Ce projet de recherche a pour objectif d'évaluer le potentiel des capteurs acoustiques sousmarins, tout particulièrement la caméra DIDSON, dans l'inspection des infrastructures portuaires et ceci à travers la conception et le développement d'une méthode permettant la détection et la caractérisation des défauts sur les infrastructures portuaires à partir d'images acoustiques. L'approche mise en oeuvre s'articule autour de deux principaux axes: le premier est dédié à l'amélioration et au dé-bruitage des images; le second concerne la caractérisation et l'extraction des éléments représentant potentiellement des défauts sur les infrastructures portuaires. L'amélioration de la qualité des images s'est appuyée sur les caractéristiques d'acquisition de la caméra DIDSON. La détection et la caractérisation des défauts ont été effectuées selon une approche de segmentation des images et une analyse en composantes connexes. Les premières évaluations des résultats démontrent le potentiel de l'approche pour l'exploitation des données acoustiques dans l'inspection des installations portuaires.

Dans ce travail, on développe plusieurs méthodes de mesure en ligne et non-intrusives basées sur l'utilisation de la méthode de traitement d'images et qui visent à quantifier la qualité du mélange: matrices de co-occurrence des niveaux de gris (GLCM), méthode de seuillage (tons de gris) et la méthode de couleur RGB. Cette qualité de mélange peut être atteinte en jouant sur des aspects dynamiques liés aux mécanismes qui président la mise en mouvement des particules. Ces mécanismes sont le fait, non seulement des propriétés d'écoulement des particules, mais aussi des conditions d'opération du mélangeur. Ceci a été confirmé par une étude comparative de l'état de mélange de plusieurs milieux granulaires (polymère, verre et bois) tout en se basant sur l'effet de la taille des particules, du nombre de Froude, de la charge de remplissage du mélangeur, de la concentration des constituants et par l'effet de la forme et de l'état de surface des particules selon le coefficient de frottement et la densité des particules. La ségrégation axiale a aussi été abordée en déterminant l'effet du rapport des diamètres des particules, la concentration des petites particules, la longueur du cylindre et son diamètre. Finalement, des modèles sont proposés afin de suivre le comportement du mélange en fonction du temps.

Le persillage (gras intramusculaire) dans la viande de boeuf est l'un des critères les plus importants pour l'évaluation de la qualité, notamment sa jutosité, dans les systèmes de classification de la viande. Le processus chimique, méthode destructive, est l'unique moyen officiellement utilisé pour évaluer la proportion du persillage dans la viande. C'est une méthode destructive, complexe et qui n'offre aucune information sur la distribution du persillage dans la viande. Cette thèse porte sur le développement d'une méthode originale destinée à l'évaluation non-destructive de la proportion volumétrique du persillage dans la viande du boeuf. Cette nouvelle méthode, qui pourrait être intégrée dans un système de vision artificielle (machine vision), est une première expérience pour ce genre d'application. À notre meilleure connaissance, aucune méthode semblable n'a été élaborée. De ces travaux de doctorat quatre contributions sont identifiées: la technique proposée, deux méthodes de segmentation d'images et une méthode non-destructive pour estimer la proportion volumétrique du persillage. La technique proposée permet d'avoir deux types d'images : une visible qui illustre la surface de la viande et une proche infrarouge qui est la projection orthogonale de l'échantillon de la viande (3D) en une image d'ombre (2D). Compte tenu de la complexité d'analyse des images, nous avons développé une méthode efficace de segmentation permettant d'identifier les régions homogènes les plus (ou les moins) claires dans une image à niveaux de gris. Cette méthode, qui est relativement générale, est basée sur un modèle mathématique permettant d'évaluer l'homogénéité des régions, qui lui-même a été introduit dans cette thèse. La généralisation de cette méthode pour la segmentation du persillage a démontré des résultats satisfaisants face aux objectifs attendus. Étant donné, que la forme volumétrique du persillage est aléatoire et que celle-ci dépend de la façon dont le persillage est déposé entre les fibres musculaires, ce qui est imprévisible, nous avons combiné les résultats de la segmentation de deux types d'images pour estimer le volume du persillage. L'intégration de l'ensemble des approches précédentes nous a permis de développer une nouvelle méthode non-destructive pour estimer la proportion volumétrique du persillage. Les résultats obtenus par la méthode proposée (non-destructive) ont été comparés aux résultats obtenus par une méthode chimique (destructive) comme étant la vérité-terrain (gold standard). Les résultats expérimentaux confirment les propriétés attendues de la méthode proposée et ils illustrent la qualité des résultats obtenus.

