Avec l’augmentation du nombre de scanner et de la dose collective, le risque potentiel d’apparition d’effets stochastiques est accentué. Pour limiter au maximum ce risque, les principes de justification et d’optimisation doivent être appliqués avec rigueur. L’optimisation des pratiques a pour but de délivrer la dose la plus faible possible tout en conservant une qualité diagnostique des images. C’est une tâche complexe qui implique de trouver en permanence un compromis entre la dose délivrée et la qualité image résultante. Pour faciliter cette démarche, des évolutions technologiques ont été développées. Les deux évolutions majeures sont la modulation du courant du tube en fonction de l’atténuation du patient et l’apparition des reconstructions itératives (IR). L’introduction des IR a modifié les habitudes puisqu’elles permettent de conserver des indices de qualité image équivalents en réduisant les doses. Cependant, leurs utilisations s’accompagnent d’une modification de la composition et de la texture de l’image nécessitant d’utiliser des métriques adaptées pour les évaluer. Le but de cette thèse est d’évaluer l’impact d’une utilisation des IR sur la réduction de la dose et sur la qualité des images afin de proposer en routine pour tous les patients, des protocoles avec la dose la plus faible possible et une qualité image adaptée au diagnostic. La première partie de cette thèse est consacrée à une mise au point sur la problématique du compromis dose/qualité image en scanographie. Les métriques de qualité image et les indicateurs dosimétriques à utiliser, ainsi que le principe et l’apport des reconstructions itératives y sont exposés. La deuxième partie est consacrée à la description des trois étapes réalisées dans cette thèse pour atteindre les objectifs. La troisième partie est constituée d’une production scientifique de 7 articles. Le 1er article présente la méthodologie d’optimisation globale permettant la mise en place de protocoles Basses Doses en routine avec utilisation de niveaux modérés des IR. Le 2ème article évalue l’impact et l’apport sur la qualité des images obtenues pour des niveaux de doses très bas. Le 3ème et le 4ème article montrent l’intérêt d’adapter ou de proposer des protocoles optimisés selon la morphologie du patient. Enfin les 3 derniers articles, illustrent la mise en place de protocoles Très Basses Doses pour des structures ayant un fort contraste spontané. Pour ces protocoles les doses sont proches des examens radiographiques avec des niveaux élevés des IR. La démarche d’optimisation mise en place a permis de réduire considérablement les doses. Malgré une modification de la texture et de la composition des images, la qualité des images obtenues pour tous les protocoles était jugée satisfaisante pour le diagnostic par les radiologues. L’utilisation des IR en routine nécessite une évaluation particulière et un temps d’apprentissage pour les radiologues. / The increasing number of scanner and the cumulative dose delivered lead to potential risk of stochastic effects. To minimize this risk, optimization on CT usage should be rigorously employed. Optimization aims to deliver the lowest dose but maintaining image quality for an accurate diagnosis. This is a complex task, which requires setting up the compromise between the dose delivered and the resulting image quality. To achieve such goal, several CT technological evolutions have been developed. Two predominant developments are the Tube Current Modulation and the Iterative Reconstruction (IR). The former lays one patient's attenuation, the latter depend on advanced mathematical approaches. Using IR allows one to maintain equivalent image quality values by reducing the dose. However, it changes the composition and texture of the image and requires the use of appropriate metric to evaluate them. The aim of this thesis was to evaluate the impact of using IR on dose reduction and image quality in routine for all patients, protocols with the lowest dose delivered with an image quality suitable for diagnosis. The first part of the thesis addressed the compromise between dose delivered and image quality. Metrics of the image quality and the dosimetric indicators were applied as well the principle and the contribution of IRs were explored. The second part targets the description of the three steps performed in this thesis to achieve the objectives. The third part of the thesis consists of a scientific production of seven papers. The first paper presents the global optimization methodology for the establishment of low dose protocols in routine using moderate levels of IR. The second paper assesses the impact and contribution of IR to the image quality obtained to levels very low doses. The third and the fourth papers show the interest to adapt or propose protocols optimized according to patient's morphology. Finally the last three papers illustrate the development of Very Low Dose protocols for structures with high spontaneous contrast. For these protocols, doses are close to radiographic examinations with high levels of IR. The optimization process implementation has significantly doses reduction. Despite the change on the texture and on composition of the images, the quality of images obtained for all protocols was satisfactory for the diagnosis by radiologists. However, the use of routine IR requires special assessment and a learning time for radiologists.

