L'essor des interfaces homme-machine permettant la saisie d'informations à l'aide d'un stylo électronique est accompagné par le développement de méthodes automatiques pour interpréter des données de plus en plus riches et complexes : texte manuscrit, mais aussi expressions mathématiques, schémas, prise de notes libre... Pour interpréter efficacement ces documents manuscrits, il est nécessaire de considérer conjointement les formes des objets qui les constituent et leur positionnement spatial. Nos recherches se concentrent sur la modélisation du positionnement spatial entre des objets manuscrits, en partant du constat qu'il n'est pas exploité dans toute sa richesse par les méthodes actuelles. Nous introduisons le concept de méta-modèle spatial, une modélisation générique pour décrire des relations spatiales entre des objets de nature, complexité et formes variables. Ces modèles, qui peuvent être appris à partir de données, offrent une richesse et une précision inédite car ils autorisent la conduite d'un raisonnement spatial directement dans l'espace image. L'appui sur le cadre de la théorie des sous-ensembles flous et de la morphologie mathématique permet la gestion de l'imprécision et offre une description des relations spatiales conforme à l'intuition. Un méta-modèle est doté d'un pouvoir de prédiction qui permet de décrire la relation spatiale modélisée au sein de l'image, par rapport à un objet de référence. Cette capacité rend possible la visualisation des modèles et fournit un outil pour segmenter les tracés en fonction de leur contexte. En exploitant ces modèles, nous proposons une représentation pour des objets manuscrits à la structure complexe. Cette représentation repose uniquement sur la modélisation de leurs informations spatiales, afin de démontrer l'importance de ces informations pour l'interprétation d'objets manuscrits structurés. La segmentation des tracés en primitives structurelles est guidée par les modèles de positionnement, via leur capacité de prédiction. Les résultats expérimentaux, portant sur des objets de complexité et de natures diverses (caractères chinois, gestes d'édition, symboles mathématiques, lettres), confirment la bonne qualité de description du positionnement offerte par les méta-modèles. Les tests de reconnaissance de symboles par l'exploitation de leur information spatiale attestent d'une part de l'importance de cette information et valident d'autre part la capacité des méta-modèles à la représenter avec une grande précision. Ces résultats témoignent donc de la richesse de l'information spatiale et du potentiel des méta-modèles spatiaux pour l'amélioration des techniques de traitement du document manuscrit.

Ce travail de thèse concerne l'amélioration du pouvoir de résolution de la microscopie optique en champ lointain. Nous avons étudié et développé des techniques permettant de dépasser la limite fondamentale de résolution établie par Abbe en 1873. Toutes tirent profit de la relation liant le champ électromagnétique émis ou diffracté par un objet à l'éclairement employé pour l'observer. En enregistrant plusieurs images du même objet sous différents éclairements, puis en utilisant un algorithme d'inversion approprié, il est possible d'avoir accès à certaines fréquences spatiales de l'objet qui sont habituellement filtrées par le microscope. Ce concept est d'abord appliqué à une technique de microscopie cohérente ne nécessitant pas le marquage de l'échantillon : la microscopie tomographique de diffraction. Cette méthode permet de reconstruire numériquement des cartes quantitatives de la permittivité diélectrique de l'objet avec une résolution significativement meilleure que celle d'un microscope large-champ classique à partir de plusieurs hologrammes de l'échantillon obtenus sous diverses incidences. Nous montrons théoriquement et expérimentalement que, loin d'être un désavantage, le phénomène de diffusion multiple permet, s'il est correctement pris en compte, d'atteindre des résolutions encore plus spectaculaires. Nous étudions ensuite, avec des outils conceptuellement proches, la microscopie de fluorescence par éclairement structuré. Nous avons proposé deux approches différentes pour améliorer cette technique de microscopie. La première tire profit du développement d'un algorithme d'inversion capable de retrouver la densité de fluorescence de l'objet sans connaitre les éclairements utilisés a priori. Grâce à cet algorithme, nous pouvons remplacer le motif d'illumination habituellement périodique et contrôlé de la microscopie à éclairement structuré classique par des speckles aléatoires obtenus en bougeant un diffuseur à travers un faisceau laser. Des résultats expérimentaux très encourageants montrent l'efficacité de cette approche dont la mise en œuvre expérimentale est remarquablement simple. La seconde consiste à remplacer la lamelle de verre sur laquelle est déposé l'échantillon par une lamelle périodiquement nanostructurée. Celle-ci crée à sa surface une grille de lumière de période bien inférieure à la limite imposée par la diffraction, et qui peut être utilisée pour sonder les fréquences spatiales les plus élevées de l'échantillon. Nous détaillons la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale de ce substrat nanostructuré.

