La régulation des gènes est fortement contrôlée afin d’assurer une large variété de types cellulaires ayant des fonctions spécifiques. Ces contrôles prennent place à différents niveaux et sont associés à différentes régions génomiques régulatrices. Il est donc essentiel de comprendre les mécanismes à la base des régulations géniques dans les différents types cellulaires, dans le but d’identifier les régulateurs clés. Plusieurs études tentent de mieux comprendre les mécanismes de régulation en modulant l’expression des gènes par des approches épigénétiques. Cependant, ces approches sont basées sur des données expérimentales limitées à quelques échantillons, et sont à la fois couteuses et chronophages. Par ailleurs, les constituants nécessaires à la régulation des gènes au niveau des séquences ne peut pas être capturées par ces approches. L’objectif principal de cette thèse est d’expliquer l’expression des ARNm en se basant uniquement sur les séquences d’ADN.Dans une première partie, nous utilisons le modèle de régression linéaire avec pénalisation Lasso pour prédire l’expression des gènes par l’intermédiaire des caractéristique de l’ADN comme la composition nucléotidique et les sites de fixation des facteurs de transcription. La précision de cette approche a été mesurée sur plusieurs données provenant de la base de donnée TCGA et nous avons trouvé des performances similaires aux modèles ajustés aux données expérimentales. Nous avons montré que la composition nucléotidique a un impact majeur sur l’expression des gènes. De plus, l’influence de chaque régions régulatrices est évaluée et l’effet du corps de gène, spécialement les introns semble être clé dans la prédiction de l’expression. En second partie, nous présentons une tentative d’amélioration des performances du modèle. D’abord, nous considérons inclure dans le modèles les interactions entres les différents variables et appliquer des transformations non linéaires sur les variables prédictives. Cela induit une légère augmentation des performances du modèles. Pour aller plus loin, des modèles d’apprentissage profond sont étudiés. Deux types de réseaux de neurones sont considérés : Les perceptrons multicouches et les réseaux de convolutions.Les paramètres de chaque neurone sont optimisés. Les performances des deux types de réseaux semblent être plus élevées que celles du modèle de régression linéaire pénalisée par Lasso. Les travaux de cette thèse nous ont permis (i) de démontrer l’existence des instructions au niveau de la séquence en relation avec l’expression des gènes, et (ii) de fournir différents cadres de travail basés sur des approches complémentaires. Des travaux complémentaires sont en cours en particulier sur le deep learning, dans le but de détecter des informations supplémentaires présentes dans les séquences. / Gene regulation is tightly controlled to ensure a wide variety of cell types and functions. These controls take place at different levels and are associated with different genomic regulatory regions. An actual challenge is to understand how the gene regulation machinery works in each cell type and to identify the most important regulators. Several studies attempt to understand the regulatory mechanisms by modeling gene expression using epigenetic marks. Nonetheless, these approaches rely on experimental data which are limited to some samples, costly and time-consuming. Besides, the important component of gene regulation based at the sequence level cannot be captured by these approaches. The main objective of this thesis is to explain mRNA expression based only on DNA sequences features. In a first work, we use Lasso penalized linear regression to predict gene expression using DNA features such as transcription factor binding site (motifs) and nucleotide compositions. We measured the accuracy of our approach on several data from the TCGA database and find similar performance as that of models fitted with experimental data. In addition, we show that nucleotide compositions of different regulatory regions have a major impact on gene expression. Furthermore, we rank the influence of each regulatory regions and show a strong effect of the gene body, especially introns.In a second part, we try to increase the performances of the model. We first consider adding interactions between nucleotide compositions and applying non-linear transformations on predictive variables. This induces a slight increase in model performances.To go one step further, we then learn deep neuronal networks. We consider two types of neural networks: multilayer perceptrons and convolution networks. Hyperparameters of each network are optimized. The performances of both types of networks appear slightly higher than those of a Lasso penalized linear model. In this thesis, we were able to (i) demonstrate the existence of sequence-level instructions for gene expression and (ii) provide different frameworks based on complementary approaches. Additional work is ongoing, in particular with the last direction based on deep learning, with the aim of detecting additional information present in the sequence.

