La technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes ROC / The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROC

Dans les secteurs de l’automobile et l’aéronautique, l’interaction avec les écrans tactiles peut être rendue plus fiable par l’ajout d’un retour vibratoire (effet haptique) envoyé directement au doigt de l’utilisateur au moment du contact avec l’écran. Des patterns vibratoires complexes peuvent ainsi être créés afin d’améliorer la qualité de la sensation perçue et le plaisir de l’utilisation. Dans ce contexte, notre première contribution concerne l’analyse de patterns vibratoires à l’aide de la transformée en ondelettes continue du signal délivré par la dalle, afin d’extraire les caractéristiques les plus saillantes, choisies d’après une étude psychophysique du sens tactile, et qui sont en liaison avec la perception. A partir de ces caractéristiques, notre deuxième contribution s’articule autour d’un modèle psychophysique de la perception vibrotactile élaboré en utilisant des règles floues générées par une méthode originale étendant l’approche classique de Wang-Mendel. Le modèle prédit le niveau de confort induit par un pattern vibratoire en fonction de ses paramètres psychophysiques. Il présente de bonnes performances quantitatives. La connaissance ainsi obtenue a permis l’identification de plusieurs tendances comportementales importantes pour la perception vibrotactile comme l’effet de l’énergie et de la texture vibrotactile. La troisième contribution porte sur la conception d’un modèle ergonomique de la perception vibrotactile, en s’appuyant sur les évaluations d’un expert du domaine automobile. Suite aux bonnes performances obtenues, le modèle a été adapté avec succès pour le domaine aéronautique. Les résultats de cette thèse permettent ainsi d’aider les équipementiers en simplifiant la conception des effets haptiques adéquats, destinés à améliorer l’interaction avec les écrans tactiles / In the field of automotive and aeronautical industries, human interaction with touch interfaces can be improved by using vibratory feedback or haptic effects, directly delivered to the user finger upon screen interaction. This new approach, which pro-actively stimulates the tactile sense, provides a safer and reliable way to interact with touch interfaces. Moreover, complex vibrational patterns can be designed in order to offer unique tactile sensations and thus increase user’s quality of experience. In this context, our first contribution focuses on a time-frequency analysis of vibrational patterns using the continuous wavelet transform of the signal delivered by the interface, in order to extract its most salient features, chosen based on a psychophysical study of the tactile sense, and which account for human perception. Using these features, our second contribution is a psychophysical model of vibrotactile perception developed using fuzzy logic and an original rule-base extraction method extending the classical Wang-Mendel approach. This model predicts the perceived comfort induced by a vibratory pattern according to its psychophysical properties, and shows good performances. The knowledge retrieved allowed the detection of several behavioral paradigms of vibrotactile perception, such as the effect of energy and texture. Our third contribution is the development of an ergonomic model of vibrotactile perception based on the evaluations of an automobile expert. Thanks to its good performances, the model was successfully adapted to the aeronautics area.The results of this thesis provide assistance to equipment suppliers by simplifying the conception of haptic effects intended to improve human interaction with touch interfaces.

