L’inférence de génomes ancestraux est une étape essentielle pour l’étude de l’évolution des génomes. Connaissant les génomes d’espèces éteintes, on peut proposer des mécanismes biologiques expliquant les divergences entre les génomes des espèces modernes. Diverses méthodes visant à résoudre ce problème existent, se classant parmis deux grandes catégories : les méthodes de distance et les méthodes de synténie. L’état de l’art des distances génomiques ne permettant qu’un certain répertoire de réarrangements pour le moment, les méthodes de synténie sont donc plus appropriées en pratique. Nous proposons une méthode de synténie pour la reconstruction de génomes ancestraux basée sur une définition relaxée d’adjacences de gènes, permettant un contenu en gène inégal dans les génomes modernes causé par des pertes de gènes de même que des duplications de génomes entiers (DGE). Des simulations sont effectuées, démontrant une capacité de former une solution assemblée en un nombre réduit de régions ancestrales contigües par rapport à d’autres méthodes tout en gardant une bonne fiabilité. Des applications sur des données de levures et de plantes céréalières montrent des résultats en accord avec d’autres publications, notamment la présence de fusion imbriquée de chromosomes pendant l’évolution des céréales. / Ancestral genome inference is a decisive step for studying genome evolution. Knowing genomes from extinct species, one can propose biological mecanisms explaining divergences between extant species genomes. Various methods classified in two categories have been developped : distance based methods and synteny based methods. The state of the art of distance based methods only permit a certain repertoire of genomic rearrangements, thus synteny based methods are more appropriate in practice for the time being. We propose a synteny method for ancestral genome reconstruction based on a relaxed defenition of gene adjacencies, permitting unequal gene content in extant genomes caused by gene losses and whole genome duplications (WGD). Simulations results demonstrate our method’s ability to form a more assembled solution rather than a collection of contiguous ancestral regions (CAR) with respect to other methods, while maintaining a good reliability. Applications on data sets from yeasts and cereal species show results agreeing with other publications, notably the existence of nested chromosome fusion during the evolution of cereals.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans cette thèse on considère deux modèles de calcul qui abordent des problèmes qui se posent lors du traitement des grosses données. Le premier modèle est le modèle de streaming. Lors du traitement des grosses données, un accès aux données de façon aléatoire est trop couteux. Les algorithmes de streaming ont un accès restreint aux données: ils lisent les données de façon séquentielle (par passage) une fois ou peu de fois. De plus, les algorithmes de streaming utilisent une mémoire d'accès aléatoire de taille sous-linéaire dans la taille des données. Le deuxième modèle est le modèle de communication. Lors du traitement des données par plusieurs entités de calcul situées à des endroits différents, l'échange des messages pour la synchronisation de leurs calculs est souvent un goulet d'étranglement. Il est donc préférable de minimiser la quantité de communication. Un modèle particulier est la communication à sens unique entre deux participants. Dans ce modèle, deux participants calculent un résultat en fonction des données qui sont partagées entre eux et la communication se réduit à un seul message. On étudie les problèmes suivants: 1) Les couplages dans le modèle de streaming. L'entrée du problème est un flux d'arêtes d'un graphe G=(V,E) avec n=|V|. On recherche un algorithme de streaming qui calcule un couplage de grande taille en utilisant une mémoire de taille O(n polylog n). L'algorithme glouton remplit ces contraintes et calcule un couplage de taille au moins 1/2 fois la taille d'un couplage maximum. Une question ouverte depuis longtemps demande si l'algorithme glouton est optimal si aucune hypothèse sur l'ordre des arêtes dans le flux est faite. Nous montrons qu'il y a un meilleur algorithme que l'algorithme glouton si les arêtes du graphe sont dans un ordre uniformément aléatoire. De plus, nous montrons qu'avec deux passages on peut calculer un couplage de taille strictement supérieur à 1/2 fois la taille d'un couplage maximum sans contraintes sur l'ordre des arêtes. 2) Les semi-couplages en streaming et en communication. Un semi-couplage dans un graphe biparti G=(A,B,E) est un sous-ensemble d'arêtes qui couple tous les sommets de type A exactement une fois aux sommets de type B de façon pas forcement injective. L'objectif est de minimiser le nombre de sommets de type A qui sont couplés aux même sommets de type B. Pour ce problème, nous montrons un algorithme qui, pour tout 0<=ε<=1, calcule une O(n^((1-ε)/2))-approximation en utilisant une mémoire de taille Ô(n^(1+ε)). De plus, nous montrons des bornes supérieures et des bornes inférieurs pour la complexité de communication entre deux participants pour ce problème et des nouveaux résultats concernant la structure des semi-couplages. 