L’hologramme généré par ordinateur (HGO) a été démontré à jouer un rôle important depuis son invention par Lohmann dans les années 1960 dans de nombreuses applications telles que l’ingénierie du front d'onde, l’éclairage structuré et l’affichage optique, etc. Dans le travail de thèse ci-présent, la modélisation, la conception et l’optimisation d’HGO avec des phases binaires sont étudiées. Nous avons examiné un système pratique de projection d’image avec certaines spécifications de travail, par exemple, une distance de travail de 40 cm, une profondeur de champ de 10 cm et un angle de diffraction de 53 degré pour une longueur d’onde de travail de 632 nm, et ensuite conçu et optimisé un hologramme de phase binaire en passant par une recherche directe binaire pour ce système d’image. L’hologramme a été fabriqué par la lithographie à faisceau d’électrons. Pour atteindre l’angle de diffraction requis, nous avons discuté de l’architecture optique dans le système de projection d’image holographique. L’HGO conçu et le système de projection d’image holographique ont été validés expérimentalement par reconstruction optique. Étant donné que les pixels finiront par se regrouper pour former des ouvertures polygonales en hologramme, qui peut être vu clairement dans le processus de recherche directe binaire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la conception directe des ouvertures polygonales basée sur la disposition triangulaire en HGO de grande taille en pixels. La diffraction de l’ouverture a été calculée par la transformation analytique d’Abbe. L’image reconstruite peut être exprimée comme une addition cohérente de motifs de diffraction à partir de tous les bords droits d’orientations et de longueurs différentes. Une optimisation en deux étapes comprenant l’algorithme génétique avec la recherche locale de codage des phases binaires des ouvertures, suivie par la recherche directe de co-sommets flottants des ouvertures triangulaires élémentaires a été développée. Nous avons en outre proposé une disposition d’ouverture quadrilatérale, qui fournit plus de degrés de liberté et peut former des ouvertures polygonales plus diverses en hologrammes. L’algorithme génétique parallèle avec la recherche locale a été adopté dans une première étape pour assigner des phases binaires, et la recherche directe a ensuite été utilisée pour optimiser des emplacements de co-sommets d'ouvertures quadrilatérales lors de la deuxième étape. Trois schémas différents pour l'algorithme en deux étapes ont été discutés pour fournir des moyens flexibles afin d’équilibrer la performance de l’optimisation et la durée nécessaire. / The computer-generated hologram (CGH) has been demonstrated to play an important role, since its invention by Lohmann in 1960s, in many applications such as wavefront engineering, structured illumination and optical display, etc. In this thesis, the modeling, design and optimization of CGH with binary phases are studied. We considered a practical projection image system with certain working specification, e.g. working distance of 40 cm, depth of field of 10 cm and a diffraction angle of 53 degree for 632 nm working wavelength, and then designed and optimized a binary-phase hologram by direct binary search for this image system. The hologram was fabricated by E-beam lithography. To achieve the required diffraction angle, we discussed the optical architecture in holographic projection image system. The designed CGH and holographic projection image system were validated experimentally by optical reconstruction. Since the pixels will eventually cluster to form polygonal apertures in hologram, which can be seen clearly during the process of direct binary search, we proposed a new approach to directly design polygonal apertures based on triangular layout in CGH of a large number of pixels. The diffraction of aperture was calculated by analytical Abbe transform. The reconstructed image can be expressed as a coherent addition of diffraction patterns from all the straight edges of different orientations and lengths. A two-step optimization including genetic algorithm with local search for encoding binary phases of apertures, followed by direct search for floating covertices of the elementary triangular apertures was developed. We further proposed a quadrilateral aperture layout, which provides more degrees of freedom and can form more diverse polygonal apertures in holograms. The parallel genetic algorithm with local search was adopted to assign binary phases in the first step, and direct search was then used to optimize of locations of covertices of quadrilateral apertures in the second step. Three different schemes for the two-step algorithm were discussed to provide flexible ways to balance the optimization performance and time cost. / Résumé en espagnol

