Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse portent sur l'identification automatique de visages dans des images numériques. L'objectif est d'assigner à des visages-requêtes une identité parmi celles d'un ensemble de personnes connues. Pour cela, on cherche à extraire, pour chaque visage, un ensemble de descripteurs appelé signature qui lui soit spécifique, puis à définir un schéma de classification des signatures adapté à l'application visée. De nombreuses méthodes ont été proposées dans la littérature. Parmi les plus efficaces, on compte les techniques de projection statistique, dont le but est de fournir, par le biais d'une analyse multidimensionnelle des données, un espace de représentation plus adapté à la classification que l'espace initial des données. Ce travail reprend ce principe et propose de nouvelles techniques d'extraction de signatures basées sur l'Analyse Discriminante Linéaire qui, contrairement à la plupart des approches existantes, prennent en compte la structure bidimensionnelle des images de visages. Les méthodes proposées permettent de pallier les principaux désavantages des techniques usuelles. Elles contournent le problème de la singularité sans nécessiter l'ajout d'aucun paramètre et leur construction est moins coûteuse et instable. Un schéma original de classification des signatures ainsi obtenues, en monde fermé ou ouvert, est également introduit. Les techniques proposées sont évaluées et comparées aux approches usuelles selon des protocoles expérimentaux rigoureux. Les résultats ainsi obtenus montrent leurs très bonnes performances, et notamment une robustesse accrue vis-à-vis de changements de pose ou d'expression faciale et d'occultations partielles.

Cette thèse porte sur la classification automatique de sommeil humain et plus précisément le développement d'un système automatique de classification d'enregistrements polysomnographiques composés de trois signaux: EEG, EOG et EMG. Le système développé est conçu pour prendre en compte l'occurrence d'artéfacts polluant ces signaux en utilisant les caractéristiques les plus discriminantes issus de ces signaux.<br />La première partie de la thèse présente une procédure permettant l'identification automatique, sur des plages de signaux de 2 secondes, de 8 types d'artéfacts parmi les plus courants ainsi qu'une stratégie permettant d'évaluer la qualité globale d'un signal sur une période de 20 secondes. <br />Dans une deuxième partie, une méthode de sélection de caractéristiques est proposée puis appliquée sur une base de signaux, afin de sélectionner les caractéristiques qui serviront d'entrées au classifieur.<br />Enfin, en conséquence des deux premières parties, un système de classification automatique à deux étapes est proposé. Dans une première étape, un système de détection d'artéfacts permet de sélectionner les signaux ne présentant pas d'artéfacts au cours de l'epoch à classer. Dans la deuxième étape, les caractéristiques les plus discriminantes sont extraites et classées à l'aide d'un réseau de neurones sélectionné parmi un ensemble de quatre classifieurs, chaque classifieur utilisant des caractéristiques d'entrées extraites de combinaisons de signaux différentes. Le système proposé permet la classification des enregistrements de nuits de sommeil à partir de caractéristiques extraites de signaux non pollués par des artefacts, sans perdre un trop grand nombre d'epochs.

La détection de piéton est un problème récurrent depuis de nombreuses années. La principale confrontation est liée à la grande variabilité du piéton en échelle, posture et apparence. Un algorithme efficace de reconnaissance de formes doit donc être capable d'affronter ces difficultés. En particulier, le choix d'une représentation pertinente et discriminante est un sujet difficile à résoudre. Dans notrre cas, nous avons envisagé deux approches. La première consiste à représenter la forme d'un objet à l'aide de graphes étiquetés. Selon les étiquettes apportées, le graphe possède en effet des propriétés intéressantes pour résoudre les problèmes de variabilité de taille et de posture. Cette méthode nécessite cependant une segmentation rigoureuse au préalable. Nous avons ensuite étudié une représentation constituée d'histogrammes locaux d'orientation de gradient. Cette méthode présente des résultats intéressants par ses capacités de généralisation. L'application de cette méthode sur des images infrarouges complètes nécessite cependant une fonction permettant d'extraire des fenêtres dans l'image afin d'analyser leur contenu et vérifier ainsi la présence ou non de piétons. La deuxième étape du processus de reconnaissance de formes concerne l'analyse de la représentation des données. Nous utilisons pour cela le classifieur Support Vector Machine bâti, entre autres, sur une fonction noyau calculant le produit scalaire entre les données support et la donnée évaluée. Dans le cas des graphes, nous utilisons une formulation de noyau de graphes calculé sur des "sacs de chemins". Le but consiste à extraire un ensemble de chemins de chaque graphe puis de comparer les chemins entre eux et combiner les comparaisons pour obtenir le noyau final. Pour analyser les histogrammes de gradient, nous avons étudié différentes formulations permettant d'obtenir les meilleures performances avec cette représentation qui peut être assimilée à une distribution de probabilités.