3) Validité des fichiers XML dans le modèle de streaming. Un fichier XML de taille n est une séquence de balises ouvrantes et fermantes. Une DTD est un ensemble de contraintes de validité locales d'un fichier XML. Nous étudions des algorithmes de streaming pour tester si un fichier XML satisfait les contraintes décrites dans une DTD. Notre résultat principal est un algorithme de streaming qui fait O(log n) passages, utilise 3 flux auxiliaires et une mémoire de taille O(log^2 n). De plus, pour le problème de validation des fichiers XML qui décrivent des arbres binaires, nous présentons des algorithmes en un passage et deux passages qui une mémoire de taille sous-linéaire. 4) Correction d'erreur pour la distance du cantonnier. Alice et Bob ont des ensembles de n points sur une grille en d dimensions. Alice envoit un échantillon de petite taille à Bob qui, après réception, déplace ses points pour que la distance du cantonnier entre les points d'Alice et les points de Bob diminue. Pour tout k>0 nous montrons qu'il y a un protocole presque optimal de communication avec coût de communication Ô(kd) tel que les déplacements des points effectués par Bob aboutissent à un facteur d'approximation de O(d) par rapport aux meilleurs déplacements de d points. / In this PhD thesis, we consider two computational models that address problems that arise when processing massive data sets. The first model is the Data Streaming Model. When processing massive data sets, random access to the input data is very costly. Therefore, streaming algorithms only have restricted access to the input data: They sequentially scan the input data once or only a few times. In addition, streaming algorithms use a random access memory of sublinear size in the length of the input. Sequential input access and sublinear memory are drastic limitations when designing algorithms. The major goal of this PhD thesis is to explore the limitations and the strengths of the streaming model. The second model is the Communication Model. When data is processed by multiple computational units at different locations, then the message exchange of the participating parties for synchronizing their calculations is often a bottleneck. The amount of communication should hence be as little as possible. A particular setting is the one-way two-party communication setting. Here, two parties collectively compute a function of the input data that is split among the two parties, and the whole message exchange reduces to a single message from one party to the other one. We study the following four problems in the context of streaming algorithms and one-way two-party communication: (1) Matchings in the Streaming Model. We are given a stream of edges of a graph G=(V,E) with n=|V|, and the goal is to design a streaming algorithm that computes a matching using a random access memory of size O(n polylog n). The Greedy matching algorithm fits into this setting and computes a matching of size at least 1/2 times the size of a maximum matching. A long standing open question is whether the Greedy algorithm is optimal if no assumption about the order of the input stream is made. We show that it is possible to improve on the Greedy algorithm if the input stream is in uniform random order. Furthermore, we show that with two passes an approximation ratio strictly larger than 1/2 can be obtained if no assumption on the order of the input stream is made. (2) Semi-matchings in Streaming and in Two-party Communication. A semi-matching in a bipartite graph G=(A,B,E) is a subset of edges that matches all A vertices exactly once to B vertices, not necessarily in an injective way. The goal is to minimize the maximal number of A vertices that are matched to the same B vertex. We show that for any 0<=ε<=1, there is a one-pass streaming algorithm that computes an O(n^((1-ε)/2))-approximation using Ô(n^(1+ε)) space. Furthermore, we provide upper and lower bounds on the two-party communication complexity of this problem, as well as new results on the structure of semi-matchings. (3) Validity of XML Documents in the Streaming Model. An XML document of length n is a sequence of opening and closing tags. A DTD is a set of local validity constraints of an XML document. We study streaming algorithms for checking whether an XML document fulfills the validity constraints of a given DTD. Our main result is an O(log n)-pass streaming algorithm with 3 auxiliary streams and O(log^2 n) space for this problem. Furthermore, we present one-pass and two-pass sublinear space streaming algorithms for checking validity of XML documents that encode binary trees. (4) Budget-Error-Correcting under Earth-Mover-Distance. We study the following one-way two-party communication problem. Alice and Bob have sets of n points on a d-dimensional grid [Δ]^d for an integer Δ. Alice sends a small sketch of her points to Bob and Bob adjusts his point set towards Alice's point set so that the Earth-Mover-Distance of Bob's points and Alice's points decreases. For any k>0, we show that there is an almost tight randomized protocol with communication cost Ô(kd) such that Bob's adjustments lead to an O(d)-approximation compared to the k best possible adjustments that Bob could make.

