En raison de la capacité et de l'amélioration des performances informatiques, les représentations structurelles sont devenues de plus en plus populaires dans le domaine de la reconnaissance de formes (RF). Quand les objets sont structurés à base de graphes, le problme de la comparaison d'objets revient à un problme d'appariement de graphes (Graph Matching). Au cours de la dernière décennie, les chercheurs travaillant dans le domaine de l'appariement de graphes ont porté une attention particulière à la distance d'édition entre graphes (GED), notamment pour sa capacité à traiter différent types de graphes. GED a été ainsi appliquée sur des problématiques spécifiques qui varient de la reconnaissance de molécules à la classi fication d'images. / Due to the inherent genericity of graph-based representations, and thanks to the improvement of computer capacities, structural representations have become more and more popular in the field of Pattern Recognition (PR). In a graph-based representation, vertices and their attributes describe objects (or part of them) while edges represent interrelationships between the objects. Representing objects by graphs turns the problem of object comparison into graph matching (GM) where correspondences between vertices and edges of two graphs have to be found.

Ces dernières années ont connu un regain d'intérêt pour l'utilisation des graphes comme moyen fiable de représentation et de modélisation des données, et ce, dans divers domaines de l'informatique. En particulier, pour les grandes masses de données, les graphes apparaissent comme une alternative prometteuse aux bases de données relationnelles. Plus particulièrement, le recherche de sous-graphes s'avère être une tâche cruciale pour explorer ces grands jeux de données. Dans cette thèse, nous étudions deux problématiques principales. Dans un premier temps, nous abordons le problème de la détection de motifs dans les grands graphes. Ce problème vise à rechercher les k-meilleures correspondances (top-k) d'un graphe motif dans un graphe de données. Pour cette problématique, nous introduisons un nouveau modèle de détection de motifs de graphe nommé la Simulation Relaxée de Graphe (RGS), qui permet d’identifier des correspondances de graphes avec un certain écart (structurel) et ainsi éviter le problème de réponse vide. Ensuite, nous formalisons et étudions le problème de la recherche des k-meilleures réponses suivant deux critères, la pertinence (la meilleure similarité entre le motif et les réponses) et la diversité (la dissimilarité entre les réponses). Nous considérons également le problème des k-meilleures correspondances diversifiées et nous proposons une fonction de diversification pour équilibrer la pertinence et la diversité. En outre, nous développons des algorithmes efficaces basés sur des stratégies d’optimisation en respectant le modèle proposé. Notre approche est efficiente en terme de temps d’exécution et flexible en terme d'applicabilité. L’analyse de la complexité des algorithmes et les expérimentations menées sur des jeux de données réelles montrent l’efficacité des approches proposées. Dans un second temps, nous abordons le problème de recherche agrégative dans des documents XML. Pour un arbre requête, l'objectif est de trouver des motifs correspondants dans un ou plusieurs documents XML et de les agréger dans un seul agrégat. Dans un premier temps nous présentons la motivation derrière ce paradigme de recherche agrégative et nous expliquons les gains potentiels par rapport aux méthodes classiques de requêtage. Ensuite nous proposons une nouvelle approche qui a pour but de construire, dans la mesure du possible, une réponse cohérente et plus complète en agrégeant plusieurs résultats provenant de plusieurs sources de données. Les expérimentations réalisées sur plusieurs ensembles de données réelles montrent l’efficacité de cette approche en termes de pertinence et de qualité de résultat. / Recent years have witnessed a growing renewed interest in the use of graphs as a reliable means for representing and modeling data. Thereby, graphs enable to ensure efficiency in various fields of computer science, especially for massive data where graphs arise as a promising alternative to relational databases for big data modeling. In this regard, querying data graph proves to be a crucial task to explore the knowledge in these datasets. In this dissertation, we investigate two main problems. In the first part we address the problem of detecting patterns in larger graphs, called the top-k graph pattern matching problem. We introduce a new graph pattern matching model named Relaxed Graph Simulation (RGS), to identify significant matches and to avoid the empty-set answer problem. We formalize and study the top-k matching problem based on two classes of functions, relevance and diversity, for ranking the matches according to the RGS model. We also consider the diversified top-k matching problem, and we propose a diversification function to balance relevance and diversity. Moreover, we provide efficient algorithms based on optimization strategies to compute the top-k and the diversified top-k matches according to the proposed model. The proposed approach is optimal in terms of search time and flexible in terms of applicability. The analyze of the time complexity of the proposed algorithms and the extensive experiments on real-life datasets demonstrate both the effectiveness and the efficiency of these approaches. In the second part, we tackle the problem of graph querying using aggregated search paradigm. We consider this problem for particular types of graphs that are trees, and we deal with the query processing in XML documents. Firstly, we give the motivation behind the use of such a paradigm, and we explain the potential benefits compared to traditional querying approaches. Furthermore, we propose a new method for aggregated tree search, based on approximate tree matching algorithm on several tree fragments, that aims to build, the extent possible, a coherent and complete answer by combining several results. The proposed solutions are shown to be efficient in terms of relevance and quality on different real-life datasets