La reconnaissance d'objets est l'un des domaines d'étude les plus actifs de la vision par ordinateur. Il faut distinguer la reconnaissance de catégories d'objets génériques (une voiture en général, un piéton en général) et la reconnaissance d'instances d'objets particuliers (la voiture de M. Dupont, M. Dupont lui-même). Cette thèse aborde les deux sujets. Nous utilisons pour cela des représentations d'objets par parties, ce qui signifie que l'image à analyser n'est pas considérée dans son ensemble de manière rigide, mais plutôt comme un ensemble de régions locales, ce qui apporte une grande robustesse à la reconnaissance. Nous nous intéressons spécifiquement à la reconnaissance d'objets décrits par sacs-demots. Cela signifie que les relations géométriques entre les régions locales décrivant une image sont ignorées. Nous étudions en particulier l'influence des différentes composantes de la classification d'images par sac-de-mots, et nous montrons que le facteur le plus influent est la quantité de régions locales sélectionnées, et pour cette raison nous proposons une sélection aléatoire et en grande quantité de régions locales dans les images à décrire. Dans le contexte de la thèse CIFRE effectuée en partenariat avec l'INRIA et Bertin Technologies, nous analysons la performance des méthodes sac-de-mots pour la reconnaissance des véhicules militaires en imagerie infra-rouge. Nous montrons que les paramètres algorithmiques se comportent comme en imagerie visible. Nous effectuons aussi une étude des paramètres opérationnels, telle que la distance cible-caméra, et montrons que les paramètres sensibles sont les occultations et la présence de fond texturé quand les cibles sont détourées avec une faible précision. Nous étudions aussi le compromis entre performance et temps de calcul, et proposons une méthode de sélection de primitives adaptées aux classifieurs hiérarchiquesmulti-classes, qui fournissent un meilleur compromis performance / temps de calcul que la selection de primitives pour classifieurs plats. Les trois études précédentes traitent de la reconnaissance de catégories d'objets. Nous nous intéressons aussi à la reconnaissance d'instances d'objets, et proposons une mesure de similarité destinée à des instances d'objets jamais vus lors d'une phase d'apprentissage. Cette mesure est basée sur la quantification par des arbres extrêmement aléatoires de paires de régions locales correspondantes sélectionnées dans les deux images à comparer. Toutes ces études sont validées par des expérimentations importantes sur des bases de données publiques, et nous obtenons à chaque fois des résultats aussi bons, sinon meilleurs, que ceux de l'état de l'art.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est de poser les fondements d'une formalisation qui permettrait, d'une part la description d'une représentation numérique de terrain dans un langage intelligible à destination d'observateurs localisés au sol et, d'autre part, de faciliter les échanges entre des communautés scientifiques disposant de corpus sémantiques différents.<br />Nous cherchons à décrire une silhouette - i.e., une coupe de terrain ou la séparation terre/ciel à l'horizon - selon la perception que peut en avoir un observateur. Nous introduisons un modèle, fondé sur une approche qualitative, qui consiste à décrire une silhouette par une séquence de symboles signifiants. L'utilisateur ayant la possibilité de définir ses propres catégories, le modèle possède la capacité de s'adapter à différents contextes.<br />L'originalité de notre modèle repose dans la méthode de détection des formes significatives. Nous nous ecartons volontairement des méthodes numériques généralement utilisées dans les systèmes de détection ou de reconnaissance de forme. Nous considérons que la perception d'une forme particulière de relief est contingente de la perception de saillances, définies ici comme des points qualitativement remarquables. La description d'une silhouette inclut les relations topologiques qui relient les formes de relief détectées. Afin de tenir compte de l'imprécision des frontières des formes de relief, nous proposons une extension de la méthode 9-intersection. Les relations méréologiques, quant à elles, nous sont utiles pour dériver des représentations à différents niveaux d'abstraction.<br />Nous avons implanté le modèle en Java. Le prototype réealisé permet de définir des catégories, d'analyser des silhouettes, de déterminer les relations topologiques qui lient les formes détectées et d'obtenir une description à différents niveaux d'abstraction.<br />Cette thèse a bénéficié du soutien financier de la Région Bretagne.

Nous étudions le problème fondamental de la sélection de variables descriptives d'un signal, sélection dédiée à divers traitements comme la classification d'objets dans une image. Nous définissons dans un premier temps une loi de probabilités sur les variables descriptives du signal et utilisons un algorithme de descente de gradient, exact puis stochastique pour identifier la bonne distribution de probabilités sur ces variables. Nous donnons alors diverses applications à la classification d'objets (chiffres manuscrits, détection de visages, de spam, ...).<br /> Dans un second temps, nous implémentons un algorithme de diffusion réfléchie sur l'espace des probabilités puis de diffusion réfléchie avec sauts pour permettre plus facilement de faire évoluer l'espace des variables, ainsi que la probabilité apprise. Cette seconde approche nécessite un effort particulier au niveau des simulations stochastiques, qui sont alors étudiées le plus clairement possible.<br />Nous concluons par quelques expériences dans les mêmes domaines que précédemment.