Cette thèse a pour but d‘estimer la position et la puissance de sources sonores ponctuelles à l'aide d‘une antenne acoustique. Nous nous intéressons d‘abord à la directivité des antennes acoustiques pondérées. On montre qu‘une telle antenne, appelée antenne conventionnelle, même si elle est à directivité optimale, est inutilisable pour localiser plusieurs sources sonores. Des traitements adaptatifs d‘antenne sont donc exigés et les méthodes dites à haute résolution sont introduites. Elles sont basées sur l‘estimation de la matrice de covariance des signaux issus des capteurs et présentent l‘avantage de s‘affranchir des limitations naturelles du traitement d‘antenne conventionnel. Cependant, ces méthodes nécessitent l‘emploi d‘un modèle de propagation et sont donc par nature peu robustes aux erreurs de modèle, ce qui peut être parfois un handicap et dégrader leurs performances. Par la suite, nous présentons une nouvelle méthode de séparation des sources utilisant une représentation parcimonieuse des signaux. Nous montrons que ses performances sont meilleures que celles obtenues par les méthodes à haute résolution et notre algorithme parvient à une bonne résolution spatiale, même sous des conditions défavorables. Cette méthode est appliquée aux sources corrélées et décorrélées, à bande étroite et à large bande, en champ proche et en champ lointain. Pour finir, nous présentons des méthodes pour estimer la puissance des sources sonores. Des simulations numériques et des expérimentations en chambre anéchoïque sont effectuées afin de vérifier et de valider les analyses et les résultats théoriques / This thesis concerns the problem of sensor array source localization and power estimation by an acoustical array of sensors. In first the acoustical array directivity is treated. It is shown that such array is not useful for the localization of multiple sources. Adaptive arrays and high resolution methods are then introduced. They are based on the estimation of the sensor output covariance matrix and their performances overcome the natural limitations of the weighted beamforming processing. However, these methods require the use of a propagation model and are not robust to model errors. We present a new method which is an application of sparse regularization methodology to acoustical source localization using an acoustical array. Its performances are better than high-resolution methods and this method works very well in the case of correlated or uncorrelated signals, narrow band or wideband signals, near field or far field environments. Finally, a power estimation of sound sources by an acoustical array is presented. Numerical and experimental results in an anechoic room are presented showing the effectiveness of theoretical results

La base de la pratique médicale est l’observation : observation clinique du patient, observation épidémiologique d’une population, etc… L’analyse des pratiques observe la pluralité des attitudes adoptées par les praticiens face à une situation clinique. A un fait scientifique reconnu correspond une multitude d’attitudes pratiques. L’analyse de ces pratiques décrit la répartition et les variations de ces pratiques, et tente d’en expliquer les raisons. En France, la pratique clinique quotidienne reste encore un secteur peu étudié. Si les variations ne s’expliquent pas par les caractéristiques des patients, les raisons des variations sont peut-être à rechercher du côté médical. L’un des domaines étudié, où il peut y avoir également des variations de pratiques médicales est la cancérologie. Dans ce domaine les raisons de variations des pratiques peuvent être nombreuses et liées aux médecins, à leur structure ou à la politique d’hospitalisation de la région. Le postulat de départ est que l’harmonisation des prises en charge et des traitements des patients peut influencer leur survie. C’est pourquoi ce travail c’est intéressé à comparer la prise en charge des patients atteints de cancers fréquents (cancer du sein et du colon) à un cancer rare (les sarcomes) dans la région Rhône-Alpes. Nous avons montré, à travers des études prospectives et rétrospectives, le rôle du thesaurus et de son implémentation dans les pratiques médicales et leurs modifications. Nous avons également développé un outil informatique sous forme d’algorithmes décisionnels permettant de montrer le cas échéant si certaines étapes de l’audit clinique pouvaient être automatisées. La comparaison entre l’évaluation des pratiques médicales par un évaluateur et les algorithmes nous ont permis de conclure sur l’importance de la reproductibilité des décisions et sur les apports, de l’informatisation de ces procédés. Nous avons également montré l’importance d’une relecture des blocs de tumeurs par un expert dans une pathologie cancéreuse rare et complexe. Cela nous a permis de spécifier la nouvelle incidence des sarcomes en région Rhône-Alpes / Observation is the basis of medical practice: clinical observation of the patient, epidemiological observation of a population, and so on… the analysis of