L'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à l'aide d'algorithmes de vision artificielle a récemment suscité beaucoup d'intérêt dans les domaines d'applications médicales et de surveillance. Il y a en effet plusieurs avantages à utiliser des algorithmes de vision artificielle pour faire l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes. Par exemple, la démarche d'une personne peut être analysée et modélisée de loin en observant la personne à l'aide d'une caméra, ce qui ne requiert pas le placement de marqueurs ou de senseurs sur la personne. De plus, la coopération des personnes observées n'est pas requise, ce qui permet d'utiliser la démarche des personnes comme un facteur d'identification biométrique dans les systèmes de surveillance automatique. Les méthodes d'analyse et de modélisation de la démarche existantes comportent toutefois plusieurs limitations. Plusieurs de ces méthodes nécessitent une vue de profil des personnes puisque ce point de vue est optimal pour l'analyse et la modélisation de la démarche. La plupart de ces méthodes supposent également une distance assez grande entre les personnes et la caméra afin de limiter les effets néfastes que la projection de perspective a sur l'analyse et la modélisation de la démarche. Par ailleurs, ces méthodes ne gèrent pas les changements de direction et de vitesse dans les marches. Cela limite grandement les marches pouvant être analysées et modélisées dans les applications médicales et les applications de surveillance. L'approche proposée dans cette thèse permet d'effectuer l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes à partir de marches et de points de vue non contraints. L'approche proposée est principalement constituée d'une méthode de rectification du point de vue qui permet de générer une vue fronto-parallèle (vue de profil) de la trajectoire imagée des membres d'une personne. Cette méthode de rectification de la vue est basée sur un modèle de marche novateur qui utilise la géométrie projective pour faire les liens spatio-temporels entre la position des membres dans la scène et leur contrepartie dans les images provenant d'une caméra. La tête et les pieds sont les seuls membres nécessaires à l'approche proposée dans cette thèse. La position et le suivi de ces membres sont automatiquement effectués par un algorithme de suivi des membres développé dans le cadre de cette thèse. L'analyse de la démarche est effectuée par une nouvelle méthode qui extrait des caractéristiques de la démarche à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Un nouveau modèle de la démarche basé sur la trajectoire rectifiée des membres est proposé afin de permettre la modélisation et la comparaison de la démarche en utilisant les caractéristiques dynamiques de la démarche. L'approche proposée dans cette thèse est premièrement validée à l'aide de marches synthétiques comprenant plusieurs points de vue différents ainsi que des changements de direction. Les résultats de cette étape de validation montrent que la méthode de rectification de la vue fonctionne correctement, et qu'il est possible d'extraire des caractéristiques de la démarche valides à partir de la trajectoire rectifiée des membres. Par la suite, l'analyse, la modélisation et la comparaison de la démarche de personnes sont effectuées sur des marches réelles qui ont été acquises dans le cadre de cette thèse. Ces marches sont particulièrement difficiles à analyser et à modéliser puisqu'elles ont été effectuées près de la caméra et qu'elles comportent des changements de direction et de vitesse. Les résultats d'analyse de la démarche confirment que les caractéristiques de la démarche obtenues à l'aide de la méthode proposée sont réalistes et sont en accord avec les résultats présentés dans les études cliniques de la démarche. Les résultats de modélisation et de comparaison de la démarche démontrent qu'il est possible d'utiliser la méthode proposée pour reconnaître des personnes par leur démarche dans le contexte des applications de surveillance. Les taux de reconnaissance obtenus sont bons considérant la complexité des marches utilisées dans cette thèse. / Gait analysis, modelling and comparison using computer vision algorithms has recently attracted much attention for medical and surveillance applications. Analyzing and modelling a person's gait with computer vision algorithms has indeed some interesting advantages over more traditional biometrics. For instance, gait can be analyzed and modelled at a distance by observing the person with a