Ces dernières années, la multiplication du nombre d’actes d’imagerie scanographique a eu pour conséquence l’augmentation de la dose collective due aux examens d’imagerie médicale. La dose au patient en imagerie scanographique est donc devenue un enjeu de santé publique majeur impliquant l’optimisation des protocoles d’examen, ces derniers devant tenir compte de la qualité image, indispensable aux radiologues pour poser leur diagnostic. En pratique clinique, l’optimisation est réalisée à partir d’indicateurs empiriques ne donnant pas accès à la dose aux organes et la qualité image est mesurée sur des fantômes spécifiques, tel que le fantôme CATPHAN®. Sans aucune information sur la dose aux organes et aucun outil pour prendre en compte l’avis du praticien, il est difficile d’optimiser correctement les protocoles. Le but de ce travail de thèse est de développer un outil qui permettra l’optimisation de la dose au patient tout en préservant la qualité image nécessaire au diagnostic. Ce travail est scindé en deux parties : (i) le développement d’un simulateur de dose Monte Carlo (MC) à partir du code PENELOPE, et (ii) l’estimation d’un critère de qualité image objectif. Dans ce but, le scanner GE VCT Lightspeed 64 a été modélisé à partir des informations fournies dans la note technique du constructeur et en adaptant la méthode proposée par Turner et al (Med. Phys. 36:2154-2164). Les mouvements axial et hélicoïdal du tube ont été implémentés dans l’outil MC. Pour améliorer l’efficacité de la simulation, les techniques de réduction de variance dites de splitting circulaire et longitudinal ont été utilisées. Ces deux réductions de variances permettent de reproduire le mouvement uniforme du tube le long de l’axe du scanner de manière discrète. La validation expérimentale de l’outil MC a été réalisée dans un premier temps en conditions homogènes avec un fantôme fabriqué au laboratoire et le fantôme CTDI, habituellement utilisé en routine clinique pour les contrôles qualité. Puis, la distribution de la dose absorbée dans le fantôme anthropomorphe CIRS ATOM, a été mesurée avec des détecteurs OSL et des films Gafchromic® XR-QA2. Ensuite, la dose aux organes a été simulée pour différentes acquisitions dans le fantôme femme de la CIPR 110 afin de créer une base de données utilisable en clinique. En parallèle, la qualité image a été étudiée en utilisant le fantôme CATPHAN® 600. A partir du module CTP 404, le rapport signal sur bruit (SNR pour signal to noise ratio) a été calculé en utilisant le modèle développé par Rose (J. Opt. Soc. Am. A 16:633-645). Un grand nombre d’images, correspondant à différents paramètres d’acquisition et de reconstruction, ont été analysées afin d’étudier les variations du SNR. Les acquisitions avec un SNR proche du critère de Rose ont été sélectionnées pour permettre des nouvelles acquisitions avec un fantôme préclinique contenant des petites structures suspectes en PMMA de différents diamètres. Ces images ont été analysées par deux radiologues expérimentés. Sur chaque image, ils devaient déterminer si une anomalie était présente ou non et indiquer leur niveau de confiance sur leur choix. Deux courbes ROC ont ainsi été obtenues : une pour les anomalies dites « détectables » par le critère de Rose (SNR > 5), et une pour les anomalies dites « non-détectables ». L’analyse des courbes montre que les deux radiologues détectent plus facilement les lésions suspectes lorsque que le critère de Rose est satisfait, démontrant le potentiel du modèle de Rose dans l’évaluation de la qualité image pour les tâches cliniques de détection. En conclusion, à partir des paramètres d’acquisition, la dose aux organes a été corrélée à des valeurs de SNR. Les premiers résultats prouvent qu’il est possible d’optimiser les protocoles en utilisant la dose aux organes et le critère de Rose, avec une réduction de la dose pouvant aller jusqu’à un facteur 6. / Due to the significant rise of computed tomography (CT) exams in the past few years and the increase of the collective dose due to medical exams, dose estimation in CT imaging has become a major public health issue. However dose optimization cannot be considered without taking into account the image quality which has to be good enough for radiologists. In clinical practice, optimization is obtained through empirical index and image quality using measurements performed on specific phantoms like the CATPHAN®. Based on this kind of information, it is thus difficult to correctly optimize protocols regarding organ doses and radiologist criteria. Therefore our goal is to develop a tool allowing the optimization of the patient dose while preserving the image quality needed for diagnosis. The work is divided into two main parts: (i) the development of a Monte Carlo dose simulator based on the PENELOPE code, and (ii) the assessment of an objective image quality