practices observes the plurality of attitudes physicians take when they face a clinical situation. An acknowledged scientific fact given meets dozen of practical attitudes. The analysis of these practices describes their distribution and variations and try to explain the causes. In France, the daily clinical practice is still a sector on which few studied have been realized. If patients' characteristics can't explain variations, the causes of these variations may be found on the medical side. Medical practice variations can also be found in oncology, one of the studied domains. Causes of variations of practices in this domain can be numerous and linked to physicians, to their structures or to the region hospital care .policy. The postulate is that the harmonization of management and treatment of patients can act up on their survival. That is the reason why this work get interested in comparing the management of patients with frequent cancers (breast and colon) to rare cancers (sarcomas) in the Rhône-Alpes region. We showed, through prospective and retrospective studies, the role of a thesaurus and of its implementation in medical practices and their modifications. We have also developed a computing tool in decision-making algorithm form which could show if need be if some steps of clinical audit could be automated. The comparison between the assessment of medical practice made by an assessor or made thanks to the algorithms allowed us to conclude on the importance of reproducibility of decisions and on the contribution of the computerization of these processes. We also showed the necessity for tumours samples to be reviewed by an expert in a rare and difficult cancerous pathology. We could therefore specify the new incidence of sarcomas in the Rhône-Alpes region

Dans cette thèse, nous cherchons à répondre à une problématique formulée par la DGA Techniques navales pour surveiller une zone stratégique : planifier le déploiement spatial et temporel optimal d’un ensemble de capteurs de façon à maximiser les chances de détecter une cible mobile et intelligente. La cible est dite intelligente car elle est capable de détecter sous certaines conditions les menaces que représentent les capteurs et ainsi de réagir en adaptant son comportement. Les déploiements générés pouvant aussi avoir un coût élevé nous devons tenir compte de ce critère lorsque nous résolvons notre problématique. Il est important de noter que la résolution d’un problème de ce type requiert, selon les besoins, l’application d’une méthode d’optimisation mono-objectif voire multiobjectif. Jusqu’à présent, les travaux existants n’abordent pas la question du coût des déploiements proposés. De plus la plupart d’entre eux ne se concentrent que sur un seul aspect à la fois. Enfin, pour des raisons algorithmiques, les contraintes sont généralement discrétisées.Dans une première partie, nous présentons un algorithme qui permet de déterminer le déploiement spatio-temporel de capteurs le plus efficace sans tenir compte de son coût. Cette méthode est une application à l’optimisation de la méthode multiniveau généralisée.Dans la seconde partie, nous montrons d’abord que l’utilisation de la somme pondérée des deux critères permet d’obtenir des solutions sans augmenter le temps de calcul. Pour notre seconde approche, nous nous inspirons des algorithmes évolutionnaires d’optimisation multiobjectif et adaptons la méthode multiniveau généralisée à l’optimisation multiobjectif. / In this work, we propose a solution to a problem issued by the DGA Techniques navales in order to survey a strategic area: determining the optimal spatio-temporal deployment of sensors that will maximize the detection probability of a mobile and smart target. The target is said to be smart because it is capable of detecting the threat of the sensors under certain conditions and then of adapting its behaviour to avoid it. The cost of a deployment is known to be very expensive and therefore it has to be taken into account. It is important to note that the wide spectrum of applications within this field of research also reflects the need for a highly complex theoretical framework based on stochastic mono or multi-objective optimisation. Until now, none of the existing works have dealt with the cost of the deployments. Moreover, the majority only treat one type of constraint at a time. Current works mostly rely on operational research algorithms which commonly model the constraints in both discrete space and time.In the first part, we present an algorithm which computes the most efficient spatio-temporal deployment of sensors, but without taking its cost into account. This optimisation method is based on an application of the generalised splitting method.In the second part, we first use a linear combination of the two criteria. For our second approach, we use the evolutionary multiobjective optimisation framework to adapt the generalised splitting method to multiobjective optimisation. Finally, we compare our results with the results of the NSGA-II algorithm.