Cette thèse étudie des propriétés empiriques des réseaux de neurones convolutifs profonds, et en particulier de la transformée en Scattering. En effet, l’analyse théorique de ces derniers est difficile et représente jusqu’à ce jour un défi : les couches successives de neurones ont la capacité de réaliser des opérations complexes, dont la nature est encore inconnue, via des algorithmes d’apprentissages dont les garanties de convergences ne sont pas bien comprises. Pourtant, ces réseaux de neurones sont de formidables outils pour s’attaquer à une grande variété de tâches difficiles telles la classification d’images, ou plus simplement effectuer des prédictions. La transformée de Scattering est un opérateur mathématique, non-linéaire dont les spécifications sont inspirées par les réseaux convolutifs. Dans ce travail, elle est appliquée sur des images naturelles et obtient des résultats compétitifs avec les architectures non-supervisées. En plaçant un réseau de neurones convolutifs supervisés à la suite du Scattering, on obtient des performances compétitives sur ImageNet2012, qui est le plus grand jeux de donnée d’images étiquetées accessibles aux chercheurs. Cela nécessite d’implémenter un algorithme efficace sur carte graphique. Dans un second temps, cette thèse s’intéresse aux propriétés des couches à différentes profondeurs. On montre qu’un phénomène de réduction de dimensionnalité progressif à lieu et on s’intéresse aux propriétés de classifications supervisées lorsqu’on varie des hyper paramètres de ces réseaux. Finalement, on introduit une nouvelle classe de réseaux convolutifs, dont les opérateurs sont structurés par des groupes de symétries du problème de classification. / This thesis studies empirical properties of deep convolutional neural networks, and in particular the Scattering Transform. Indeed, the theoretical analysis of the latter is hard and until now remains a challenge: successive layers of neurons have the ability to produce complex computations, whose nature is still unknown, thanks to learning algorithms whose convergence guarantees are not well understood. However, those neural networks are outstanding tools to tackle a wide variety of difficult tasks, like image classification or more formally statistical prediction. The Scattering Transform is a non-linear mathematical operator whose properties are inspired by convolutional networks. In this work, we apply it to natural images, and obtain competitive accuracies with unsupervised architectures. Cascading a supervised neural networks after the Scattering permits to compete on ImageNet2012, which is the largest dataset of labeled images available. An efficient GPU implementation is provided. Then, this thesis focuses on the properties of layers of neurons at various depths. We show that a progressive dimensionality reduction occurs and we study the numerical properties of the supervised classification when we vary the hyper parameters of the network. Finally, we introduce a new class of convolutional networks, whose linear operators are structured by the symmetry groups of the classification task.

La métabolomique est une approche de phénotypage présentant des perspectives prometteuses pour le diagnostic et le suivi de plusieurs pathologies. La technique d'observation la plus utilisée en métabolomique est la spectrométrie de masse (MS). Des développements technologiques récents ont considérablement accru la taille et la complexité des données. Cette thèse s'est concentrée sur deux verrous du traitement de ces données, l'extraction de pics des données brutes et l'annotation des spectres. La première partie de la thèse a porté sur le développement d'un nouvel algorithme de détection de pics pour des données d'analyse par injection en flot continue (Flow Injection Analysis ou FIA), une technique haut-débit. Un modèle dérivé de la physique de l'instrument de mesure prenant en compte la saturation de l'appareil a été proposé. Ce modèle inclut notamment un pic commun à tous les métabolites et un phénomène de saturation spécifique pour chaque ion. Ce modèle a permis de créer une workow qui estime ce pic commun sur des signaux peu bruités, puis l'utilise dans un filtre adapté sur tous les signaux. Son efficacité sur des données réelles a été étudiée et il a été montré que proFIA était supérieur aux algorithmes existants, avait une bonne reproductibilité et était très proche des mesures manuelles effectuées par un expert sur plusieurs types d'appareils. La seconde partie de cette thèse a porté sur le développement d'un outil de détection des similarités structurales d'un ensemble de spectre de fragmentation. Pour ce faire une nouvelle représentation sous forme de graphe a été proposée qui ne nécessite pas de connaître la composition atomique du métabolite. Ces graphes sont de plus une représentation naturelle des spectres MS/MS. Certaines propriétés de ces graphes ont ensuite permis de créer un algorithme efficace de détection des sous graphes fréquents (FSM) basé sur la génération d'arbres couvrants de graphes. Cet outil a été testé sur deux jeux de données différents et a prouvé sa vitesse et son interprétabilité comparé aux algorithmes de l'état de l'art. Ces deux algorithmes ont été implémentés dans des package R, proFIA et mineMS2 disponibles à la communauté. / Metabolomics is a phenotyping approach with promising prospects for the diagnosis and monitoring of several diseases. The most widely used observation technique in metabolomics is mass spectrometry (MS). Recent technological developments have significantly increased the size and complexity of data. This thesis focused on two bottlenecks in the processing of these data, the extraction of peaks from raw data and the annotation of MS/MS spectra. The first part of the thesis focused on the development of a new peak detection algorithm for Flow Injection Analysis (FIA) data, a high-throughput metabolomics technique. A model derived from the physics of the mass spectrometer taking into account the saturation of the instrument has been proposed. This model includes a peak common to all metabolites and a specific saturation phenomenon for each ion. This model has made it possible to create a workflow that estimates the common peak on well-behaved signals, then uses it to perform matched filtration on all signals. Its effectiveness on real data has been studied and it has been shown that proFIA is superior to existing algorithms, has good reproducibility and is very close to manual measurements made by an expert on several types of devices. The second part of this thesis focused on the development of a tool for detecting the structural similarities of a set of fragmentation spectra. To do this, a new graphical representation has been proposed, which does not require the metabolite formula. The graphs are also a natural representation of MS/MS spectra. Some properties of these graphs have then made it possible to create an efficient algorithm for detecting frequent subgraphs (FSM) based on the generation of trees covering graphs. This tool has been tested on two different data sets and has proven its speed and interpretability compared to state-of-the-art algorithms. These two algorithms have been implemented in R, proFIA and mineMS2 packages available to the community.

