Cette thèse de doctorat porte sur l'extension du modèle LIP (Logarithmic Image Processing) aux images en couleurs. Le modèle CoLIP (Color Logarithmic Image Processing) est défini, étudié et appliqué au traitement d'image dans ce manuscrit.Le modèle LIP est un cadre mathématique original complet, développé pour le traitement d'images à niveaux de gris, rigoureusement établi mathématiquement, compatible avec les lois physiques de formation d'image, et mieux adapté que l'approche classique pour modéliser la perception visuelle humaine de l'intensité de la lumière. Après une étude de la vision des couleurs et de la science des couleurs, le modèle CoLIP est construit en suivant les étapes de la perception humaine des couleurs, tout en intégrant le cadre mathématique du modèle LIP. Dans un premier temps, le CoLIP est construit en suivant les étapes de la photoréception, de la compression lumineuse et du codage antagoniste. Il est donc développé comme un espace couleur représentant une image couleur par un ensemble de trois fonctions de tons antagonistes, sur lesquelles sont définies les opérations CoLIP d'addition et de multiplication par un scalaire, qui confèrent à cet espace couleur la structure d'espace vectoriel couleur. Ensuite, l'espace couleur CoLIP étant un espace de type luminance-chrominance uniforme, les attributs relatifs et absolus de la perception humaine des couleurs (teinte, chroma, coloration, luminosité, clarté, et saturation) peuvent être définis. Cette construction fait du CoLIP à la fois un espace vectoriel couleur bien structuré mathématiquement, et un modèle d'apparence couleur. Dans un deuxième temps, un grand nombre de justifications physiques, mathématiques, et psychophysiques du modèle CoLIP sont proposées, notamment la comparaison des formes des ellipses de MacAdam dans l'espace de couleur uniforme CoLIP et dans d'autres modèles uniformes, sur des critères d'aire et d'excentricité des ellipses. Enfin, diverses applications utilisant la structure d'espace vectoriel couleur du modèle CoLIP sont proposées, telles que le rehaussement de contraste, le rehaussement d'image et la détection de contour. Des applications utilisant la structure de modèle d'apparence couleur, qui permet de travailler sur les notions de teinte, de luminosité et de saturation, sont également développées. Une application spécifique permettant de mesurer la viabilité des cellules sur des images de lames obtenues par cytocentrifugation et marquage couleur est également proposée. / This doctoral thesis introduces the extension of the LIP (Logarithmic Image Processing) model to color images. The CoLIP (Color Logarithmic Image Processing) model is defined, studied and applied to image processing in this manuscript. The Logarithmic Image Processing (LIP) approach is a mathematical framework developed for the representation and processing of images valued in a bounded intensity range. The LIP theory is physically and psychophysically well justified since it is consistent with several laws of human brightness perception and with the multiplicative image formation model. Following a study of color vision and color science, the CoLIP model is constructed according to the human color perception stages, while integrating the mathematical framework of the LIP.Initially, the CoLIP is constructed by following the photoreception, non-linear cone compression, and opponent processing human color perception steps. It is developed as a color space representing a color image by a set of three antagonists tones functions, that can be combined by means of specific CoLIP operations: addition, scalar multiplication, and subtraction, which provide to the CoLIP framework a vector space structure. Then, as the CoLIP color space is a luminance-chrominance uniform color space, relative and absolute perception attributes (hue, chroma, colorfulness, brightness, lightness, and saturation) can be defined. Thus, the CoLIP framework combines advantages of a mathematically well structured vector space, and advantages of a color appearance model. In a second step, physical, mathematical, physiological and psychophysical justifications are proposed including a comparison of MacAdam ellipses shapes in the CoLIP uniform model, and in other uniform models, based on ellipses area and eccentricity criterions. Finally, various applications using the CoLIP vector space structure are proposed, such as contrast enhancement, image enhancement and edge detection. Applications using the CoLIP color appearance model structure, defined on hue, brightness and saturation criterions are also proposed. A specific application dedicated to the quantification of viable cells from samples obtained after cytocentrifugation process and coloration is also presented.