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire noninvasive qui permet de quantifier les fonctions métaboliques des organes à partir de la diffusion d'un radiotraceur injecté dans le corps. Alors que l'imagerie statique est souvent utilisée afin d'obtenir une distribution spatiale de la concentration du traceur, une meilleure évaluation de la cinétique du traceur est obtenue par des acquisitions dynamiques. En ce sens, la TEP dynamique a suscité un intérêt croissant au cours des dernières années, puisqu'elle fournit des informations à la fois spatiales et temporelles sur la structure des prélèvements de traceurs en biologie \textit{in vivo}. Les techniques de quantification les plus efficaces en TEP dynamique nécessitent souvent une estimation de courbes temps-activité (CTA) de référence représentant les tissus ou une fonction d'entrée caractérisant le flux sanguin. Dans ce contexte, de nombreuses méthodes ont été développées pour réaliser une extraction non-invasive de la cinétique globale d'un traceur, appelée génériquement analyse factorielle. L'analyse factorielle est une technique d'apprentissage non-supervisée populaire pour identifier un modèle ayant une signification physique à partir de données multivariées. Elle consiste à décrire chaque voxel de l'image comme une combinaison de signatures élémentaires, appelées \textit{facteurs}, fournissant non seulement une CTA globale pour chaque tissu, mais aussi un ensemble des coefficients reliant chaque voxel à chaque CTA tissulaire. Parallèlement, le démélange - une instance particulière d'analyse factorielle - est un outil largement utilisé dans la littérature de l'imagerie hyperspectrale. En imagerie TEP dynamique, elle peut être très pertinente pour l'extraction des CTA, puisqu'elle prend directement en compte à la fois la non-négativité des données et la somme-à-une des proportions de facteurs, qui peuvent être estimées à partir de la diffusion du sang dans le plasma et les tissus. Inspiré par la littérature de démélange hyperspectral, ce manuscrit s'attaque à deux inconvénients majeurs des techniques générales d'analyse factorielle appliquées en TEP dynamique. Le premier est l'hypothèse que la réponse de chaque tissu à la distribution du traceur est spatialement homogène. Même si cette hypothèse d'homogénéité a prouvé son efficacité dans plusieurs études d'analyse factorielle, elle ne fournit pas toujours une description suffisante des données sousjacentes, en particulier lorsque des anomalies sont présentes. Pour faire face à cette limitation, les modèles proposés ici permettent un degré de liberté supplémentaire aux facteurs liés à la liaison spécifique. Dans ce but, une perturbation spatialement variante est introduite en complément d'une CTA nominale et commune. Cette variation est indexée spatialement et contrainte avec un dictionnaire, qui est soit préalablement appris ou explicitement modélisé par des non-linéarités convolutives affectant les tissus de liaisons non-spécifiques. Le deuxième inconvénient est lié à la distribution du bruit dans les images PET. Même si le processus de désintégration des positrons peut être décrit par une distribution de Poisson, le bruit résiduel dans les images TEP reconstruites ne peut généralement pas être simplement modélisé par des lois de Poisson ou gaussiennes. Nous proposons donc de considérer une fonction de coût générique, appelée $\beta$-divergence, capable de généraliser les fonctions de coût conventionnelles telles que la distance euclidienne, les divergences de Kullback-Leibler et Itakura-Saito, correspondant respectivement à des distributions gaussiennes, de Poisson et Gamma. Cette fonction de coût est appliquée à trois modèles d'analyse factorielle afin d'évaluer son impact sur des images TEP dynamiques avec différentes caractéristiques de reconstruction. / Thanks to its ability to evaluate metabolic functions in tissues from the temporal evolution of a previously injected radiotracer, dynamic positron emission tomography (PET) has become an ubiquitous analysis tool to quantify biological processes. Several quantification techniques from the PET imaging literature require a previous estimation of global time-activity curves (TACs) (herein called \textit{factors}) representing the concentration of tracer in a reference tissue or blood over time. To this end, factor analysis has often appeared as an unsupervised learning solution for the extraction of factors and their respective fractions in each voxel. Inspired by the hyperspectral unmixing literature, this manuscript addresses two main drawbacks of general factor analysis