camera, which means that no markers or sensors have to be worn by the person. Moreover, gait analysis and modelling using computer vision algorithms does not require the cooperation of the observed people, which thus allows for using gait as a biometric in surveillance applications. Current gait analysis and modelling approaches have however severe limitations. For instance, several approaches require a side view of the walks since this viewpoint is optimal for gait analysis and modelling. Most approaches also require the walks to be observed far enough from the camera in order to avoid perspective distortion effects that would badly affect the resulting gait analyses and models. Moreover, current approaches do not allow for changes in walk direction and in walking speed, which greatly constraints the walks that can be analyzed and modelled in medical and surveillance applications. The approach proposed in this thesis aims at performing gait analysis, modelling and comparison from unconstrained walks and viewpoints in medical and surveillance applications. The proposed approach mainly consists in a novel view-rectification method that generates a fronto-parallel viewpoint (side view) of the imaged trajectories of body parts. The view-rectification method is based on a novel walk model that uses projective geometry to provide the spatio-temporal links between the body-part positions in the scene and their corresponding positions in the images. The head and the feet are the only body parts that are relevant for the proposed approach. They are automatically localized and tracked in monocular video sequences using a novel body parts tracking algorithm. Gait analysis is performed by a novel method that extracts standard gait measurements from the view-rectified body-part trajectories. A novel gait model based on body-part trajectories is also proposed in order to perform gait modelling and comparison using the dynamics of the gait. The proposed approach is first validated using synthetic walks comprising different viewpoints and changes in the walk direction. The validation results shows that the proposed view-rectification method works well, that is, valid gait measurements can be extracted from the view-rectified body-part trajectories. Next, gait analysis, modelling, and comparison is performed on real walks acquired as part of this thesis. These walks are challenging since they were performed close to the camera and contain changes in walk direction and in walking speed. The results first show that the obtained gait measurements are realistic and correspond to the gait measurements found in references on clinical gait analysis. The gait comparison results then show that the proposed approach can be used to perform gait modelling and comparison in the context of surveillance applications by recognizing people by their gait. The computed recognition rates are quite good considering the challenging walks used in this thesis.

La thèse présentée a été effectuée en cotutelle entre l'Institut Polytechnique de Grenoble et l'université Laval à Québec. Les travaux ont impliqué les laboratoires universitaire GIPSA-lab à Grenoble et le Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques de l'Université Laval (LVSN). Notre étude porte sur la segmentation des contours internes et externes des lèvres. L'objectif visé dans notre étude est de proposer un ensemble de méthodes permettant de modéliser précisément la zone de la bouche avec la meilleure robustesse possible. Par robustesse, notre [sic] entendons obtenir une méthode fiable qui ne nécessite pas de réglage de paramètres et qui permette une segmentation fidèle des contours externes et internes de la bouche. Dans un premier temps, une approche combinée région-contour est introduite dans le but d'obtenir une segmentation multi-locuteur de la bouche sur des images de visage en couleurs. Nous décrivons une approche par décorrélation permettant d'augmenter le contraste entre la peau et les lèvres sur des images en couleurs ainsi qu'une étude sur les gradients multi-échelles pour améliorer la robustesse de la modélisation des contours de la bouche. Ensuite nous présentons notre méthode de localisation et de segmentation région-contour de la bouche sur des images de visage en couleurs. Dans un second temps nous nous sommes intéressés à la détection de l'état de la bouche. L'étape de détection de l'état de la bouche est nécessaire à la modélisation de la région interne qui présente une grande variabilité de forme et de texture. Une approche