Il y a un intérêt important et croissant à procurer des expériences d’écoute immersives pour une variété d’applications, et les améliorations constantes des technologies de reproduction audio 3D permettent de produire des scènes auditives immersives à la fois créatives et réalistes. Mais bien que ces technologies de rendu audio 3D soient maintenant relativement disponibles pour les consommateurs, la production et la création des contenus adéquats restent difficiles en raison de la variété des techniques de rendu, des considérations perceptives et des limites des interfaces utilisateur disponibles. Cette thèse traite de ces problèmes en développant un cadre de conception basé sur deux points de vue : l’analyse morphologique des méthodes et des pratiques audio 3D, et la conception d’interaction. À partir du recueil de données ethnographiques sur les outils, les méthodes et les pratiques pour la production de contenu audio 3D, de considérations sur la perception spatiale liée à l’audio 3D, et d’une analyse morphologique sur les objets d’intérêt connexes (objets audio 3D, paramètres interactifs et techniques de rendu), nous avons identifié les taches que doivent supporter les interfaces utilisateur audio 3D et proposé un cadre de conception qui caractérise la création et la manipulation des objets audio. Ensuite, nous avons conçu plusieurs techniques d’interaction pour la création audio 3D et avons étudié leurs performances et leur facilité d’utilisation selon différentes caractéristiques des méthodes d’entrée et de ’mapping’ (multiplexage, intégralité, ’directitude’). Nous avons observé des différences de performances lors de la création et de l’édition de trajectoires audio suggérant que l’augmentation de la sensibilité de la technique de ’mapping’ améliore les performances, et qu’un équilibre entre la séparabilité et l’intégralité des méthodes d’entrée peut résulter en un compromis satisfaisant entre la performance de l’utilisateur et la simplicité matérielle de la solution. Plus généralement, à partir de ces perspectives, nous avons identifié les critères de conception requis pour les interfaces utilisateur audio 3D en vue de compléter notre cadre de conception. Ce dernier, associé à nos résultats expérimentaux, sont un moyen d’aider les concepteurs à mieux prendre en compte les dimensions importantes dans le processus de conception, analyser les fonctionnalités et améliorer les interfaces utilisateur pour les outils de production audio 3D. / There has been a significant interest in providing immersive listening experiences for a variety of applications, and recent improvements in audio production have provided the capability for 3D audio practitioners to produce realistic and imaginative immersive auditory scenes. Even though technologies to reproduce 3D audio content are becoming readily available for consumers, producing and authoring this type of content is difficult due to the variety of rendering techniques, perceptual considerations, and limitations of available user interfaces. This thesis examines these issues through the development of a framework of design spaces that classifies how 3D audio objects can be created and manipulated from two different viewpoints : Morphological Analysis of 3D Audio Methods and Practices and Interaction Design. By gathering ethnographic data on tools, methods, and practices of 3D audio practitioners, overviewing spatial perception related to 3D audio, and conducting a morphological analysis on related objects of interest (3D audio objects, interactive parameters, and rendering techniques), we identified the tasks required to produce 3D audio content and how 3D audio objects can be created and manipulated. This work provided the dimensions of two design spaces that identify the interactive spatial parameters of audio objects by their recording and rendering methods, describing how user interfaces provide visual feedback and control the interactive parameters. Lastly, we designed several interaction techniques for 3D audio authoring and studied their performance and usability according to different characteristics of input and mapping methods (multiplexing, integrality, directness). We observed performance differences when creating and editing audio trajectories, suggesting that increasing the directness of the mapping technique improves performance and that a balance between separability and integrality of input methods can result into a satisfactory trade-off between user performance and cost of equipment. This study provided results that inform designers on what they might expect in terms of usability when designing input and mapping methods for 3D audio trajectory authoring tasks. From these viewpoints, we proposed design criteria required for user interfaces for 3D audio user production that developed and improved the framework of design spaces. We believe this framework and the results of our studies could help designers better account for important dimensions in the design process, analyze functionalities in current tools, and improve the usability of user interfaces for 3D audio production tools.