Ces travaux se situent dans la problématique d'élaboration d'outils de mesure adaptés aux caractéristiques des écoulements fluides. Le développement de l'imagerie digitale, associée à l'utilisation de techniques de visualisation d'écoulements en mécanique des fluides, permet d'envisager l'extraction, à l'aide de méthodes de vision par ordinateur, du mouvement d'écoulements perçu dans des séquences d'images. L'objectif consiste ici à proposer une nouvelle approche de type " flux optique " pour l'estimation multiéchelle de mouvements de fluides, en s'appuyant sur une représentation en ondelettes du mouvement recherché. Cette formulation en ondelettes introduit un formalisme multiéchelle, intéressant tant du point de vue de l'estimation du flux optique que de la représentation de champs de vitesse turbulents. Elle permet en outre la construction de bases à divergence nulle, respectant ainsi une contrainte issue de la physique des fluides. Plusieurs types de régularisation sont présentés; la plus simple procède par troncature de la base aux petites échelles, la plus complexe utilise les coefficients de connexion de la base d'ondelette pour construire des schémas d'ordre élevé. Les approches proposées sont évaluées sur des images synthétiques dans un premier temps, puis sur des images expérimentales d'écoulements caractéristiques. Les résultats obtenus sont comparés à ceux fournis par la méthode usuelle des " corrélations croisées ", mettant en avant les intérêts et les limites de l'estimateur.

La communication parlée est par essence multimodale. Le signal acoustique véhicule la modalité auditive, et l'image la modalité visuelle et gestuelle (déformations du visage). Le signal de parole est en effet la conséquence des déformations du conduit vocal sous l'effet du mouvement de la mâchoire, des lèvres, de la langue, etc.. pour moduler le signal d'excitation produit par les cordes vocales ou les turbulences aérodynamiques. Ces déformations sont visibles au niveau du visage (lèvres, joues, mâchoire) grâce à la coordination des différents muscles orofaciaux et de la déformation de la peau induite par ces derniers. La modalité visuelle permet de fournir des informations complémentaires au signal acoustique, et elle devient indispensable dans le cas où le signal acoustique est dégradé, comme c'est le cas chez les malentendants, ou en milieu bruité. D'autres modalités peuvent être liées à la parole, comme les mouvements des sourcils et les différents gestes qui expriment l'émotion. Cette dernière modalité suprasegmentale peut, comme la modalité visuelle, compléter le message acoustique ou acoustique-visuel. Cet exposé présentera les travaux que je mène sur la parole multimodale. Ce caractère multimodal de la communication parlée est traité de deux façons différentes : (1) étudier les deux composantes articulatoire et acoustique de la parole. En effet, je m'intéresse à la caractérisation articulatoire des sons et à l'étude du lien entre l'espace articulatoire et l'espace acoustique. En particulier, je m'intéresse à la récupération de l'évolution temporelle du conduit vocal à partir du signal acoustique (aussi appelée inversion acoustique-articulatoire) et à l'étude de la caractérisation articulatoire de la parole par l'analyse de corpus de données articulatoires. (2) étudier les deux composantes acoustique et visuelle. Dans ce cadre, je m'intéresse à l'effet de la déformation du conduit vocal sur l'apparence du visage qui véhicule le message visuel. La synthèse acoustique-visuelle est un cadre qui permet d'étudier cet aspect. De plus, l'étude de l'intelligibilité audiovisuelle permet de mieux comprendre les mécanismes de la communication audiovisuelle, mais également d'évaluer le système de synthèse acoustique-visuelle. Enfin, je présenterai mon programme de recherche qui porte sur la parole multimodale expressive que je propose d'étudier globalement, c.-à-d. en considérant les composantes articulaire, acoustique et visuelle ainsi que l'expressivité intrinsèque de celles-ci, simultanément. Je propose en particulier d'aborder la modélisation de la dynamique articulatoire et faciale de la parole pour produire de la parole combinée avec les expressions faciales.