Abstract: Nowadays, traffic analysis are relying on data collected from various traffic sensors. Among the various traffic surveillance techniques, video surveillance systems are often used for monitoring and characterizing traffic load. In this thesis, we focused on two aspects of traffic analysis without using motion features in low frame-rate videos: Traffic density flow analysis and Vehicle detection and classification. Traffic density flow analysis}: Knowing in real time when the traffic is fluid or when it jams is a key information to help authorities re-route vehicles and reduce congestion. Accurate and timely traffic flow information is strongly needed by individual travelers, the business sectors and government agencies. In this part, we investigated the possibility of monitoring highway traffic based on videos whose frame rate is too low to accurately estimate motion features. As we are focusing on analyzing traffic images and low frame-rate videos, traffic density is defined as the percentage of road being occupied by vehicles. In our previous work, we validated that traffic status is highly correlated to its texture features and that Convolutional Neural Networks (CNN) has the superiority of extracting discriminative texture features. We proposed several CNN models to segment traffic images into three different classes (road, car and background), classify traffic images into different categories (empty, fluid, heavy, jam) and predict traffic density without using any motion features. In order to generalize the model trained on a specific dataset to analyze new traffic scenes, we also proposed a novel transfer learning framework to do model adaptation. Vehicle detection and classification: The detection of vehicles pictured by traffic cameras is often the very first step of video surveillance systems, such as vehicle counting, tracking and retrieval. In this part, we explore different deep learning methods applied to vehicle detection and classification. Firstly, realizing the importance of large dataset for traffic analysis, we built and released the largest traffic dataset (MIO-TCD) in the world for vehicle localization and classification in collaboration with colleagues from Miovision inc. (Waterloo, On). With this dataset, we organized the Traffic Surveillance Workshop and Challenge in conjunction with CVPR 2017. Secondly, we evaluated several state-of-the-art deep learning methods for the classification and localization task on the MIO-TCD dataset. In light of the results, we may conclude that state-of-the-art deep learning methods exhibit a capacity to localize and recognize vehicle from a single video frame. While with a deep analysis of the results, we also identify scenarios for which state-of-the-art methods are still failing and propose concrete ideas for future work. Lastly, as saliency detection aims to highlight the most relevant objects in an image (e.g. vehicles in traffic scenes), we proposed a multi-resolution 4*5 grid CNN model for the salient object detection. The model enables near real-time high performance saliency detection. We also extend this model to do traffic analysis, experiment results show that our model can precisely segment foreground vehicles in traffic scenes. / De nos jours, l’analyse de trafic routier est de plus en plus automatisée et s’appuie sur des données issues de senseurs en tout genre. Parmi les approches d’analyse de trafic routier figurent les méthodes à base de vidéo. Les méthodes à base de vidéo ont pour but d’identifier et de reconnaître les objets en mouvement (généralement des voitures et des piétons) et de comprendre leur dynamique. Un des défis parmi les plus difficile à résoudre est d’analyser des séquences vidéo dont le nombre d’images par seconde est très faible. Ce type de situation est pourtant fréquent considérant qu’il est très difficile (voir impossible) de transmettre et de stocker sur un serveur un très grand nombre d’images issues de plusieurs caméras. Dans ce cas, les méthodes issues de l’état de l’art échouent car un faible nombre d’images par seconde ne permet pas d’extraire les caractéristiques vidéos utilisées par ces méthodes tels le flux optique, la détection de mouvement et le suivi de véhicules. Au cours de cette thèse, nous nous sommes concentré sur l’analyse de trafic routier à partir de séquences vidéo contenant un très faible nombre d’images par seconde. Plus particulièrement, nous nous sommes concentrés sur les problème d’estimation de la densité du trafic routier et de la classification de véhicules. Pour ce faire, nous avons proposé différents modèles à base de réseaux de neurones profonds (plus particulièrement des réseaux à convolution) ainsi que de nouvelles bases de données permettant d’entraîner les dits modèles. Parmi ces bases de données figure « MIO-TCD », la plus grosse base de données annotées au monde faite pour l’analyse de trafic routier.