techniques applied to dynamic PET. The first one is the assumption that the elementary response of each tissue to tracer distribution is spatially homogeneous. Even though this homogeneity assumption has proven its effectiveness in several factor analysis studies, it may not always provide a sufficient description of the underlying data, in particular when abnormalities are present. To tackle this limitation, the models herein proposed introduce an additional degree of freedom to the factors related to specific binding. To this end, a spatially-variant perturbation affects a nominal and common TAC representative of the high-uptake tissue. This variation is spatially indexed and constrained with a dictionary that is either previously learned or explicitly modelled with convolutional nonlinearities affecting non-specific binding tissues. The second drawback is related to the noise distribution in PET images. Even though the positron decay process can be described by a Poisson distribution, the actual noise in reconstructed PET images is not expected to be simply described by Poisson or Gaussian distributions. Therefore, we propose to consider a popular and quite general loss function, called the $\beta$-divergence, that is able to generalize conventional loss functions such as the least-square distance, Kullback-Leibler and Itakura-Saito divergences, respectively corresponding to Gaussian, Poisson and Gamma distributions. This loss function is applied to three factor analysis models in order to evaluate its impact on dynamic PET images with different reconstruction characteristics.

Notre travail s'inscrit dans le cadre de la parallélisation d’algorithmes de calcul de la Ligne de Partage des Eaux (LPE) en particulier la LPE d’arêtes qui est une notion de la LPE introduite dans le cadre des Graphes à Arêtes Valuées. Nous avons élaboré un état d'art sur les algorithmes séquentiels de calcul de la LPE afin de motiver le choix de l'algorithme qui fait l'objet de notre étude qui est l'algorithme de calcul de noyau par M-bord. L'objectif majeur de cette thèse est de paralléliser cet algorithme afin de réduire son temps de calcul. En premier lieu, nous avons présenté les travaux qui se sont intéressés à la parallélisation des différentes variantes de la LPE et ce afin de dégager les problématiques que soulèvent cette tâche et les solutions adéquates à notre contexte. Dans un second lieu, nous avons montré que malgré la localité de l'opération de base de cet algorithme qui est l’abaissement de la valeur de certaines arêtes nommées arêtes M-bord, son exécution parallèle se trouve pénaliser par un problème de dépendance de données, en particulier au niveau des arêtes M-bord qui ont un sommet non minimum commun. Dans ce contexte, nous avons proposé trois stratégies de parallélisation de cet algorithme visant à résoudre ce problème de dépendance de données. La première stratégie consiste à diviser le graphe de départ en des bandes appelées partitions, et les traiter en parallèle sur P processeurs. La deuxième stratégie consiste à diviser les arêtes du graphe de départ en alternance en des sous-ensembles d’arêtes indépendantes. La troisième stratégie consiste à examiner les sommets au lieu des arêtes du graphe initial tout en préservant le paradigme d’amincissement sur lequel est basé l’algorithme séquentiel initial. Par conséquent, l’ensemble des sommets non-minima adjacents aux sommets minima sont traités en parallèle. En dernier lieu, nous avons étudié la parallélisation d'une technique de segmentation basée sur l'algorithme de calcul de noyau par M-bord. Cette technique comprend les étapes suivantes : la recherche des minima régionaux, la pondération des sommets et le calcul des sommets minima et enfin calcul du noyau par M-bord. A cet égard, nous avons commencé par faire une étude relative à la dépendance des données des différentes étapes qui la constituent et nous avons proposé des algorithmes parallèles pour chacune d'entre elles. Afin d'évaluer nos contributions, nous avons implémenté les différents algorithmes parallèles proposés dans le cadre de cette thèse sur une architecture multi-cœurs à mémoire partagée. Les résultats obtenus ont montré des gains en termes de temps d’exécution. Ce gain est traduit par des facteurs d’accélération qui augmentent avec le nombre de processeurs et ce quel que soit la taille des images à segmenter / Our work is a contribution of the parallelization of the Watershed Transform in particular the Watershed cuts which are a notion of watershed introduced in the framework of Edge Weighted Graphs. We have developed