Cette thèse est une contribution au développement d'un procédé tactile acoustique basé sur la perturbation des ondes de Lamb, permettant de détecter un toucher simple ou des touchers multiples sur des objets minces de forme quelconque. Après avoir étudié la propagation des modes de Lamb dans les objets minces par exemple les plaques de cuivre d'épaisseur 450 µm, nous avons observé, que l'énergie des ondes de Lamb antisymétriques était essentiellement due à la composante normale de déplacement et qu'il était aisé de perturber un mode de flexion par un toucher surfacique réalisé avec le doigt ou ponctuel avec la pointe d'un stylo, tandis que dans le cas d'un mode symétrique, l'énergie était essentiellement distribuée sur la composante de déplacement tangentielle et en conséquence plus difficilement perturbée par une interaction tactile. Nous avons en conséquence exploité le toucher sur une plaque mince perturbant le rayonnement d'une onde acoustique dans l'objet et réalisé en pratique une mesure de la perturbation d'un signal de diffraction des ondes de Lamb en un ou deux points récepteurs d'une plaque. Ainsi, une méthode de localisation basée sur la diffraction des ondes a été proposée, pour obtenir une interface tactile compacte, performante et faible coût. Cette méthode nommée méthode de la Figure de Diffraction Perturbée en Amplitude (FDPA) peut rendre une surface tactile avec une résolution spatiale de l'ordre du millimètre et un temps de réponse inférieur à 10 ms. Deux méthodes d'optimisation sont proposées pour obtenir un taux de localisation correcte proche de 100%. Le procédé tactile et les méthodes d'optimisation présentés dans cette thèse ont été testés sur plusieurs types d'objets, réalisés dans des matériaux différents et sous différentes formes géométriques. Ces réalisations ont montré des performances satisfaisantes en termes d'encombrement, de consommation et de fiabilité de localisation pour des touchers simples et multiples.

Le développement de la chirurgie laparoscopique entraîne de nouveaux défis pour le chirurgien, sa perception visuelle et tactile du site opératoire étant modifiée par rapport à son expérience antérieure. De nombreux dispositifs ont été développés autour de la procédure chirurgicale afin d'aider le chirurgien à réaliser le geste avec la meilleure qualité possible. Ces dispositifs visent à permettre au chirurgien de mieux percevoir le contexte dans lequel il intervient, à planifier de façon optimale la stratégie opératoire et à l'assister lors de la réalisation de son geste. La conception d'un système d'analyse de la procédure chirurgicale, permettant d'identifier des situations à risque et d'améliorer la qualité du geste, est un enjeu majeur du domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur. L'évaluation de la qualité du geste explore plusieurs composantes de sa réalisation : les habiletés techniques du chirurgien, ainsi que ses connaissances théoriques et sa capacité de jugement. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode d'évaluation de la qualité technique des gestes du chirurgien à partir de connaissances à priori, qui soit adaptée aux contraintes spécifiques du bloc opératoire sans modifier l'environnement du chirurgien. Cette évaluation s'appuie sur la définition de métriques prédictives de la qualité du geste chirurgical, dérivées des trajectoires des instruments au cours de la procédure. La première étape de ce travail a donc consisté en la mise au point d'une méthode de suivi de la position des instruments laparoscopiques dans la cavité abdominale au cours de la chirurgie, à partir des images endoscopiques et sans ajout de marqueurs. Ce suivi combine des modèles géométriques de la caméra, de l'instrument et de son orientation, ainsi que des modèles statistiques décrivant les évolutions de cette dernière. Cette méthode permet le suivi de plusieurs instruments de laparoscopie dans des conditions de banc d'entraînement, en temps différé pour le moment. La seconde étape a consisté à extraire des trajectoires des paramètres prédictifs de la qualité du geste chirurgical, à partir de régressions aux moindres carrés partiels et de classifieurs k-means. Plusieurs nouvelles métriques ont été identifiées, se rapportant à la coordination des mains du chirurgien ainsi qu'à l'optimisation de son espace de travail. Ce dispositif est destiné à s'intégrer dans un système plus large, permettant d'apporter au chirurgien, en temps réel, des informations contextualisées concernant son geste, en fusionnant par exemple les données issues de la trajectoire à des données multi-modales d'imagerie per-opératoire.