Que ce soit dans le domaine de la recherche ou en clinique, l’évaluation des amplitudes de mouvement est une étape très importante qui nécessite l’utilisation de systèmes de mesure de bonnes qualités métrologiques. En clinique, le goniomètre universel reste l’instrument le plus utilisé pour évaluer l’amplitude articulaire de mouvement (AAM) de l’épaule malgré le fait qu’il ne dispose pas d’une bonne validité de critère et sa fidélité (intra et inter-évaluateurs) est modérée voire faible comme le montre certaines études. L’autre instrument très utilisé en clinique est l’inclinomètre qui donne de meilleurs résultats de fidélités intra et inter-évaluateurs que le goniomètre, mais n’est pas adapté pour évaluer certains mouvements de l’épaule. L’utilisation de méthodes empiriques comme l’estimation visuelle d’AAM ne repose sur aucune base scientifique pour donner des mesures d’angle fiables et précises. Les méthodes de mesure les plus précises ne se retrouvent malheureusement que dans les laboratoires de recherche. Il faut dire que le contexte clinique n’est pas adapté pour recevoir de tels dispositifs très onéreux, complexes d’utilisation et nécessitant beaucoup de temps de manipulation. Les recherches sur l’amélioration des systèmes de mesure déjà existants ou sur la création de nouvelles méthodes de mesure d’AAM sont plus que jamais d’actualité. Ce mémoire entre dans ce contexte de mise en œuvre de nouveaux systèmes de mesure de hautes précisions, simples d’utilisation et d’une grande accessibilité. La nouvelle méthode que nous avons présentée se base sur des photographies numériques de patrons de points. L’objectif premier de l’étude était de déterminer la validité de critère de la méthode photo par rapport à une mesure étalon. Les résultats ont démontré que cette nouvelle méthode photo possède une bonne validité de critère, comparable à celle obtenue avec une centrale inertielle et bien mieux que celle d’une application inclinomètre. À la lumière de ces résultats, la méthode photo pourrait très bien être un substitut aux centrales inertielles dans la mesure d’AAM, car ces dernières restent onéreuses et complexes d’utilisation. L’objectif de la deuxième phase de l’étude était de déterminer la fidélité de la mesure de la méthode de photographie numérique de patrons de points et de l’inclinomètre numérique en conditions cliniques auprès de patients atteints de tendinopathie de la coiffe des rotateurs. Suite à l’analyse des résultats, il apparaît que la méthode photo possède une bonne fidélité qui lui permet de bien évaluer les amplitudes de mouvement au niveau de l’épaule. L’inclinomètre quant à lui semble donner de bons résultats de fidélité que pour certains mouvements de l’épaule (abduction et flexion). Bien que la nouvelle méthode basée sur la photographie de patrons de points ait démontré une bonne validité de critère et une bonne fidélité, son devenir et sa place dans le domaine de l’évaluation de l’AAM repose sur l’accueil qui lui sera réservé par les cliniciens et les chercheurs.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'utilisation de données de télédétection inédites pour le suivi des glaciers du massif du Mont Blanc : les images radar à synthèse d'ouverture Haute Résolution (HR) du satellite TerraSAR-X et les prises de vue HR d'un appareil photo numérique automatique. Cette thèse s'attache à montrer l'apport de ces sources d'informations hétérogènes pour mesurer le déplacement de surface des glaciers alpins. Dans cette optique, un examen des méthodes de mesure de déplacement spécifiques à chacun des deux types d'images est réalisé. Deux approches sont alors explorées : la mesure de déplacement monosource dans la géométrie propre à chaque capteur et la mesure de déplacement multisource via des combinaisons intra-capteur et inter-capteur. Alors que l'approche monosource fournit uniquement des mesures 2D du déplacement, les mesures multisources permettent pour la première fois d'estimer des champs de déplacement 3D de la surface des glaciers du Mont Blanc. Les mesures ont été réalisées sur plusieurs séries temporelles d'images couvrant la période 2008-2009 pour quatre glaciers du massif du Mont Blanc (Argentière, Mer de Glace/Leschaux, Bossons et Taconnaz). Dans le contexte du changement climatique, ces mesures de déplacement de surface fournissent une donnée intéressante en glaciologie pour contraindre les modèles numériques d'écoulement et d'évolution des glaciers.