a state of art on the sequential watershed algorithms in order to motivate the choice of the algorithm that is the subject of our study, which is the M-border Kernel algorithm. The main objective of this thesis is to parallelize this algorithm in order to reduce its running time. First, we presented a review on the works that have treated the parallelization of the different types of Watershed in order to identify the issues raised by this task and the appropriate solutions to our context. In a second place, we have shown that despite the locality of the basic operation of this algorithm which is the lowering of some edges named the M-border edges; its parallel execution raises a data dependency problem, especially at the M-border edges which have a common non-minimum vertex. In this context, we have proposed three strategies of parallelization of this algorithm that solve this problematic: the first strategy consists of dividing the initial graph into bands called partitions processed in parallel by P processors. The second strategy is to divide the edges of the initial graph alternately into subsets of independent edges. The third strategy consists in examining the vertices instead of the edges of the initial graph while preserving the thinning paradigm on which the sequential algorithm is based. Therefore, the set of non-minima vertices adjacent to the minima ones are processed in parallel. Finally, we studied the parallelization of a segmentation technique based on the M-border kernel algorithm. This technique consists of three main steps which are: regional minima detection, vertices valuation and M-border kernel computation. For this purpose, we began by studying the data dependency of the different stages of this technique and we proposed parallel algorithms for each one of them. In order to evaluate our contributions, we implemented the parallel algorithms proposed in this thesis, on a shared memory multi-core architecture. The results obtained showed a notable gain in terms of execution time. This gain is translated by speedup factors that increase with the number of processors whatever is the resolution of the input images

La présente thèse du domaine de la « Perception Bio-inspirée » se focalise plus particulièrement sur l’Attention Visuelle Artificielle et la Saillance Visuelle. Un concept de l’Attention Visuelle Artificielle inspiré du vivant, conduisant un modèle d’une telle attention artificielle bio-inspirée, a été élaboré, mis en œuvre et testé dans le contexte de la robotique autonome. En effet, bien qu’il existe plusieurs dizaines de modèles de la saillance visuelle, à la fois en termes de contraste et de cognition, il n’existe pas de modèle hybridant les deux mécanismes d’attention : l’aspect visuel et l’aspect cognitif.Pour créer un tel modèle, nous avons exploré les approches existantes dans le domaine de l’attention visuelle, ainsi que plusieurs approches et paradigmes relevant des domaines connexes (tels que la reconnaissance d’objets, apprentissage artificiel, classification, etc.).Une architecture fonctionnelle d’un système d’attention visuelle hybride, combinant des principes et des mécanismes issus de l’attention visuelle humaine avec des méthodes calculatoires et algorithmiques, a été mise en œuvre, expliquée et détaillée.Une autre contribution majeure du présent travail doctoral est la modélisation théorique, le développement et l’application pratique du modèle d’Attention Visuelle bio-inspiré précité, pouvant constituer un socle pour l’autonomie des systèmes robotisés d’assistance.Les études menées ont conclu à la validation expérimentale des modèles proposés, confirmant la pertinence de l’approche proposée dans l’accroissement de l’autonomie des systèmes robotisés – et ceci dans un environnement réel / Dealing with the field of "Bio-inspired Perception", the present thesis focuses more particularly on Artificial Visual Attention and Visual Saliency. A concept of Artificial Visual Attention, inspired from the human mechanisms, providing a model of such artificial bio-inspired attention, was developed, implemented and tested in the context of autonomous robotics. Although there are several models of visual saliency, in terms of contrast and cognition, there is no hybrid model integrating both mechanisms of attention: the visual aspect and the cognitive aspect.To carryout such a model, we have explored existing approaches in the field of visual attention, as well as several approaches and paradigms in related fields (such as object recognition, artificial learning, classification, etc.).A functional architecture of a hybrid visual attention system, combining principles and mechanisms derived from human visual attention with computational and algorithmic methods, was implemented, explained and detailed.Another major contribution of this doctoral work is the theoretical modeling, development and practical application of the aforementioned Bio-inspired Visual Attention model, providing a basis for the autonomy of assistance-robotic systems.The carried out studies and experimental validation of the proposed models confirmed the relevance of the proposed approach in increasing the autonomy of robotic systems within a real environment

