés à l'aide de ces modèles. Le chapitre (5) traite de l'orientation et de la navigation de robot basées sur la polarisation et différents algorithmes sont proposés pour estimer ces angles dans ce chapitre. A notre connaissance, l'angle zénithal du soleil est pour la première fois estimé dans ce travail à partir des schémas de polarisation incidents. Nous proposons également d'estimer l'orientation d'un véhicule à partir de ces motifs de polarisation.Enfin, le travail est conclu et les possibles perspectives de recherche sont discutées dans le chapitre (6). D'autres exemples de schémas de polarisation de la lumière naturelle, leur calibrage et des applications sont proposées en annexe (B).Notre travail pourrait ouvrir un accès au monde de la vision polarimétrique omnidirectionnelle en plus des approches conventionnelles. Cela inclut l'orientation bio-inspirée des robots, des applications de navigation, ou bien la localisation en plein air pour laquelle les motifs de polarisation de la lumière naturelle associés à l'orientation du soleil à une heure précise peuvent aboutir à la localisation géographique d'un véhicule

La polarisation est le phénomène qui décrit les orientations des oscillations des ondes lumineuses qui sont limitées en direction. La lumière polarisée est largement utilisée dans le règne animal,à partir de la recherche de nourriture, la défense et la communication et la navigation. Le chapitre (1) aborde brièvement certains aspects importants de la polarisation et explique notre problématique de recherche. Nous visons à utiliser un capteur polarimétrique-catadioptrique car il existe de nombreuses applications qui peuvent bénéficier d'une telle combinaison en vision par ordinateur et en robotique, en particulier pour l'estimation d'attitude et les applications de navigation. Le chapitre (2) couvre essentiellement l'état de l'art de l'estimation d'attitude basée sur la vision.Quand la lumière non-polarisée du soleil pénètre dans l'atmosphère, l'air entraine une diffusion de Rayleigh, et la lumière devient partiellement linéairement polarisée. Le chapitre (3) présente les motifs de polarisation de la lumière naturelle et couvre l'état de l'art des méthodes d'acquisition des motifs de polarisation de la lumière naturelle utilisant des capteurs omnidirectionnels (par exemple fisheye et capteurs catadioptriques). Nous expliquons également les caractéristiques de polarisation de la lumière naturelle et donnons une nouvelle dérivation théorique de son angle de polarisation.Notre objectif est d'obtenir une vue omnidirectionnelle à 360 associée aux caractéristiques de polarisation. Pour ce faire, ce travail est basé sur des capteurs catadioptriques qui sont composées de surfaces réfléchissantes et de lentilles. Généralement, la surface réfléchissante est métallique et donc l'état de polarisation de la lumière incidente, qui est le plus souvent partiellement linéairement polarisée, est modifiée pour être polarisée elliptiquement après réflexion. A partir de la mesure de l'état de polarisation de la lumière réfléchie, nous voulons obtenir l'état de polarisation incident. Le chapitre (4) propose une nouvelle méthode pour mesurer les paramètres de polarisation de la lumière en utilisant un capteur catadioptrique. La possibilité de mesurer le vecteur de Stokes du rayon incident est démontré à partir de trois composants du vecteur de Stokes du rayon réfléchi sur les quatre existants.Lorsque les motifs de polarisation incidents sont disponibles, les angles zénithal et azimutal du soleil peuvent être directement estimés à l'aide de ces modèles. Le chapitre (5) traite de l'orientation et de la navigation de robot basées sur la polarisation et différents algorithmes sont proposés pour estimer ces angles dans ce chapitre. A notre connaissance, l'angle zénithal du soleil est pour la première fois estimé dans ce travail à partir des schémas de polarisation incidents. Nous proposons également d'estimer l'orientation d'un véhicule à partir de ces motifs de polarisation.Enfin, le travail est conclu et les possibles perspectives de recherche sont discutées dans le chapitre (6). D'autres exemples de schémas de polarisation de la lumière naturelle, leur calibrage et des applications sont proposées en annexe (B).Notre travail pourrait ouvrir un accès au monde de la vision polarimétrique omnidirectionnelle en plus des approches conventionnelles. Cela inclut l'orientation bio-inspirée des robots, des applications de navigation, ou bien la localisation en plein air pour laquelle les motifs de polarisation de la lumière naturelle associés à l'orientation du soleil à une heure précise peuvent aboutir à la localisation géographique d'un véhicule / Polarization is the phenomenon that describes the oscillations orientations of the light waves which are restricted in direction. Polarized light has multiple uses in the animal kingdom ranging from foraging, defense and communication to orientation and navigation. Chapter (1) briefly covers some important aspects of polarization and explains our research problem. We are aiming to use a polarimetric-catadioptric sensor since there are many applications which can benefit from such combination in computer vision and robotics specially robot orientation (attitude estimation) and navigation applications. Chapter (2) mainly covers the state of art of visual based attitude estimation.As the unpolarized sunlight enters the Earth’s atmosphere, it is Rayleigh-scattered by air, and it becomes partially linearly polarized. This skylight polarization provides a significant clue to understanding the environment. Its state conveys the information for obtaining the sun orientation. Robot navigation, sensor planning, and many other applications may benefit from using this navigation clue. Chapter (3) covers the state of art in capturing the skylight polarization patterns using omnidirectional sensors (e.g fisheye and catadioptric sensors). It also explains the skylight polarization characteristics and gives a new theoretical derivation of the skylight angle of polarization pattern. Our aim is to obtain an omnidirectional 360 view combined with polarization characteristics. Hence, this work is based on catadioptric sensors which are composed of reflective surfaces and lenses. Usually the reflective surface is metallic and hence the incident skylight polarization state, which is mostly partially linearly polarized, is changed to be elliptically polarized after reflection. Given the measured reflected polarization state, we want to obtain the incident polarization state. Chapter (4) proposes a method to measure the light polarization parameters using a catadioptric sensor. The possibility to measure the incident Stokes is proved given three Stokes out of the four reflected Stokes. Once the incident polarization patterns are available, the solar angles can be directly estimated using these patterns. Chapter (5) discusses polarization based robot orientation and navigation and proposes new algorithms to estimate these solar angles where, to the best of our knowledge, the sun zenith angle is firstly estimated in this work given these incident polarization patterns. We also propose to estimate any vehicle orientation given these polarization patterns. Finally the work is concluded and possible future research directions are discussed in chapter (6). More examples of skylight polarization patterns, their calibration, and the proposed applications are given in appendix (B). Our work may pave the way to move from the conventional polarization vision world to the omnidirectional one. It enables bio-inspired robot orientation and navigation applications and possible outdoor localization based on the skylight polarization patterns where given the solar angles at a certain date and instant of time may infer the current vehicle geographical location.