criterion. For that purpose, the GE Lightspeed VCT 64 CT tube was modelled with information provided by the manufacturer technical note and by adapting the method proposed by Turner et al (Med. Phys. 36: 2154-2164). The axial and helical movements of the X-ray tube were then implemented into the MC tool. To improve the efficiency of the simulation, two variance reduction techniques were used: a circular and a translational splitting. The splitting algorithms allow a uniform particle distribution along the gantry path to simulate the continuous gantry motion in a discrete way. Validations were performed in homogeneous conditions using a home-made phantom and the well-known CTDI phantoms. Then, dose values were measured in CIRS ATOM anthropomorphic phantom using both optically stimulated luminescence dosimeters for point doses and XR-QA Gafchromic® films for relative dose maps. Comparisons between measured and simulated values enabled us to validate the MC tool used for dosimetric purposes. Finally, organ doses for several acquisition parameters into the ICRP 110 numerical female phantoms were simulated in order to build a dosimetric data base which could be used in clinical practice. In parallel to this work, image quality was first studied using the CATPHAN® 600. From the CTP 404 inserts, the signal-to-noise ratio (SNR) was then computed by using the classical Rose model (J. Opt. Soc. Am. A 16:633-645). An extensive number of images, linked to several acquisitions setups, were analyzed and SNR variations studied. Acquisitions with a SNR closed to the Rose criterion were selected. New acquisitions, based on those selected, were performed with a pre-clinical phantom containing suspect structures in PMMA. These images were presented to two senior radiologists. Both of them reviewed all images and indicated if they were able to locate the structures or not using a 5 confidence levels scale. Two ROC curves were plotted to compare the detection ability if the bead was detectable (SNR > 5) or not. Results revealed a significant difference between the two types of image and thus demonstrated the Rose criterion potential for image quality quantification in CT. Ultimately, organ dose estimations were linked to SNR values through acquisition parameters. Preliminary results proved that an optimization can be performed using the Rose criterion and organ dose estimation, leading to a dose reduction by a factor up to 6.

Contexte : Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent et le deuxième cancer le plus mortel chez la femme. Les techniques d'imagerie constituent un élément essentiel pour le dépistage, le diagnostic, la stadification et le traitement du cancer du sein. L'imagerie par résonance magnétique avec injection de produit de contraste (CE-MRI) est actuellement la technique d'imagerie standard pour la détection du développement vasculaire anormal et des prises de contraste des lésions mammaires. CE-MRI est cependant très coûteuse et peu disponible. De plus, sa résolution spatiale pourrait être insuffisante pour la détection de certains types de lésions, et ne permet pas d'imager les amas de microcalcifications. Le développement de l'angiomammographie double-énergie (CESM) a permis l'utilisation des produits de contraste intraveineux en clinique avec des appareils conventionnels de mammographie. Cependant, CESM est une technique de projection 2D et présente, par conséquence, des limites pour décrire la structure 3D interne des lésions et pour fournir une information fonctionnelle 3D précise.La tomosynthèse numérique du sein avec injection de produit de contraste (CE-DBT) et le scanner dédié du sein avec injection de produit de contraste (CE-bCT) sont deux techniques d'imagerie actuellement en investigation par des groupes de recherche académiques et industriels. Il est cependant anticipé que le potentiel quantitatif de la CE-DBT soit limité, en raison de la faible résolution en profondeur due à l'ouverture angulaire limitée de la DBT. CE-bCT, avec sa résolution spatiale quasi-isotrope et son intensité de signal proportionnelle au coefficient d'atténuation linéaire, est supposée offrir une information quantitative plus précise, bien qu'une utilisation à faible dose de radiation reste toujours un défi.Objectifs : L'objectif de cette thèse a été d'étudier la faisabilité de la méthode CE-bCT et sa capacité à détecter et localiser des tumeurs vascularisées, ainsi que d'offrir de l'information morphologique et fonctionnelle précise sur les tumeurs. Pour comprendre la valeur ajoutée de la CE-bCT par rapport à CE-DBT, le potentiel quantitatif des deux méthodes a également été comparé. Nos études ont été réalisées grâce à des simulations par ordinateur, validées par des mesures expérimentales.Méthodes : Dans un premier temps, une plateforme de simulation capable de modéliser différentes