Ces dernières années, les appareils photos/vidéos numériques grand public sont devenus omniprésents. On peut aujourd'hui trouver des systèmes de captures d'images dans toutes sortes d'appareils numériques comme les téléphones portables, les assistants personnels numériques etc. Malgré une augmentation croissante de la puissance et de la complexité de ces appareils, laqualité de la chaîne de capture d'image, composée du couple système optique/capteur est toujours contrainte à des limitations d'espace et de coût. Les défauts introduits sont nombreuxet dégradent considérablement la qualité des images produites : flou, déformations géométriques, artefacts de couleurs, effets de moire, bruits statiques et dynamiques, etc. Une idée intéressante est de corriger ces défauts de manière algorithmique en utilisant la puissance toujours croissante des architectures de traitements. Dans cette thèse nous nous intéressons particulièrement à deux problèmes issues de l'acquisition de l'image par le capteur : le dématriçage de la matrice de Bayer et la réduction du bruit. Dans la première partie, nous décrivons la structure générale de la chaîne de capture d'image dans les appareils photos/vidéos numériques. Nous présentons le rôle, le fonctionnement et les défauts introduits par chacun de ses éléments. Enfin, nous illustrons comment ces défauts peuvent être corriges par des traitements algorithmiques. Dans la deuxième partie, nous montrons comment l'information de couleur est introduite dans les capteurs numériques. Nous présentons ensuite un état de l'art des algorithmes de dématriçage. Un nouvel algorithme de reconstruction de la matrice de Bayer base sur le principe de l'interpolation directionnelle est propose. Il permet d'associer une qualité d'image produite sans artefacts avec une faible complexité de calculs. Pour mieux comprendre les comportements du bruit dans les capteurs numériques, nous énumérons ses différentes sources et leurs dépendances par rapport aux conditions de prises de vues. Apres avoir présenté l'état de l'art des méthodes de restauration des images bruitées, nous nous intéressons particulièrement aux algorithmes de débruitage à voisinage local et plus précisément au filtre bilatéral. Nous proposons un filtre bilatéral pour la mosaïque de Bayer, adaptatif en fonction de la puissance du bruit dans les images. Dans la troisième partie, nous présentons l'implémentation, l'optimisation et la simulation de l'exécution des algorithmes de dématriçage et de réduction du bruit proposes. La plateforme d'implémentation est le processeur TriMedia TM3270 de NXP semiconductors. Nous montrons que nous arrivons à traiter des images de taille 5 méga-pixels en moins de 0,5 secondes et des images de résolution VGA à une cadence supérieure à 25 images par seconde. Finalement, pour des raisons de standardisation, de rapidité d'exécution et de consommation d'énergie, nous avons conçu une architecture dédiée à l'algorithme de dématriçage propose. Cette architecture permet de multiplier par 10 la rapidité d'exécution obtenue sur le processeur TriMedia TM3270

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l’utilisation de données de télédétection inédites pour le suivi des glaciers du massif du Mont Blanc : les images radar à synthèse d’ouverture Haute Résolution (HR) du satellite TerraSAR-X et les prises de vue HR d’un appareil photo numérique automatique. Cette thèse s’attache à montrer l’apport de ces sources d’informations hétérogènes pour mesurer le déplacement de surface des glaciers alpins. Dans cette optique, un examen des méthodes de mesure de déplacement spécifiques à chacun des deux types d’images est réalisé. Deux approches sont alors explorées : la mesure de déplacement monosource dans la géométrie propre à chaque capteur et la mesure de déplacement multisource via des combinaisons intra-capteur et inter-capteur. Alors que l’approche monosource fournit uniquement des mesures 2D du déplacement, les mesures multisources permettent pour la première fois d’estimer des champs de déplacement 3D de la surface des glaciers du Mont Blanc. Les mesures ont été réalisées sur plusieurs séries temporelles d’images couvrant la période 2008-2009 pour quatre glaciers du massif du Mont Blanc (Argentière, Mer de Glace/Leschaux, Bossons et Taconnaz). Dans le contexte du changement climatique, ces mesures de déplacement de surface fournissent une donnée intéressante en glaciologie pour contraindre les modèles numériques d’écoulement et d’évolution des glaciers. / The works presented in this PhD thesis focuses on the use of new remote sensing data for "massif du Mont Blanc" glaciers’ monitoring: High Resolution (HR) synthetic aperture radar images of TerraSAR-X satellite and HR shooting of the automatic digital camera. This thesis will show the contribution of this heterogeneous information to the measurement of the surface displacement of alpine glacier. For this purpose, a review of displacement measurement methods specific to each of the two types of image is proposed. Then two approaches are explored: the mono-source displacement measurement in the geometry for each sensor and the multi-source displacement measurement via intra-sensor and inter-sensor combinations. While the mono-source approach provides only 2D displacement measurements, multi-source measurements allow, for the first time, the estimation of 3D surface displacement fields of the Mont Blanc glaciers. The measurements were performed on several image time series covering the period 2008-2009 for four Mont Blanc glaciers (Argentière, Mer de Glace/Leschaux, Bossons et Taconnaz). In the context of global warming, these surface displacement measurements provide interesting data in the glaciology domain in order to constrain flow and evolution digital models.