Découverte de motifs variables dans les grandes volumes de données audio. Les données audio, comme les documents oraux ou télévisés ou les données radio, sont composées par de nombreux sequences variables qui se répètent. La découverte de l'emplacement de ces répétitions, ci-après dénommé motifs, aide à déduire les propriétés structurelles de données acoustiques, ce qui facilite l'accès à la partie pertinente des données, et qui permets de résumér des grands documents par un ensemble de quelques éléments particuliers. Cette thèse détails nos efforts dans la conception et la mise en oeuvre d'une architecture non supervisée de découverte de motifs, et montres son applicabilité dans une tâche de decouverte des mots et des segments peu variables comme des chansons. En ce qui concerne la méthodologie, la découverte est réalisée d'une manière totalement non supervisée, ce qui signifie que aucune connaissance acoustiques ou linguistiques sur les données est fournie. Notre solution est basée sur l'intégration d'une technique de traitement de données séquentielle qui exploits la répétitivité local du motifs réel, et une variante segmentale de l'alignement temporel dynamique. En s'appuyant sur cette architecture, une technique pour la comparaison de sequences basée sur leurs matrices d autosimilarité de est introduite, pour améliorer la robustesse à la variabilité du signal de parole. En outre, l'applicabilité du système est démontrée sur une tâche de découverte de chansons sur plusieurs jours de flux audio. Pour adapter le système à cette tâche, des techniques pour accélérer le temps de calcul sont mises en oeuvre, basées sur le sous-échantillonnage des séquences.

Les travaux de cette thèse se situent dans la cadre des approches structurelles pour la recon- naissance de formes. Plus précisément, nous avons porté notre choix sur les graphes. Le choix de la représentation structurelle est justifié par la grande capacité représentative des graphes par rapport à la représentation statistique (i.e. vecteurs). La première étape qui intervient dans l'étude de l'application des graphes dans le domaine des images est de définir une stratégie d'extraction de graphes représentatives d'images. Ensuite, il faut définir des fonctions néces- saires à la manipulation des bases de graphes. L'une des fonctions cruciales pour manipuler les graphes est la fonction de calcul des distances entre les graphes. En effet, le calcul de distances entre les graphes est un problème ouvert dans la littérature. De plus, il est considéré comme NP-complet. La plupart des solutions proposées dans la littérature présentent différentes limites d'utilisation telle que la taille des graphes, la prise en compte d'attributs, le temps de calcul. Outre la distance, le domaine des graphes souffre d'un manque d'algorithmes de classification (non-)supervisée appropriés. Dans ce sens, cette thèse présente un ensemble de contributions dont l'objectif est l'indexation de graphes. En premier lieu, nous montrons expérimentalement que choix de la représentation sous forme de graphes a un impact sur les performances. Ensuite, nous proposons une nouvelle approximation de la distance d'édition de graphes basée sur la no- tion de signature de noeuds. Nous introduisons aussi un algorithme de plongement de graphes. Cet algorithme consiste à représenter chaque graphe par un vecteur dans un espace euclidien. Ceci nous permet d'appliquer les algorithmes de classification des vecteurs sur les graphes par le biais du plongement. Dans le domaine de la classification non-supervisée (clustering), nous proposons un nouvel algorithme basé sur la notion du graphe médian et la notion du mean-shift. Enfin, nous proposons, une nouvelle méthode d'indexation de graphes basée sur la structure d'hypergraphe. Cette méthode permet aussi bien l'indexation que la navigation dans une base d'images représentées sous forme de graphes.

Les méthodes de classification automatiques sont un outil important de nos jours pour identifier différentes données et étudier leurs propriétés. On retrouve aujourd'hui l'utilisation des réseaux de neurones en tant que classifieurs dans plusieurs domaines d'application, notamment, le dépistage du cancer du sein. En effet, dans cet axe de recherche, beaucoup de travaux ont été réalisés en employant une approche neuronale pour la reconnaissance de formes et ont abouti à des résultats intéressants. Ceci étant, chaque modèle de réseau de neurones diffère d'un autre de par ses paramètres expérimentaux, sa complexité d'implantation et son domaine d'applicabilité. Ainsi, chaque modèle possède ses avantages et ses inconvénients, faisant qu'il soit plus approprié pour une tâche donnée qu'un autre. Dans (Freeman 1987, Freeman et al., 1988) des expérimentations electrophysiologiques ont été réalisées sur des lapins prouvant l'existence de la dynamique chaotique dans les neurones réels. Depuis les années quatre-vingts, les réseaux de neurones chaotiques ont été le centre d'intérêt de plusieurs travaux en raison de leur dynamique complexe et leur application potentielle dans la dynamique associative, l'optimisation, et le traitement de l'information (Adachi et Aihara, 1997 ; Aihara et al., 1990 ; Tokuda et al., 1997). Dans cette optique, on s'intéresse dans ce travail à étudier la performance d'un modèle de réseau de neurones chaotique sur une tâche de classification reliée à la détection du cancer du sein. À cet effet, on procède dans un premier temps à la revue critique de certains travaux portant sur le sujet et qui ont été rapportés dans la littérature, de manière à situer le travail par rapport à ces travaux et mettre en évidence les contributions qu'il permet. Une étude comparative est ensuite établie où l'on met en avant les avantages d'utiliser une mémoire associative bidirectionnelle chaotique pour le travail de classification, relativement à deux modèles de réseau de neurones classiques, à savoir, une mémoire associative bidirectionnelle standard et un réseau multicouche à rétropropagation d'erreur.