techniques d'imagerie du sein par rayons X, et fournissant des images radiographiques de fantômes numériques simples et complexes, a été implémentée et validée. Deuxièmement, une étude d'optimisation pour la technique CE-bCT basée sur une approche double-énergie a été réalisée, dans le but de maximiser la qualité des images équivalentes-iode ainsi que des images morphologiques. Enfin, le potentiel quantitatif des méthodes CE-bCT et CE-DBT a été comparé au travers de l'évaluation de la détectabilité, de la caractérisation, de la localisation et de la mesure de l'étendue 3D des lésions iodées. Dans une étude impliquant des observateurs humains, la détectabilité et la caractérisation des lésions iodées de différentes tailles, formes et concentrations ont été comparées entre CE-bCT et CE-DBT, grâce à l'utilisation d'un fantôme anthropomorphique numérique du sein.Conclusions : Les études de simulation menées pendant cette thèse suggèrent que le scanner dédié du sein avec injection de produit de contraste iodé pourrait être une technique réalisable pour la détection, localisation et caractérisation des tumeurs du sein, pour un niveau de dose comparable à une mammographie standard. Bien que les comparaisons préliminaires avec CE-DBT suggèrent une performance comparable sur la détection et caractérisation, l'information 3D complète combinée avec une haute résolution spatiale font de CE-bCT une évolution intéressante de CESM vers une évaluation quantitative 3D des prises de contraste, et une alternative potentielle à CE-MRI pour certaines indications cliniques. / Background: Worldwide, breast cancer is the most common cancer and second deadliest cancer in women. Diagnostic imaging techniques are a critical part for screening, diagnosis, tumor staging and cancer therapy of the breast. Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (CE-MRI) is the current standard imaging technique allowing detection of abnormal vascular development and lesion contrast uptake. CE-MRI is however very costly and not widely available. Moreover, its spatial resolution might not be sufficient to depict certain types of lesions including microcalcifications. The development of Contrast-Enhanced Spectral Mammography (CESM) has made the clinical use of intravenous contrast enhancement with conventional mammography possible. However, CESM is a 2D projection technique and therefore presents limitations to depict the 3D internal structures of lesions and to provide accurate quantitative 3D functional information.Contrast-Enhanced Digital Breast Tomosynthesis (CE-DBT) and dedicated Contrast-Enhanced Breast CT (CE-bCT) are two breast imaging modalities currently under investigation by academic and industrial research groups. It is however anticipated that the quantitative potential of CE-DBT is limited, due to the inherent low depth-resolution of limited opening angle DBT modality. CE-bCT with quasi-isotropic spatial resolution and voxel signal intensity proportional to the linear attenuation coefficient is believed to offer more accurate quantitative information, though a low-dose operation is still a challenge.Objectives: The purpose of this thesis has been to study the technical feasibility of CE-bCT and its potential to accurately depict and localize tumors, as well as to provide accurate quantitative morphological and functional imaging information about tumors, at low radiation dose levels. To understand the incremental value of CE-bCT over CE-DBT, the quantitative potential of both technologies have been compared. This investigation has been performed through computer simulations.Methods: At first, a simulation platform capable of modeling various X-ray breast imaging techniques and providing radiographic images of simple and complex computational phantoms was developed and validated. Secondly, an optimization study of a CE-bCT technique based on a dual-energy approach was performed, aiming to maximize image quality of iodine-enhanced and morphological images. Finally, the quantitative potential of CE-bCT and CE-DBT was compared through the assessment of iodine-enhanced lesion detectability, characterization, localization and 3D extent measurement. In a human observer study, depiction and characterization of iodine-enhanced lesions of different sizes, shapes and iodine uptakes was compared between CE-bCT and CE-DBT using a mesh-based anthropomorphic breast phantom.Conclusions: The simulation studies in this PhD thesis suggest that dual-energy iodine-injected CE-bCT could be a feasible technique for breast tumor depiction, localization and characterization, with dose levels comparable to standard mammography. While preliminary comparisons with CE-DBT suggests comparable depiction and characterization performance, the fully 3D information combined with high spatial resolution confirms CE-bCT as an interesting low-dose evolution of CESM toward 3D quantitative assessment of contrast uptakes and potential alternative to