bioinspirée, basée sur un modèle de rétine et de cortex visuel conduisant au calcul d'un spectre Log-polaire, a été développée pour modéliser la zone de la bouche. Ces spectres sont, ensuite, utilisés pour entraîner un réseau SVM destiné à identifier l'état de la bouche. D'autre part, de nombreux auteurs ont suggéré d'utiliser la modalité infrarouge en analyse faciale. Le LVSN possédant une solide expertise dans le domaine de la vision infrarouge, une étude sur la pertinence de la modalité infrarouge dans le cadre de la segmentation des lèvres est proposée. Après avoir localisé la bouche et identifié l'état de la bouche, nous nous intéressons alors à la segmentation des contours externes et internes de la bouche. Un modèle polynomial de contour externe, dont la complexité sera automatiquement adaptée en fonction de la bouche traitée, est présenté. L'aspect de la zone interne de la bouche pouvant varier très rapidement, l'extraction du contour interne est particulièrement difficile. Nous proposons de traiter ce problème par une méthode de classification non-supervisée pour sélectionner les régions internes de la bouche. La méthode de modélisation de contour par un modèle polynomial est par la suite appliquée pour extraire le contour interne de la bouche. Enfin, une analyse quantitative de la performance globale de l'extraction des contours internes et externes est réalisée par comparaison avec des vérités-terrain.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / L'analyse de mouvements par un système de vision numérique fait l'objet de plusieurs recherches depuis quelques années et plusieurs y ont déjà apporté des solutions intéressantes. Toutefois, dans un bon nombre de ces recherches, les solutions proposées fonctionnent sous l'hypothèse que la séquence vidéo analysée ne comporte qu'un seul mouvement, cyclique ou non cyclique, aussi appelé activité. Par contre, dans une application réelle d'analyse de mouvements, qu'il s'agisse d'un système de surveillance automatisé, d'un système produisant automatiquement des résumés de bandes vidéo ou autre, les séquences vidéo analysées peuvent comporter un grand nombre d'activités exécutées les unes après les autres, entrecoupées ou non de pauses. Dans ce contexte, cet ouvrage propose, analyse et compare plusieurs variantes d'une méthode visant à extraire automatiquement les mouvements cycliques d'une séquence vidéo. Dans un premier temps, on y présente le problème sous-jacent qu'est la segmentation des parties cycliques d'un signal et on y propose des solutions. Dans un second temps, on y traite du problème de représentation des mouvements par des signaux et de la fusion des segmentations obtenues sur ces signaux. La méthode présentée utilise l'information fournie par un modèle de squelette représentant l'évolution temporelle d'un être humain dans la séquence vidéo. Elle s'applique à n'importe quel format de squelette décrit en terme de joints reliés par des segments de droite et ne requiert aucune connaissance a priori sur les mouvements effectués. / Automated motion analysis and recognition has been the object of numerous researches for a good number of years now. Many of these researches generated interesting solutions to the problem, many of which requires that the analyzed video sequence contains a single cyclic or non-cyclic motion, also referred to as an activity. This hypothesis is however not consistent with many real life applications where such algorithms could be of use. For instance, automated surveillance Systems, automated video summarizers or other such applications would evidently need to process video sequences containing more than one activity, potentially interleaved with pauses. In this regard, this dissertation presents, analyses and compares many variations of a general approach to the problem of extracting single cyclic activities from video sequences. To that end, we first address the underlying problem of cyclic component segmentation from one-dimensional signals. We then address the problem of motion representation through such signals and the problem of merging a number of signal segmentations in order to obtain a single segmentation coherent with the activity content of the original video sequence. The method therein presented uses the information provided by a skeleton sequence representing the motion of a human subject. This method can be applied to any type of skeleton described by nodes linked by straight edges. Moreover, no prior knowledge of the activities to be segmented is required.