Cette thèse porte sur la numérisation de signaux hyperfréquences en utilisant une horloge optique, possédant une gigue temporelle très faible en comparaison des horloges électroniques. Une faible gigue est un facteur clé de l’échantillonnage à haute performance, car l’horloge commande l’ouverture d’une “porte” qui extrait les échantillons du signal à intervalles réguliers. Cette thèse décrit deux approches originales : l’échantillonnage purement optique et l’échantillonnage électro-optique.Une porte électro-optique se constitue d’une ligne coplanaire transportant le signal électrique. Cette ligne présente une discontinuité qui devient conductrice sur commande optique grâce à un matériau photoconducteur. Les alliages semi-conducteurs du groupe III-V sont souvent utilisés car la mobilité de ces porteurs photo-générés est suffisamment élevée, ce qui est favorable à une bonne conductivité à l’état “on”. Le GaAs, en particulier, présente l’avantage d’une conductivité faible à l’état “off” du fait de la largeur de la bande interdite électronique. Cela explique l’intérêt de ce matériau, cependant, cela impose aussi une contrainte sur la longueur d’onde de la source laser, expliquant l’utilisation de sources autour 800 nm.Dans cette thèse l’utilisation de sources laser à verrouillage de modes à fibre, développées dans le domaine des Télécoms, donc plus facilement accessibles, tout en gardant le GaAs comme matériaux actif est explorée. Cela est possible en exaltant l’efficacité de l’absorption à deux photons, effet faible dans la plupart des structures. L’approche suivie porte sur l’utilisation d’une cavité à cristaux photoniques. Le très fort confinement et le très faible volume occupé par le mode optique se traduit en une très forte absorption non linéaire. De plus, la nano-structuration du semi-conducteur réduit de manière considérable le temps de vie des porteurs, ce qui permet un retour suffisamment rapide à l’état “off”. L’étude se conclut par la démonstration de la fonction d’échantillonnage.La même fonction a été étudiée dans le cas ou le signal hyperfréquence se trouve sur une porteuse optique. La fonction porte “tout optique” est réalisée par un résonateur à cristaux photoniques. La génération de porteurs par absorption à deux photons induit un déplacement spectral de la résonance, ce qui est exploité pour moduler la transmission du dispositif. Une porte optique rapide, capable en principe de traiter des signaux dépassant les 50 GHz à été montrée. Cette porte requiert une puissance de commande de l’ordre de 200 fJ/impulsion, ce qui est suffisamment faible pour utiliser des sources lasers compactes (diode laser) et, de ce fait, outre sa très faible taille, peut être intégrée facilement. / This thesis is focused on the digitalization of radio-frequency signal using optical clock, allowing a low time jitter compared to electronic clocks. A low jitter is a key factor for high performance sampling, as the clock commands the “gate” opening which extracts the signal samples at regular intervals. This thesis describes two original approaches: all-optical sampling and electro-optics one.An electro-optic gate is based on radio-frequency transmission strip-line carrying the electric signal. A discontinuity in this strip-line occurs which become conductive, thanks to the optical command provided by the clock, due to a photo-conductive material. Semiconductor alloys from the III-V groups are widely used thanks to the high mobility of the photo-generated carriers allowing a high “on” state. In particular, GaAs present a good “off” state due to its band-gap energy. However, this restrains the optical clock wavelength explaining the use of optical sources around 800 nm.In this thesis, the focus was made on using mode-locked lasers in the Telecom range, thus using the improvement made on these sources during the past decades, while keeping GaAs as the active material in the electro-optic sampler. This is made possible by exalting the efficiency of two-photon absorption, which is usually weak in common structures. The approach followed here is to use a photonic crystal cavity. Thanks to its high optical mode confinement, non-linear absorption becomes efficient enough to generated carriers to modify the resistivity of the material. In addition, the nano-structuration of the material reduce tremendously the carrier lifetime, owing to switch from an “on” to “off” state fast enough to sample high frequency signals.The same function has been studied in the case where the signal is not carried electrically but optically. The all-optical gate function is realized using two photonic crystal resonators coupled together. The carrier generation by two-photon absorption induces a spectral shift of the resonance, used to modulate the transmission of the device. A fast all-optical gate, enabling signal processing up to 50 GHz is demonstrated here. The gate only requires a control power of about 200 fJ per pulses, which is low enough to use integrated optical sources (laser diodes) and, thanks to the small footprint, be easily integrated.