Les aides à la conduite sont des systèmes qui aident le conducteur à mieux appréhender la tâche de conduite en situation difficile. Parmi les différents capteurs qu'utilisent ces ADAS, des caméras sont embarquées et délivrent des images de la scène routière qui sont traitées et analysées de manière à informer le conducteur des dangers éventuels ou enclencher des systèmes d'urgence. Les caméras issues de ces ADAS capturent l'environnement routier d'une manière qui est loin d'être représentative de la perception qu'aurait un conducteur. Une des conséquences éventuelles est que ces ADAS soient contre-productives en déclenchant inopinément des systèmes d'alerte et d'action à l'encontre du conducteur. De manière à remplir complétement la vocation de ces ADAS, il est primordial de disposer d'une carte de la perception de l'environnement routier du point de vue du conducteur de manière à ajuster l'aide dont il pourrait avoir besoin. Nous proposons d'estimer par traitement d'image, la visibilité routière du point de vue du conducteur en utilisant un algorithme bio-inspiré simulant la sensibilité au contraste de l'œil humain. Dans un premier temps, nous étendons un modèle de CSF (Contrast Sensitivity Function) de manière à prendre en compte des taux de détection cohérents avec la sécurité routière, l'orientation, la couleur et l'âge du conducteur. Dans un second temps, nous modélisons notre modèle de CSF par un filtrage spatial et en calculons la visibilité en chaque pixel de l'image. Nous appliquons cette carte de visibilité sur une carte de contours issue de notre détecteur de contour bio-inspiré. Ainsi, nous considérons les contours des objets routiers présents dans l'image plutôt que leurs caractéristiques de manière à éviter toute hypothèse. Ces contours sont associés à un niveau de visibilité indiquant s'ils sont visibles ou pas par l'observateur. Nous validons le procédé en le comparant à des performances visuelles d'observateurs, en condition de laboratoire, pour une détection de cible et en situation de conduite simulée en conduite de nuit. Dans un deuxième temps, nous associons ces niveaux de visibilité en deux unités facilement compréhensibles pour des ADAS: un temps de réaction et une distance perçue. En premier lieu, nous proposons un modèle d'estimation du temps de perception du conducteur en fonction de la visibilité en nous inspirant de la loi de Piéron sur des données expérimentales de détection de cibles sur des images routières de synthèse pour une certaine densité de brouillard de jour. Les études ont montré que les conducteurs auraient tendance à se rapprocher du véhicule devant eux de manière à ne pas les perdre de vue. Ce constat nous renseigne sur le fait que le conducteur ne dispose pas suffisamment de visibilité à ses yeux dans cette configuration de conduite. Nous montrons l'intérêt des méthodes de restauration d'images en termes de gain de temps de réaction et de performance visuelle comme le taux de détection du véhicule devant lui. Dans un second temps, nous estimons une distance par rapport au véhicule précédent du point de vue du conducteur en nous inspirant de la détection des feux arrière du véhicule situé devant le conducteur. Les résultats ont montré que les conducteurs estimaient mal les distances sur obstacles lointains en comparaison des aides à la conduite basées sur des imageurs optique, radar ou lidar pour une conduite de nuit. D'après ce constat, les ADAS jouent un rôle fondamental pour prévenir le conducteur de sa conduite inadaptée. Enfin, nous délimitons les limites de nos modèles de CSF et de visibilité et proposons plusieurs perspectives. Pour des applications routières, une des perspectives qui a été concrétisée partiellement est l'évaluation objective des systèmes d'éclairage par notre modèle de visibilité et sa cohérence avec une expertise subjective / The driver assistance systems are systems that help the driver to better understand the plight driving task. Among the various sensors used by these ADAS, cameras are shipped and deliver images of the road scene which are processed and analyzed to inform the driver of potential hazards or switch of emergency systems. The cameras capture from these ADAS is far from representative of perception would have a driver. One of the possible consequences is that these ADAS can be counter productive in triggering warning and action against the driver. In order to completely fulfill the objectives of such ADAS, it is essential to have a map of the perception of the road environment from the perspective of the driver to adjust the help they might need. We propose to estimate by image processing, road visibility from the driver's perspective using a bio-inspired algorithm simulating the contrast sensitivity of the human eye. First, we extend a model of CSF (Contrast Sensitivity Function) to consider coherent detection rate with road safety, orientation, color and age of the driver. In a second step, we model our CSF spatial filtering and calculate the visibility for each pixel of the image. We apply this visibility map on a map of contours of our bio-inspired edge detector. Thus, we consider the contours of the road objects in the image rather than the characteristics in order to avoid assumptions. These contours are associated with a level of visibility as to whether or not they are visible by the observer. We validate the method by comparing it with the visual performance of observers in laboratory conditions for target detection and simulated driving situation in night driving. Secondly, we combine these two levels of visibility in easily understandable units for ADAS: a reaction time and a target distance. First, we propose a model to estimate the driver's reaction time depending on the visibility (inspired by Piéron's law of target detection) with experimental data on road synthetic images for some daylight fog density. Studies have shown that drivers would tend toget closer to the vehicle in front of them in order not to lose sight of them. This observation tells us that the driver does not have enough visibility in that configuration. We show the interest of the image restoration methods in terms of reaction time and gain in visual performance as well as vehicle detection rate. In a second step, we estimate a distance from the point of view of the driver taking inspiration from the detection of the rear lights of the vehicle in front of the driver. The results showed that drivers were bad about the distance evaluation of distant obstacles compared to driving aids based on optical imaging, radar or lidar for night driving. Based on this observation, the ADAS may play a fundamental role in preventing the driver from his inappropriate behavior. Finally, we outline the limits of our models CSF and visibility and offer several perspectives for road applications, one of which was the objective evaluation of lighting systems by our model of visibility and consistency with a subjective expertise

Grâce aux innovations technologiques récentes, l'exploration cutanée est devenue de plus en plus facile et précise. Le relevé topographique de la surface de peau par projection de franges ainsi que l'exploration des structures intradermiques par microscopie confocale in-vivo en sont des exemples parfaits. La mise en place de ces techniques et les développements sont présentés dans cette thèse. L'apport de l'imagerie est évident tant pour le traitement des acquisitions de ces appareils que pour l'évaluation de paramètres cutanés à partir de photographie par exemple. L'extension du modèle LIP niveaux de gris à la couleur a été réalisée pour apporter une évaluation proche de celle d'un expert grâce aux fondements logarithmiques du modèle, proches de la vision humaine. Enfin, la classification de données dans une image, sujet omniprésent dans le traitement d'images, a été abordée par les classifications hiérarchiques ascendantes, utilisant un cadre mathématique rigoureux grâce aux métriques ultramétriques.