Ces dernières années, les appareils photos/vidéos numériques grand public sont devenus omniprésents. On peut aujourd’hui trouver des systèmes de captures d’images dans toutes sortes d’appareils numériques comme les téléphones portables, les assistants personnels numériques etc. Malgré une augmentation croissante de la puissance et de la complexité de ces appareils, laqualité de la chaîne de capture d’image, composée du couple système optique/capteur est toujours contrainte à des limitations d’espace et de coût. Les défauts introduits sont nombreuxet dégradent considérablement la qualité des images produites : flou, déformations géométriques, artefacts de couleurs, effets de moire, bruits statiques et dynamiques, etc. Une idée intéressante est de corriger ces défauts de manière algorithmique en utilisant la puissance toujours croissante des architectures de traitements. Dans cette thèse nous nous intéressons particulièrement à deux problèmes issues de l’acquisition de l’image par le capteur : le dématriçage de la matrice de Bayer et la réduction du bruit. Dans la première partie, nous décrivons la structure générale de la chaîne de capture d’image dans les appareils photos/vidéos numériques. Nous présentons le rôle, le fonctionnement et les défauts introduits par chacun de ses éléments. Enfin, nous illustrons comment ces défauts peuvent être corriges par des traitements algorithmiques. Dans la deuxième partie, nous montrons comment l’information de couleur est introduite dans les capteurs numériques. Nous présentons ensuite un état de l’art des algorithmes de dématriçage. Un nouvel algorithme de reconstruction de la matrice de Bayer base sur le principe de l’interpolation directionnelle est propose. Il permet d’associer une qualité d’image produite sans artefacts avec une faible complexité de calculs. Pour mieux comprendre les comportements du bruit dans les capteurs numériques, nous énumérons ses différentes sources et leurs dépendances par rapport aux conditions de prises de vues. Apres avoir présenté l’état de l’art des méthodes de restauration des images bruitées, nous nous intéressons particulièrement aux algorithmes de débruitage à voisinage local et plus précisément au filtre bilatéral. Nous proposons un filtre bilatéral pour la mosaïque de Bayer, adaptatif en fonction de la puissance du bruit dans les images. Dans la troisième partie, nous présentons l’implémentation, l’optimisation et la simulation de l’exécution des algorithmes de dématriçage et de réduction du bruit proposes. La plateforme d’implémentation est le processeur TriMedia TM3270 de NXP semiconductors. Nous montrons que nous arrivons à traiter des images de taille 5 méga-pixels en moins de 0,5 secondes et des images de résolution VGA à une cadence supérieure à 25 images par seconde. Finalement, pour des raisons de standardisation, de rapidité d’exécution et de consommation d’énergie, nous avons conçu une architecture dédiée à l’algorithme de dématriçage propose. Cette architecture permet de multiplier par 10 la rapidité d’exécution obtenue sur le processeur TriMedia TM3270 / Digital cameras are now present everywhere. They are commonly included in portable digital devices such as mobile phones and personal digital assistants. In spite of constant improvements in terms of computing power and complexity, the digital imaging chain quality, including sensor and lenses system, is still limited by space and cost constraints. An important number of degradations are introduced by this chain that significantly decrease overall image quality : including blurring effects, geometric distortions, color artefacts, moiré effects, static and dynamic noise. Correcting these defects in an algorithmic way, using the increasing power of embedded processing architecture present in mobile phones and PDAs may appear like an interesting solution. In this thesis we are especially interested in reducing two major defects of the sensor acquisition chain : Bayer matrix demosaicing artefacts and photon noise. In the first part, we describe the general imaging chain commonly used in digital cameras and video devices. We show the function, the inner working and the defects introduced by each of its elements. Finally we exhibit possible ways to correct these defects using algorithmic solutions. In the second part, we introduce the principle of Bayer demosaicing. We present the state of the art and we propose a new method based on a directed interpolation principle. Our method yields a good image quality while retaining a low computational complexity. We then enumerate several noise sources present in imaging digital sensors and their dependencies with imaging conditions. We are particularly interested in local algorithms and more specifically in the bilateral filter. After presenting the state of the art in denoising algorithm, we propose a new adaptive bilateral filter for sensor colour mosaic denoising. In the third part, we present the implementation, the optimization and the execution simulation of the proposed demosaicing and denoising algorithms. The implementation target is the TM3270 TriMedia processor from NXP Semiconductors. We show that it is possible to process 5 megapixels images in less than 0.5 seconds and more than 25 images per second at VGA resolution. Finally, for standardization, execution speed and power consumption reasons, we describe a dedicated architecture for our proposed demosaicing algorithm. This architecture improves the execution speed by a factor of 10 compared to the TriMedia TM3270 processor