L’évaluation visuelle de lésions cutanées est l’analyse la plus couramment réalisée par les dermatologues. Ce diagnostic s’effectue principalement à l’œil nu et se base sur des critères tels que la taille, la forme, la symétrie mais principalement la couleur. Cependant, cette analyse est subjective car dépendante de l’expérience du praticien et des conditions d’utilisation. Nous proposons dans ce manuscrit (1) le développement d’une caméra multispectrale spécialement conçue pour un usage en dermatologie. Cette caméra multispectrale se base sur la technologie de roue porte-filtres composée de filtres interférentiels et d’un algorithme basé sur les réseaux de neurones générant un cube hyperspectral de données cutanées. Cet ensemble combine l’avantage d’un spectrophotomètre (information spectrale), et celui d’une caméra (information spatiale). Son intérêt est également de délivrer une information reproductible et indépendante des conditions d’acquisition. La mise en place d’un protocole d’acquisition de données de peaux saines issues de cinq des six phototypes existants a permis la validation de notre système en comparant les spectres générés par notre système avec des spectres théoriques acquis par un spectrophotomètre professionnel. (2) La réflectance spectrale de données de peau fournit une information précieuse, car directement liée à sa composition en chromophores. La mesure quantitative des propriétés optiques du tissu cutané peut être basée sur la modélisation de la propagation de la lumière dans la peau. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le modèle de Kubelka-Munk, auquel nous avons associé une méthode d’optimisation basée sur les algorithmes évolutionnaires. Cette dernière apporte une réponse à l’inversion de ce modèle. A partir de cette approche, la quantification de divers paramètres de la peau peut être obtenue, tels que la mélanine et l’hémoglobine. (3) La validation de cette méthodologie est effectuée sur des données pathologiques (vitiligo et melasma) et permet de quantifier une différence de composition entre zone saine et zone affectée sur une même image. / Visual evaluation of cutaneous lesions is the analysis the most commonly performedby dermatologists. This diagnostic is mainly done by naked eye and is based on criterionsuch as the size, shape, symmetry but principally on colour of the lesions. However, thisanalysis is subjective because it depends on the practician experience and the acquisitionconditions. We propose in this dissertation (1) the development of a multispectralcamera specifically dedicated for dermatological use. This device is based on a filterwheel composed of interferential filters and a neural network-based algorithm, generatinga hyperspectral cube of cutaneous data. This setting combines advantage of both spectrophotometer(spectral information) and digital camera (spatial information). Its maininterest is also to provide reproducible information which is independent of the acquisitionconditions. The setting-up of an acquisition protocol of healthy skin data from five of thesix exisiting skin phototypes allows the validation of our system by comparing spectragenerated by our system and theoretical spectra acquired by professional spectrophotometer.(2) Skin spectral reflectance provides precious information because it is directly linkedto the skin chromophore composition. Quantitative measure of cutaneous tissue opticalproperties can be based on the modelisation of light propagation in skin. For this purpose,we based our method on Kubelka-Munk model with which we associated an optimizationmethod based on evolutionary algorithm. This method helps for the model inversion.Using this approach, quantification of diverse parameters of skin can be obtained such asmelanin and haemoglobin. (3) The validation of this model is performed on disease skindata (vitiligo and melasma) and allows to quantify difference between healthy and affectedskin area within a single image.