The objective of this thesis is to provide an improved characterization of porous scaffolds. A more focused objective is to provide a computational model simulating the cell mediated resorption process of resorbable bone substitutes. The thesis is structured in three scientific manuscripts. The first manuscript used fuzzy-based image treatment methods to analyse images generated by micro-computed tomography. From the literature, it is known that the fuzzy-based method helps to improve the accuracy of the characterization, in particular for scaffolds featuring a relatively small pore size. In addition, a new algorithm was introduced to determine both pore and interconnection sizes. The surface area of bone substitutes was quantified by using marching cube algorithm. Besides, the so-called Lattice Boltzmann method was used to characterize the permeability of the investigated scaffolds. Scaffolds made of [béta]-tricalcium phosphate ([béta]-Ca[subscript 3](PO[subscript 4])[subscript 2]) and presenting a constant porosity and four variable pore sizes were examined. The average pore size (diameter) of the four bone substitute groups (denominated with a letter from group A to D) was measured to be 170.3«1.7, 217.3«5.2, 415.8«18.8 and 972.3«10.9 [micro]m. Despite this significant change in pore size, the pore interconnection size only increased slightly, in the range of 61.7 to 85.2 [micro]m. The average porosity of the four groups was 52.3«1.5 %. The surface density of scaffolds decreased from 11.5 to 3.3 mm[superscript -1], when the pore size increased. The results revealed that the permeability of scaffolds is in the same order of magnitude and increased from 1.1?10[superscript -10] to 4.1?10[superscript -10] m[superscript 2] with increasing the pore size. The second manuscript was devoted to the use of subvoxelization algorithm and high-resolution scanner, in an attempt to further improve the accuracy of the results, in particular, of the small pore scaffolds. As expected, an increase of the image resolution from 15 to 7.5 [micro]m significantly eased the segmentation process and hence improved scaffold characterization. Subvoxelization also improved the results specifically in terms of interconnection sizes. Specifically, much smaller interconnection sizes were yielded after applying the subvoxelization process. For example, the mean interconnection size of small pore size groups, group A and B, dropped from 63 to 20 and 30 [micro]m, respectively. Furthermore, due to more details obtained from subvoxelization and high-resolution scanning, additional effects so called"boundary effects" were observed. The boundary effects can yield misleading results in terms of interconnection sizes. The means to reduce these effects were proposed. The third manuscript focused on the simulation and understanding of cell mediated resorption of bone graft substitutes. A computer model was developed to simulate the resorption process of four bone substitute groups. [mu]CT data and new"image processing" tools such as labelling and skeletonization were combined in an algorithm to perform the steps of resorption simulation algorithm. The proposed algorithm was verified by comparing simulation results with the analytical results of a simple geometry and biological in vivo data of bone substitutes. A correlation coefficient between the simulation results and both analytical and experimental data, was found to be larger than 0.9. Local resorption process revealed faster resorption in external region specifically at earlier resorption time. This finding is in agreement with the in vivo results. Two definitions were introduced to estimate the resorption rate; volume resorption rate and linear resorption rate. The volume resorption rate was proportional to accessible surface and decreased when the pore size increased, while the linear resorption rate was proportional to thickness of material and increased with increasing the pore size. In addition, the simulation results revealed no effect of resorption direction on resorption behaviour of substitutes. However, the resorption rate of small pore size samples was decreased with increasing the minimum interconnection size required for cell ingrowth, to 100 [micro]m. This thesis combined novel"image processing" tools and subvoxelization method to improve the characterization of porous bone substitutes used in the bone repair process. The improved characterization allowed a more accurate simulation process. The simulation data were consistent with previously obtained biological data of the same group and allows understanding the local resorption process. The available tools and results are expected to help with the design of optimal substitute for bone repair."--Résumé abrégé par UMI.

La convection joue un rôle important dans le cycle de l'eau et de l'énergie des régions tropicales. Cette thèse s'intéresse à l'étude des systèmes convectifs dans les moussons africaines et indiennes par l'utilisation des observations issues de satellites météorologiques. Dans un premier temps, un nouvel algorithme appelé TOOCAN fondé sur une segmentation de l'imagerie IR en 3 dimensions (image+temps) a été développé dans le but de suivre de manière objective et automatique les systèmes convectifs. Cette nouvelle technique améliore la caractérisation de l'évolution du bouclier nuageux associé aux systèmes convectifs au cours de leur cycle de vie. Des composites des structures précipitantes au cours du cycle de vie du système nuageux organisé sont alors construits en fusionnant les données des satellites géostationnaires avec des estimations de précipitation issues des mesures micro-ondes à bord des satellites défilant. Ces techniques ont été appliquées aux données IR des satellites METEOSAT et aux données micro-ondes du satellite TRMM sur plusieurs saisons de mousson (JJAS 2002-2004) en Afrique de l'ouest et en Inde. Les résultats montrent que l'évolution temporelle de la nébulosité froide des systèmes convectifs est symétrique, avec une phase de croissance et de décroissance sur l'ensemble de la région d'étude. Il est aussi montré que les paramètres contraignants de ce modèle conceptuel de cycle de vie du nuage convectif sont fortement corrélés entre eux diminuant ainsi le nombre de degré de liberté du problème. L'utilisation de la méthode de fusion de données, permet de décrire l'évolution de la fraction précipitante et de la fraction convective au sein du système convectif. Ainsi, le cycle de vie des systèmes convectifs peuvent être décrits par trois phases : initiation, mature et dissipation. Ce schéma est robuste sur toute la région d'étude et les facteurs d'échelles de ce modèle idéalisé indiquent des spécificités régionales complexes.