Pas de résumé en français / Being compared with oxide glasses, chalcogenide glasses have fine infrared transmissivity and higher optical nonlinearity, and also could be drawn into optical fibers. So chalcogenide glasses and fibers have potential wide applications in the fields of all-optical information processing, infrared lasers, nonlinear optical devices, and so on, the studies of their optical nonlinearity are one of the attractive subjects in the area of optoelectronics at present. The main purpose of this paper is to improve the stability and enhance the intensity of nonlinearity in chalcogenide glasses and fibers by means of exploring new glass compositions, optimizing the external field poling method, designing and fabricating fibers with special structures, all of these will promote their real applications. The main results are concluded as follows . The glass-forming region of GeS2-GA2S3-AgX (X=Cl, Br, I) and GeS2-Ga (In)2S3-CuI systems were determined , the maximal content of the additive halides are 70% and 12% respectively. In both two systems glasses, with the increasing addition of halides, the thermal stability reduce, density and linear refractive index increase, the ultraviolet cut-off edges shift to longer wavelength, while the infrared cut-off edges keep almost the same. 30GeS2 35Ga2S3 35AgCl and 47.5GeS2 17.5Ga2S3 35AgCl surface- and bulk-crystallized glasses that contain AgGaGeS4 nonlinear optical crystallites were prepared. Obvious second harmonic generation (SHG) could be observed in these crystallized glasses, and their intensity relate to the distribution and size of the precipitated AgGaGeS4 crystals, the maximal second-order nonlinearity coefficients is as high as 12.4pm/V. These crystallized glasses have good chemical and SHG stability. For GeS2-Ga (In)2S3-CuI systems glasses, due to their small glass-forming region, they are not suit for the preparation of crystallized glasses that contain CuGaS2 or CuInS2 nonlinear optical crystals. According to the structural studies of two system glasses, the main structural units of theses glasses are [YS4-xXx] (Y=Ge, Ga, In. X=Cl, Br, I) mixed anion tetrahedrons, they form a three-dimensional glassy network through bridging sulphur bonds. When the contents of halides MX(M=Ag, Cu. X=Cl, Br, I) are low, some [XxS3-xGe(Ga)S3-xXx] (X=Cl, Br, I) mixed ethane-like structural units exist in the glass network, and they will gradually transform to [YS4-xXx] (Y=Ge, Ga, In. X=Cl, Br, I) mixed anion tetrahedrons with the increasing content of halides, till totally disappear. Both two system glasses have ultrafast (~150fs) third-order optical nonlinearity and reverse saturation absorption, they belong to self-focusing medium. The third-order optical nonlinearity mainly originate from the distortion of electron cloud of Y-X (Y=Ge, Ga, In, X=Cl, Br, I, S) bonds in the structural units. For GeS2-GA2S3-AgX (X=Cl, Br, I) system glasses, the largest nonlinear susceptibility n2 is 10.50x10-18 m/W, the smallest figure of merit (FOM) is 0.606. In addition, the relation of n2 with n0 do not obey Miller’s rule, but in accordance with the structural variation. Among the glass compositions with different additive halogens, Br-containing glasses have relatively best third-order nonlinearities. For GeS2-Ga (In)2S3-CuI system glasses, the largest nonlinear susceptibility n2 is 9.37x10-18 m/W, the smallest figure of merit (FOM) is 2.237. High purity AS2S3 glass performs and low loss single index fibers with diameter of 100~400µm that drawn form these performs were prepared, the transmission losses between 2~6 µm is only 0.5dB/m. AS2S3 tapered fibers have a uniform diameter of taper wasit, fine surface smoothness, and sharp taper transition part.

Pas de résumé en français / The goal of this research was the synthesis and spectroscopic, structural andphysical-chemical characterization of cyclic 6- and 7-membered hydroxamicacids, a tetrahydroxamic calix[4]arene-based tetrapodal receptor, and their metalcomplexes with trivalent and tetravalent metal cations. They were characterizedby several techniques such as 1H and 13C NMR, IR, and mass spectroscopies,single crystal X-ray analysis, and potentiometry. Cyclic hydroxamic acids arefound in a few mix siderophores but their coordination properties were stillunknown. The structural features of metal complexes formed with Fe(III),Ga(III), Ce(IV), Zr(IV), Hf(IV), U(IV) and U(VI) have been investigated both inthe solid state and in solution. The synthesis and complexation studies of anoriginal calix[4]arene-based tetrapodal receptor is described. Reactionparameters for all key steps in the synthetic route have been optimized. Thesingle X-ray crystal analysis of benzyl-protected receptor was obtained.Complexation studies with zirconium(IV) and hafnium(IV) evidenced theformation of two metal two ligand complexes rather than 1:1 species, whichwere shown to interact in solution with a third alkali cation