Cette thèse de doctorat porte sur l'extension du modèle LIP (Logarithmic Image Processing) aux images en couleurs. Le modèle CoLIP (Color Logarithmic Image Processing) est défini, étudié et appliqué au traitement d'image dans ce manuscrit.Le modèle LIP est un cadre mathématique original complet, développé pour le traitement d'images à niveaux de gris, rigoureusement établi mathématiquement, compatible avec les lois physiques de formation d'image, et mieux adapté que l'approche classique pour modéliser la perception visuelle humaine de l'intensité de la lumière. Après une étude de la vision des couleurs et de la science des couleurs, le modèle CoLIP est construit en suivant les étapes de la perception humaine des couleurs, tout en intégrant le cadre mathématique du modèle LIP. Dans un premier temps, le CoLIP est construit en suivant les étapes de la photoréception, de la compression lumineuse et du codage antagoniste. Il est donc développé comme un espace couleur représentant une image couleur par un ensemble de trois fonctions de tons antagonistes, sur lesquelles sont définies les opérations CoLIP d'addition et de multiplication par un scalaire, qui confèrent à cet espace couleur la structure d'espace vectoriel couleur. Ensuite, l'espace couleur CoLIP étant un espace de type luminance-chrominance uniforme, les attributs relatifs et absolus de la perception humaine des couleurs (teinte, chroma, coloration, luminosité, clarté, et saturation) peuvent être définis. Cette construction fait du CoLIP à la fois un espace vectoriel couleur bien structuré mathématiquement, et un modèle d'apparence couleur. Dans un deuxième temps, un grand nombre de justifications physiques, mathématiques, et psychophysiques du modèle CoLIP sont proposées, notamment la comparaison des formes des ellipses de MacAdam dans l'espace de couleur uniforme CoLIP et dans d'autres modèles uniformes, sur des critères d'aire et d'excentricité des ellipses. Enfin, diverses applications utilisant la structure d'espace vectoriel couleur du modèle CoLIP sont proposées, telles que le rehaussement de contraste, le rehaussement d'image et la détection de contour. Des applications utilisant la structure de modèle d'apparence couleur, qui permet de travailler sur les notions de teinte, de luminosité et de saturation, sont également développées. Une application spécifique permettant de mesurer la viabilité des cellules sur des images de lames obtenues par cytocentrifugation et marquage couleur est également proposée.