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif d'extraire les différents segments informatifs au sein de séquences vidéo, plus particulièrement aériennes. L'interprétation manuelle de telles vidéos dans une optique de renseignement se heurte en effet au volume des données disponibles. Une assistance algorithmique fondée sur diverses modalités d'indexation est donc envisagée, dans l'objectif de repérer les "segments d'intérêt" et éviter un parcours intégral de la vidéo. Deux approches particulières ont été retenues et respectivement développées au sein de chaque partie. La partie 1 propose une utilisation des conditions de prise de vue (CPDV) comme modalités d'indexation. Une évaluation de la qualité image permet ainsi de filtrer les segments temporels de mauvaise qualité et donc inexploitables. La classification du mouvement image apparent directement lié au mouvement caméra, fournit une indexation de séquences vidéo en soulignant notamment les segments potentiels d'intérêt ou au contraire les segments difficiles présentant un mouvement très rapide ou oscillant. La partie 2 explore le contenu dynamique de la séquence vidéo, plus précisément la présence d'objets en mouvement. Une première approche locale en temps est présentée. Elle filtre les résultats d'une première classification par apprentissage supervisé en exploitant les informations de contexte, spatial puis sémantique. Différentes approches globales en temps sont par la suite explorées. De telles approches permettent de garantir la cohérence temporelle des résultats et réduire les fausses alarmes.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif d’extraire les différents segments informatifs au sein de séquences vidéo, plus particulièrement aériennes. L’interprétation manuelle de telles vidéos dans une optique de renseignement se heurte en effet au volume des données disponibles. Une assistance algorithmique fondée sur diverses modalités d’indexation est donc envisagée, dans l’objectif de repérer les "segments d’intérêt" et éviter un parcours intégral de la vidéo. Deux approches particulières ont été retenues et respectivement développées au sein de chaque partie. La partie 1 propose une utilisation des conditions de prise de vue (CPDV) comme modalités d’indexation. Une évaluation de la qualité image permet ainsi de filtrer les segments temporels de mauvaise qualité et donc inexploitables. La classification du mouvement image apparent directement lié au mouvement caméra, fournit une indexation de séquences vidéo en soulignant notamment les segments potentiels d’intérêt ou au contraire les segments difficiles présentant un mouvement très rapide ou oscillant. La partie 2 explore le contenu dynamique de la séquence vidéo, plus précisément la présence d’objets en mouvement. Une première approche locale en temps est présentée. Elle filtre les résultats d’une première classification par apprentissage supervisé en exploitant les informations de contexte, spatial puis sémantique. Différentes approches globales en temps sont par la suite explorées. De telles approches permettent de garantir la cohérence temporelle des résultats et réduire les fausses alarmes. / The objective of this thesis is to extract the informative temporal segments from video sequences, more particularly in aerial video. Manual interpretation of such videos for information gathering faces an ever growing volume of available data. We have thus considered an algorithmic assistance based on different modalities of indexation in order to locate "segments of interest" and avoid a complete visualization of the video. We have chosen two methods in particular and have respectively developed them in each part of this thesis. Part 1 describes how viewing conditions can be used as a method of indexation. The assessment of image quality enables to filter out the temporal segments for which the quality is low and which can thus not be exploited. The classification of global image motion, which is directly linked to camera motion, leads to a method of indexation for video sequences. Indeed, it emphasizes possible segments of interest or, conversely, difficult segments for which motion is very fast or oscillating. Part 2 focuses on the dynamic content of video sequences, especially the presence of moving objects. We first present a local (in time) approach. This approach refines the results obtained after a first classification by supervised learning by using contextual information, spatial then semantic information. We have then investigated several methods for moving object detection which are global in time. Such approaches aim to enforce the temporal consistency of the detected objects and to reduce false detections.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.