Cette thèse est consacrée à l'analyse statistique de données en grande dimension. Nous nous intéressons à trois problèmes statistiques motivés par des applications médicales : la classification supervisée de courbes, la segmentation supervisée d'images hyperspectrales et la segmentation non-supervisée d'images hyperspectrales. Les procédures développées reposent pour la plupart sur la théorie des tests d'hypothèses (tests multiples, minimax, robustes et fonctionnels) et la théorie de l'apprentissage statistique. Ces théories sont introduites dans une première partie. Nous nous intéressons, dans la deuxième partie, à la classification supervisée de données gaussiennes en grande dimension. Nous proposons une procédure de classification qui repose sur une méthode de réduction de dimension et justifions cette procédure sur le plan pratique et théorique. Dans la troisième et dernière partie, nous étudions le problème de segmentation d'images hyper-spectrales. D'une part, nous proposons un algorithme de segmentation supervisée reposant à la fois sur une analyse multi-échelle, une estimation par maximum de vraisemblance pénalisée, et une procédure de réduction de dimension. Nous justifions cet algorithme par des résultats théoriques et des applications pratiques. D'autre part, nous proposons un algorithme de segmentation non supervisée impliquant une décomposition en ondelette des spectres observées en chaque pixel, un lissage spatial par croissance adaptative de régions et une extraction des frontières par une méthode de vote majoritaire.

Le travail de cette thèse porte sur la modélisation de la production et du contrôle de voix chantée synthétique dans la perspective de la lutherie numérique. Nous présentons deux instruments : le Cantor Digitalis, se focalisant sur le contrôle de voyelles chantées et sur l'individualisation des voix ; et le Digitartic, destiné au contrôle de l'articulation de syllabes de type Voyelle-Consonne-Voyelle. Ils permettent, à l'aide de tablettes graphiques augmentées, des applications musicales interactives nécessitant un contrôle temporel fin des paramètres de la production vocale. La pertinence musicale de ces instruments a été établie avec notre ensemble Chorus Digitalis en participant à plusieurs concerts. Nous avons étudié en situation musicale la justesse inter-musiciens et les gestes utilisés pour réaliser les tâches musicales nécessaires à la reproduction d'un large répertoire, constitué de musiques actuelles et traditionnelles (chorale baroque, chant khayal d'Inde du Nord). Notamment, une expérience visant à analyser la faculté à contrôler la fréquence fondamentale du Cantor Digitalis a été entreprise. Les sujets devaient imiter des intervalles et quelques mélodies suivant trois modalités (avec leur propre voix, à la tablette sans et avec retour audio). Les résultats montrent une aptitude plus grande des sujets à jouer de manière précise avec la tablette plutôt qu'avec leur propre voix, tandis que l'apport de l'audio sur le jeu à la tablette est nulle dans ces conditions expérimentales. Les deux instruments sont regroupés dans une application écrite en Max/MSP fournissant également un outil pédagogique audio-visuel et interactif sur le fonctionnement de la voix.