Aorte est l'artère qui amortit et conduit le flux sanguin éjecté par le cœur en flux continu vers la périphérie. Avec l’âge, l'élasticité aortique diminue en association avec des altérations fonctionnelles et hémodynamiques de l’aorte et du cœur. Alors que l'hémodynamique artérielle a été largement étudiée par l'analyse des courbes de pression, les modifications de l’onde de débit aortique n’ont été que très peu explorées. L’imagerie IRM, couplée à une segmentation appropriée, permet une évaluation non-invasive et précise du débit sanguin aortique. Cette thèse combine ce débit mesuré en IRM avec les pressions tonométriques afin de proposer des indices quantitatives de rigidité artérielle. Ainsi, ce travail comprend: Une nouvelle approche, basée sur les ondelettes, pour estimer le temps de transit entre les ondes de flux provenant de deux sites aortiques. Ce dernier a permis de calculer la vitesse de l'onde de pouls dans la crosse, qui s’est avérée être un marqueur fort de la rigidité et de l’âge. Une analyse d'impédance aortique dans le domaine fréquentiel pour quantifier la charge pulsatile et les réflexions qui augmentent la charge exercée sur le cœur. Une quantification de la forme de l'onde de débit aortique, dont l’association avec les changements géométriques du cœur a été montrée. Une cartographie des pressions intra-aortiques absolues en utilisant les équations de Navier-Stokes. Ces nouveaux indices ont été testés sur 70 sujets sains et leur complémentarité en termes de caractérisation de l’âge et du couplage entre l'aorte et le cœur a été montrée. De futures études sur l'hypertension artérielle permettront de démontrer l'utilité clinique de nos indices. / Aorta is the artery which immediately accommodates the blood flow ejected from the heart. It buffers blood’s pulsatile momentum and conducts it smoothly towards periphery. With physiological aging, aortic elasticity diminishes significantly in association with aortic or cardiac functional and hemodynamic alterations. While aortic hemodynamics were widely studied through pressure curves analysis, proximal aorta flow patterns were only little investigated. Recent developments of cardiovascular magnetic resonance imaging (MRI) and image segmentation tools, enable an accurate non-invasive evaluation of proximal aortic blood flow. This thesis combined MRI with central pressure measurements by applanation tonometry to propose flow-indices of arterial stiffness. Indeed our work proposed: A new wavelet-based method, which enables temporal localization of signal frequencies to estimate transit-time between flow waves from two aortic sites, in order to derive aortic arch pulse wave velocity, which is a strong marker of stiffening and aging. An aortic impedance analysis in frequency domain to provide indices which reflect changes in aortic pulsatile load and wave reflection, which augments the load on the heart Quantitative flow-morphology indices which were shown to be associated with age-related changes in left heart geometry. Absolute intra-aortic pressure mapping using the Navier-Stokes equations. These new indices have been tested on 70 healthy volunteers and findings indicated their complementary nature in characterizing aging and aortic-heart coupling. Further investigations in the context of hypertension will prove the clinical usefulness of our indices.