Certains troubles visuo-moteurs observés dès le stade précoce de la maladie de Parkinson (MP) pourraient être liés à une altération du fonctionnement d’une structure sous-corticale reliée aux ganglions de la base, le colliculus supérieur (CS). L’objectif de cette thèse a été d’explorer l’état fonctionnel du CS chez le patient parkinsonien nouvellement diagnostiqué (de novo) avant et après instauration du traitement dopaminergique, afin d’évaluer son potentiel de biomarqueur. Pour cela, un paradigme expérimental d’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) a été développé, permettant d’imager avec succès l’activité fonctionnelle du CS et également du corps genouillé latéral (CGL) et de l’aire visuelle primaire V1 et de moduler leur activité via l’emploi de stimulation visuelle jouant sur de très faibles niveaux de contraste (<10%). Un test de psychophysique a également été développé, permettant d’estimer la réponse perceptuelle au contraste. Nous avons dans un premier temps testé notre protocole expérimental auprès de sujets sains d’âge variable afin d’évaluer le fonctionnement de ces trois régions d’intérêt (ROIs) au cours du vieillissement normal et de différencier les effets liés à l’âge de ceux potentiellement liés à la pathologie (Etude 1). Une diminution statistiquement significative de la réponse BOLD au sein du CGL et de V1 avec l’âge a été observée, ces réponses corrélant de plus parfaitement avec les réponses perceptuelles estimées en psychophysique. Les voies magnocellulaire et parvocellulaire semblent jouer un rôle dans cette perte de sensibilité au contraste de luminance liée à l’âge. Nous avons dans un second temps testé notre protocole auprès de patients parkinsoniens de novo avant et après instauration du premier traitement dopaminergique afin d’évaluer les effets de la MP et du traitement sur le fonctionnement de nos ROIs (Etude 2). Une altération précoce du traitement du contraste a été observée au sein du CS et du CGL chez les patients parkinsoniens, non normalisée par l’instauration du traitement dopaminergique. Ces travaux de thèse ont ainsi mis en évidence un déficit fonctionnel du CS et du CGL survenant précocement durant l’évolution de la MP, confirmé par nos analyses de connectivité effective. Ces résultats pourraient favoriser l’identification de déficits liés à un dysfonctionnement sensoriel de ces structures tout comme le développement de tests paraclinique et clinique impliquant ce système pour un diagnostic plus précoce de la maladie. / Some visuo-motor impairments observed in the early stages of Parkinson’s disease (PD) might be related to a dysfunction of a subcortical structure connected to the basal ganglia, the superior colliculus (SC). The aim of this PhD thesis was to explore the functional state of the SC in newly diagnosed (de novo) PD patients before and after dopaminergic treatment intake, in order to evaluate the potential value of the SC functioning as a biomarker. To do this, we developed a functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) experimental protocol, which successfully imaged the SC and also the lateral geniculate nucleus (LGN) and primary visual area V1 functional activity and modulate their activity by using visual stimuli with low luminance contrast levels (<10%). Additionally, we estimated the perceptual response to contrast by using a psychophysical task. We tested in a first time this experimental protocol on healthy subjects with varying age in order to evaluate the effect of normal aging on the functioning of these regions of interest (ROIs) and to distinguish the effects related to age from those potentially related to the pathology (Study 1). A significant progressive decrease of the BOLD amplitude with age was observed in the LGN and V1. These data were consistent with the response functions obtained with the psychophysical task. These results indicate a significant luminance contrast sensitivity decline with age of both the magnocellular and parvocellular pathways. In a second time, we tested our protocol on de novo PD patients before and after the introduction of the first dopaminergic treatment in order to assess the effects of PD and treatment on the ROIs functioning (Study 2). Our results highlighted an early alteration of the contrast processing for the SC and LGN in PD patients, with no normalization after dopaminergic treatment introduction. These findings indicate a functional deficit of the SC and LGN that appears early in the disease course, in line with our effective connectivity analyses. These results could favor the identification of deficits linked to sensory dysfunction of these structures as well as the development of paraclinical and clinical tests involving this system for an early diagnosis of the disease.

Grâce aux innovations technologiques récentes, l’exploration cutanée est devenue de plus en plus facile et précise. Le relevé topographique de la surface de peau par projection de franges ainsi que l’exploration des structures intradermiques par microscopie confocale in-vivo en sont des exemples parfaits. La mise en place de ces techniques et les développements sont présentés dans cette thèse. L’apport de l’imagerie est évident tant pour le traitement des acquisitions de ces appareils que pour l’évaluation de paramètres cutanés à partir de photographie par exemple. L’extension du modèle LIP niveaux de gris à la couleur a été réalisée pour apporter une évaluation proche de celle d’un expert grâce aux fondements logarithmiques du modèle, proches de la vision humaine. Enfin, la classification de données dans une image, sujet omniprésent dans le traitement d’images, a été abordée par les classifications hiérarchiques ascendantes, utilisant un cadre mathématique rigoureux grâce aux métriques ultramétriques / Thanks to recent developments, skin evaluation has become easier and more accurate. Topographical evaluation of skin surface by fringes projection as intra-dermal structures and exploration by in-vivo laser confocal microscopy are some examples. The use and development of these tools are developed in this thesis. Image processing contribution is obvious, as much for the treatment of these tools acquisitions, as for cutaneous parameters evaluation, based on digital camera acquisitions for example. Grey level LIP model extension to color has been realized in order to bring way of analysis near to the expert one, thanks to logarithmic bases of this model, very close to the human vision. At least, data clustering in images, a redundant topic in image analysis, has been approached by ascending hierarchical clustering, using rigorous mathematical properties thanks to the ultrametric distances