Les travaux présentés dans cette thèse proposent des solutions à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multiporteuses, particulièrement optimisées pour la voie descendante des systèmes hertziens. Cette étude s'inscrit dans un contexte fortement concurrentiel pour l'accès de masse au haut-débit sans fil, et contribue à l'effort collectivement mené au sein des projets européens sur les systèmes dits de 4e génération (4G). La première partie du document cadre l'étude en identifiant les contraintes physiques, technologiques et financières, ainsi que les exigences des systèmes 4G en termes de services, débit et mobilité. En particulier, une complexité raisonnable au récepteur mobile est requise en voie descendante pour honorer coût et consommation. Dans un souci de réalisme, le canal de propagation radio-mobile large-bande MIMO est caractérisé. Les corrélations en temps/fréquence/espace induisent le dimensionnement du système de communication numérique proposé. La deuxième partie du document est consacrée à l'étude des systèmes multi-porteuses, multi-utilisateurs, et multi-antennes, afin d'unifier l'approche et d'explorer plusieurs axes en utilisant au mieux les propriétés du canal. Tout d'abord, le choix de l'accès large-bande multi-utilisateurs s'est porté sur la combinaison de l'OFDM et d'étalement en accès multiple CDMA, afin de discuter du compromis diversité/orthogonalité suivant les algorithmes de chip-mapping et de détection employés. Ensuite, pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage offerts par le canal MIMO en fonction du contexte, un état de l'art des techniques multi-antennes est dressé. La classification proposée permet d'établir une stratégie tout en conservant une faible complexité de détection. Nous détaillons les systèmes les plus réalistes en contexte mobile et en voie descendante, n'ayant pas connaissance du canal en émission. La chaîne de communication MIMO-OFDM-CDMA complète est finalement présentée en insistant sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. La troisième partie du document s'attache à optimiser les combinaisons précédentes en contexte réaliste, et propose des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Tout d'abord, une approche pragmatique amène à considérer des solutions exploitant la diversité qui assurent robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous privilégions un codage spatial de rendement unitaire, et proposons d'agir sur les trajets multiples grâce aux antennes supplémentaires. Des axes d'optimisation sont fournis au niveau codage, chip-mapping, détection et propagation de fiabilités. Comparé aux méthodes OSTBC ou CDD, des gains sont illustrés en performance, répartition de puissance, potentiel d'adaptabilité et de robustesse... Ensuite, en relâchant légèrement les contraintes de complexité et d'orthogonalité spatiale, nous proposons de nouvelles solutions en contexte plus favorable. Même avec une simple détection linéaire MMSE, ces techniques offrent un potentiel supérieur en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées aux systèmes précédents, utilisant des symboles pilotes répartis et éventuellement les données décodées de manière itérative afin de répondre à un ensemble de compromis sur des récepteurs variés. Les nombreux résultats obtenus démontrent la pertinence des solutions développées.

Ces dernières années, le développement des réseaux de communication indoor et outdoor et l'augmentation du nombre d'applications conduisent à un besoin toujours croissant de transmission de données à haut débit. Parmi les nombreuses technologies concurrentes, les communications par courant porteur en ligne (CPL) ont leur place en raison des infrastructures déjà disponibles. La motivation principale de cette thèse est d'augmenter le débit et la robustesse des systèmes CPL à porteuses multiples afin qu'ils puissent être utilisés efficacement dans les réseaux domestiques et pour la domotique. Le thème de ce travail de recherche est d'explorer différentes approches de modulation et de codage de canal en liaison avec plusieurs schémas d'allocation et d'optimisation des ressources. L'objectif est ici d'améliorer les capacités des CPL et d'être concurrent face aux autres solutions de communication à haut débit et de faire face efficacement aux inconvénients inhérents au réseau d'alimentation. Un certain nombre de stratégies d'allocation des ressources et d'optimisation sont étudiées pour améliorer les performances globales des systèmes CPL. La performance d'un système de communication est généralement mesurée en termes de débit, de marge de bruit et de taux d'erreur binaire (TEB) de la liaison. La maximisation de débit (RM) est étudiée pour les systèmes OFDM (en anglais orthogonal frequency division multiplexing) et LP-OFDM (en anglais linear precoded OFDM) sous la contrainte de densité spectrale de puissance (DSP). Deux contraintes différentes de taux d'erreur ont été appliquées au problème RM. La première contrainte est la contrainte de TEB crête où toutes les sous-porteuses ou séquences de précodage doivent respecter le TEB cible. Avec la deuxième contrainte, contrainte de TEB moyen, différentes sous-porteuses ou séquences de précodage sont affectées par des valeurs différentes de TEB et une contrainte de TEB moyen est imposée sur le symbole complet OFDM ou LP-OFDM. Les algorithmes d'allocation sont également proposés en prenant en compte les gains de codage de canal dans le processus d'allocation des ressources. En outre, un nouveau schéma de minimisation de TEB moyen est introduit qui minimise le TEB moyen de systèmes pour un débit donné et un masque imposé de DSP. Pour l'allocation des ressources dans un système à porteuses multiples, il est généralement supposé que l'état du canal (CSI) est parfaitement connu par l'émetteur. En réalité, les informations de CSI disponibles au point d'émission sont imparfaites. Aussi, nous avons également étudié des schémas d'allocation des ressources dans le cas de systèmes OFDM et LP-OFDM en prenant compte, et de manière efficace, les impacts des estimations bruitées. Plusieurs chaînes de communication sont aussi développées pour les systèmes OFDM et LP-OFDM.