L'objectif de la thèse consiste à étudier les indices sociaux échangés lors d'interactions naturelles. Cette étude a deux principaux défis. Le premier défi réside dans la sélection des indices sociaux. Il y a des centaines de milliers de signaux sociaux. Il est important de savoir quels signaux sociaux sont essentiels pour comprendre l'interaction sociale. Le deuxième défi concerne la modélisation de l'interaction sociale. Pendant la thèse, nous nous concentrons sur ces deux défis et réalisons 3 applications: la reconnaissance des rôles, la prédiction de la personnalité et l'estimation de la cohésion. Dans l'application de la reconnaissance de rôle, nous proposons une nouvelle approche en combinant un modèle d'apprentissage automatique génératif et discriminatif. Par rapport aux approches conventionnelles, la nouvelle approche a non seulement la capacité de traiter des données de séries temporelles et de modéliser la synchronie des signaux sociaux, mais aussi une forte capacité de discrimination.Dans l'application de la prédiction de la personnalité, nous proposons une nouvelle catégorisation des caractéristiques, qui divise les signaux sociaux en trois groupes, les caractéristiques intra-personnelles, les caractéristiques dyadiques et les caractéristiques de One_VS_All. Cette catégorisation aide à comprendre la relation entre les traits de personnalité / impressions sociales et les catégories d'indices sociaux.La dernière application, appelée estimation de la cohésion, prédit la cohésion entre les participants aux réunions. Nous recueillons des annotations de la cohésion des réunions dans une base de données publique et estimons la cohésion avec un ensemble de caractéristiques abondantes. / The goal of this Ph.D. work is to study the social cues exchanged during natural interaction. This study has 2 main challenges. The first challenge lies in the selection of social cues. There are hundreds of thousands social cues. It's important to find out which social signals are essential to understand social interaction. The second challenge concerns the modelling of social interaction. During the Ph.D. work, we focus on these two challenge and realize 3 applications: role recognition, personality prediction and cohesion estimation.In the application of role recognition, we propose a new approach by combining a generative and a discriminative machine learning model. Compared to conventional approaches, the new approach has not only the ability to process time-series data and model the synchrony of social signals, but also a strong capacity in discrimination.In the application of personality prediction, we propose a new feature categorization, which divides the social signals into 3 groups, Intra-Personal features, Dyadic features, and One_VS_All features. This categorization helps to understand the relation between personality traits/social impressions and the categories of social cues.The last application, named cohesion estimation, predicts the cohesion between the participants in small scale meetings. We collect annotations of cohesion of meetings in a public database and estimate the cohesion with an abundant feature set.

L'évolution de la gastrite et des lésions précancéreuses suit une cascade de plusieurs étapes. Les modifications des tissus pathologiques affichent de faibles variations par rapport à la muqueuse normale d'un point de vue macroscopique. Même si certaines variations pourraient être identifiées, cela reste fortement subjectif. Le diagnostic classique des maladies de l'estomac est divisé en deux procédures. Le premier est une gastroendoscopie où l'estomac est visuellement exploré sous une lumière blanche. Le second est la biopsie pour l'analyse histologique. Cette procédure a une forte probabilité d'établir le diagnostic correct mais il dépend fortement de la sélection correcte des échantillons de tissus endommagés. Ce travail porte sur l'étude de la muqueuse gastrique par imagerie multispectrale. La contribution principale est l'étude clinique de l'imagerie multispectrale afin de différencier les pathologies mal diagnostiquées ou qui ne peuvent être diagnostiquées que par l'analyse histologique. A cet effet, nous avons effectué (1) une étude ex-vivo dans un modèle de souris de l'infection de Helicobacter pylori dans le but d'identifier les longueurs d'onde qui pourraient être utilisées pour le diagnostic. (2) Nous proposons deux prototypes compatibles avec les gastroendoscopes actuels pour acquérir des images multispectrales du tissu gastrique : le premièr est basé sur une roue à filtres et le second sur une caméra multispectrale avec sept canaux. De plus, (3) nous présentons une méthodologie pour identifier les tissus pathologiques, qui est basé sur des caractéristiques statistiques extraites des spectres acquis, classées en fonction de leur pouvoir discriminants et une classification supervisée, où nous cherchons la meilleure performance de trois algorithmes de classification: le