L'imagerie spectroscopique classique utilisant la sélection d'une bande spectrale d'absorption spécifique pour chaque composé d'un mélange a atteint ses limites lors d'analyse d'échantillons complexes naturels ou industriels. Les méthodes chimiométriques sont alors un précieux outil pour s'affranchir à la fois des limitations dues aux recouvrements spectraux et certaines limitations instrumentales. Cependant une optimisation et une adaptation des méthodologies de résolution aux cas concrets sous analyse sont nécessaires. Notre étude a ciblé les différents traitements chimiométriques permettant de mieux extraire les images microspectrométriques des constituants d'un mélange. Dans une première étape, une optimisation est effectuée sur des données synthétiques pour un ensemble des méthodes de résolution multivariées. Parmi celles-ci, OPA(var) (Orthogonal Projection Approach par sélection des variables) s'est révélée être le plus efficace qualitativement. Puis, la démarche originale mettant en oeuvre le couplage des méthodes chimiométriques de l'optimisation avec MCR-ALS (Multivariate Curve Resolution - Alternating Least Squares) a été réalisée. La capacité de résolution de MCR-ALS se trouve considérablement renforcée par ce couplage. Ensuite, au niveau du pixel, les contraintes liées au rang local ont été spécifiées et appliquées. La pertinence du couplage réalisé et l'efficacité d'extraction par les contraintes du rang local ont été mises en évidence dans les nombreux cas étudiés. L'application de cette méthodologie d'analyse, mise en place, sur des données réelles issues de la micro- spectrométrie Raman a abouti d'une manière concluante. Les constituants d'un calcul urinaire sont identifiés par leurs spectres respectifs grâce à une bibliothèque de référence. Chaque image extraite indique la répartition du composé correspondant dans la partie analysée par l'intermédiaire d'une échelle de couleur adaptée. En effet, dans ce type de pathologie, une bonne identification de la chronologie de formation de différents constituants permet un meilleur diagnostic et un traitement médical adapté. Dans notre étude, la reproduction efficace des images microspectrométriques de grande qualité par les méthodes chimiométriques est prouvée même dans un cas réel complexe.

Une image-hologramme de micro-objets contient l'information de taille, forme et localisation tridimensionnelle des objets. Cette information est codée par la modulation de fréquence et d'amplitude des franges d'interférence de l'hologramme. L'extraction de cette information est classiquement réalisée par analyse du volume 3D restitué par transformée de Fresnel, transformée de Fourier fractionnaire ou transformée en ondelettes. Plusieurs types d'artefacts apparaissent cependant dans les images restituées: déformation près des bords du support de l'hologramme, focalisation multiple, apparition d'images jumelles.<br /><br />L'analyse de la problématique de traitement des hologrammes numériques sous des angles de traitement du signal et de déconvolution nous permettent de présenter les apports variés de la littérature sous un cadre unifié. Nous suggérons d'utiliser une formulation de type ``problème inverse'' basée sur le modèle physique de formation de l'hologramme pour résoudre les difficultés posées par les artefacts des images restituées. L'algorithme proposé permet de réaliser la détection de micro-particules dans un volume d'étude 4 fois supérieur et avec une précision améliorée d'un facteur 5 par rapport à la technique classique.<br /><br />L'enjeu du traitement rapide d'hologrammes nous a poussés à développer une approche de stéréologie en projection donnant accès à une estimation de la taille moyenne ou de la distribution d'orientations d'une population de micro-objets.