plus proche voisin, un réseaux de neurones et une Support Vector Machine avec une évaluation de la performance rigoureuse en utilisant une validation de type Leave One Patient Out Cross Validation. Les résultats démontrent la pertinence de l’imagerie multispectrale comme un outil supplémentaire pour un diagnostic objectif. / The evolution of gastritis into precancerous lesions follows a cascade of multiplestages. The modifications of the pathological tissues display low variations with respect to normal mucosa from a macroscopical point of view. Even though some features could be identified, they remain strongly subjective. The current gold standard for diagnosis of gastric diseases is divided in two procedures. The first one is gastroendoscopy where the stomach is visually explored under white light. The second one is biopsy collection for histological analysis. This procedure has a high probability of establishing the correct diagnosis but it strongly depends on the accurate collection of samples from damaged tissues. This doctoral work focuses on the study of gastric mucosa by multispectral imaging. The main contribution is the clinical study of multispectral imaging to differentiate pathologies poorly diagnosed or that can only be diagnosed by histological analysis. For this purpose, we performed (1) ex vivo studies in a mice model of infection of Helicobacter pylori in order to identify the wavelengths which could be used for diagnosis. (2) We propose two prototypes compatible with current gastroendoscopes to acquire multispectral images from gastric tissue: the first one is based on a filter wheel and the second one on a multispectral camera with seven channels. Additionally, (3) we present a methodology to identify pathological tissues, which is based on statistical features extracted from the acquired spectra, ranked according to their discriminative power and a supervised classification, where we search for the best performance of three classification algorithms: Nearest Neighbor, Neural Networks and Support Vector Machine with a rigorous performance evaluation by using leave one patient out cross validation. The results demonstrate the relevance of multispectral imaging as an additional tool for an objective diagnosis.

L’imagerie de polarisation est une technique permettant de révéler des contrastes qui n’apparaissent pas dans les images d’intensité classiques. En d’autres termes, elle permet de transformer une différence de propriétés polarimétriques en différence de niveau de gris. Elle trouve des applications en décamouflage, télédétection, microscopie, etc. Les imageurs polarimétriques utilisent souvent des modulateurs de polarisation basés sur des matrices de cristaux liquides rapides et fiables. Cependant, les LCVR contrôlent l’état de polarisation de la lumière à seulement une longueur d’onde donnée, et si le système est utilisé à d’autres longueurs d’ondes, il a des performances réduites. Si la lumière qui illumine la scène à un spectre large, il est donc nécessaire d’insérer un filtre spectral de bande étroite dans la voie d’imagerie, ce qui a pour effet de réduire la quantité de lumière entrant dans le système et donc le rapport signal à bruit des images.Un moyen de résoudre ce problème est d’utiliser des modulateurs de polarisation achromatiques, mais cela induit un coût et une complexité accrus qui peuvent ne pas être nécessaires si l’objectif est d’améliorer la performance de détection de cible en augmentant le contraste entre l’objet d’intérêt et le fond. Dans cette thèse, j’étudie l’impact d’un élargissement du spectre d’illumination sur la performance de détection de cible par des systèmes d’imagerie polarimétriques utilisant des composants chromatiques. A travers des simulations, je montre tout d’abord qu’élargir le spectre d’illumination peut augmenter le contraste car l’augmentation du flux de lumière compense la perte de précision polarimétrique. De plus, en prenant en compte les caractéristiques polarimétriques chromatiques des composants, on peut accroître encore l’augmentation du contraste. Ces résultats sont ensuite validés à travers des expériences réelles d’imagerie polarimétrique active. Ils démontrent que la largeur du spectre d’éclairement peut être considérée comme un paramètre additionnel pour optimiser ces systèmes d’imagerie.Afin de mettre en pratique l’expertise acquise en imagerie polarimétrique active à un autre domaine, j’ai collaboré avec un partenaire industriel (Carl Zeiss, Germany) pour doter un microscope optique d’une capacité polarimétrique. L’imagerie d’un échantillon fin et transparent est un problème difficile. Par exemple, la coloration de l’échantillon peut ajouter des détails parasites et n’est pas applicable à l’imagerie du vivant. Une technique prometteuse est le contraste de phase différentiel (DPC) qui consiste à extraire le gradient de phase de l’objet à partir de deux images illuminées de manière asymétrique et acquises selon des angles complémentaires. La source de lumière est une matrice de LED programmables qui peut générer différents motifs d’illumination. Cependant, cette méthode d’imagerie prend du temps et les flashs intermittents émis par la source peuvent rendre l’observation inconfortable.J’ai donc proposé une solution alternative consistant à installer deux polariseurs avec des axes orthogonaux devant la source de lumière et une caméra sensible à la polarisation qui peut détecter simultanément des polarisations orthogonales. La lumière polarisée atteint la caméra sensible à la polarisation après avoir traversé l’échantillon transparent. Les composantes orthogonales sont extraites de l’image acquise par un procédé de débayerisation. A travers différentes expériences, je compare les performances de cette méthode innovante avec la méthode de DPC classique. Je montre qu’elles fournissent des qualités d’images similaires dans la plupart des cas alors que la nouvelle méthode permet de diviser le temps d’acquisition par deux, tout en supprimant les flashs intermittents. / Polarization imaging is a technique which reveals contrasts that do not appear in classical intensity images. It transforms the difference in polarimetric properties of a scene into difference in gray level of an image. This technique has found applications in decamouflaging, remote sensing, microscopy etc. Polarimetric imagers often use polarization modulation devices based on liquid crystal variable retarders (LCVR), which are fast and reliable. However, LCVR control the polarization state of light only at one given nominal wavelength, and performance loss might be observed if imaging is performed at other wavelengths, due to the wavelength dependence of the LCVR. If the light source that illuminates the scene has a broad spectrum, it is thus necessary to insert a narrowband spectral filter in the imaging path. However, spectral filtering significantly decreases the amount of light entering the system and thus the signal-to-noise ratio of polarimetric images.A way to circumvent this issue is to achromatize the polarization modulators. However, this comes at the price of higher complexity and cost, and this may not be needed if the objective is to improve target detection performance by increasing the target/background discriminability (or contrast). In the thesis, we present the investigation of the impact of broadening the spectrum of the light entering the system on the discriminability performance of active polarimetric systems. Through simulations, we show that broadening the bandwidth of the illumination can increase the contrast between two regions, as the increase of light flux compensates for the loss of polarimetric precision. Moreover, we show that taking into account the chromatic characteristics of the components of the imaging system, it is possible to further enhance the contrast. We validate these findings through experiments in active polarimetric imaging configuration, and demonstrate that the spectral bandwidth can be considered as an additional parameter to optimize polarimetric imaging set-ups.We collaborated with an industrial partner (Carl Zeiss, Germany) to implement polarization imaging in optical microscopy. Imaging thin and transparent specimen in microscopy is a challenging task. Staining the sample is a solution but it adds false/spurious details to the image, thus not suitable for live imaging. Recently, differential phase contrast (DPC) imaging by asymmetric illumination is proved to be a desirable choice. This works on the principle that the phase gradient of a transparent specimen can be extracted from two images, illuminated and recorded at complementary angles. Then, DPC is computed as normalized difference between two images. Here the light source is programmable LED array and different pattern of illumination can be generated. This imaging method consumes more time and intermittent flash of light from light source makes sample observation inconvenient for the observer.A practical solution we propose is to install two polarization foils with orthogonal polarization axes below the light source side by side and a polarization sensitive camera which can detect orthogonal eigen polarization states at a time in the existing setup. The polarization foils separate light waves from complementary angles since orthogonally polarized light waves do not interact with each other. The polarized light reaches polarization sensitive camera after passing through transparent sample. The pixels sensitive to horizontal and vertical polarization detect horizontal and vertical polarized light respectively. Then horizontal and vertical polarized light information are separated from the recorded image and reconstructed the missing information using debayering process. Through experiments, we show that polarization based DPC and standard DPC images have similar quality in most cases and the new technique reduces time consumption by half.