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la recherche d’images similaires avec des descripteurs structurés par découpages d’images sur les graphes.Nous proposons une nouvelle approche appelée “bag-of-bags of words” (BBoW) pour la recherche d’images par le contenu (CBIR). Il s’agit d’une extension du modèle classique dit sac-de-mots (bag of words - BoW). Dans notre approche, une image est représentée par un graphe placé sur une grille régulière de pixels d’image. Les poids sur les arêtes dépendent de caractéristiques locales de couleur et texture. Le graphe est découpé en un nombre fixe de régions qui constituent une partition irrégulière de l’image. Enfin, chaque partition est représentée par sa propre signature suivant le même schéma que le BoW. Une image est donc décrite par un ensemble de signatures qui sont ensuite combinées pour la recherche d’images similaires dans une base de données. Contrairement aux méthodes existantes telles que Spatial Pyramid Matching (SPM), le modèle BBoW proposé ne repose pas sur l’hypothèse que des parties similaires d’une scène apparaissent toujours au même endroit dans des images d’une même catégorie. L’extension de cette méthode ` a une approche multi-échelle, appelée Irregular Pyramid Matching (IPM), est ´ également décrite. Les résultats montrent la qualité de notre approche lorsque les partitions obtenues sont stables au sein d’une même catégorie d’images. Une analyse statistique est menée pour définir concrètement la notion de partition stable.Nous donnons nos résultats sur des bases de données pour la reconnaissance d’objets, d’indexation et de recherche d’images par le contenu afin de montrer le caractère général de nos contributions / Image representation is a fundamental question for several computer vision tasks. The contributions discussed in this thesis extend the basic bag-of-words representations for the tasks of object recognition and image retrieval.In the present thesis, we are interested in image description by structural graph descriptors. We propose a model, named bag-of-bags of words (BBoW), to address the problems of object recognition (for object search by similarity), and especially Content-Based Image Retrieval (CBIR) from image databases. The proposed BBoW model, is an approach based on irregular pyramid partitions over the image. An image is first represented as a connected graph of local features on a regular grid of pixels. Irregular partitions (subgraphs) of the image are further built by using graph partitioning methods. Each subgraph in the partition is then represented by its own signature. The BBoW model with the aid of graphs, extends the classical bag-of-words (BoW) model by embedding color homogeneity and limited spatial information through irregular partitions of an image. Compared to existing methods for image retrieval, such as Spatial Pyramid Matching (SPM), the BBoW model does not assume that similar parts of a scene always appear at the same location in images of the same category. The extension of the proposed model to pyramid gives rise to a method we named irregular pyramid matching (IPM).The experiments demonstrate the strength of our approach for image retrieval when the partitions are stable across an image category. The statistical analysisof subgraphs is fulfilled in the thesis. To validate our contributions, we report results on three related computer vision datasets for object recognition, (localized)content-based image retrieval and image indexing. The experimental results in a database of 13,044 general-purposed images demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed BBoW framework.

La question de recherche des objets vidéo basés sur le contenu lui-même, est de plus en plus difficile et devient un élément obligatoire pour les moteurs de recherche vidéo. Cette thèse présente un cadre pour la recherche des objets vidéo définis par l'utilisateur et apporte deux grandes contributions. La première contribution, intitulée DOOR (Dynamic Object Oriented Retrieval), est un cadre méthodologique pour la recherche et récupération des instances d'objets vidéo sélectionnés par un utilisateur, tandis que la seconde contribution concerne le support offert pour la recherche des vidéos, à savoir la navigation dans les vidéo, le système de récupération de vidéos et l'interface avec son architecture sous-jacente.Dans le cadre DOOR, l'objet comporte une représentation hybride obtenues par une sur-segmentation des images, consolidé avec la construction des graphs d'adjacence et avec l'agrégation des points d'intérêt. L'identification des instances d'objets à travers plusieurs vidéos est formulée comme un problème d'optimisation de l'énergie qui peut approximer un tache NP-difficile. Les objets candidats sont des sous-graphes qui rendent une énergie optimale vers la requête définie par l'utilisateur. Quatre stratégies d'optimisation sont proposées: Greedy, Greedy relâché, recuit simulé et GraphCut. La représentation de l'objet est encore améliorée par l'agrégation des points d'intérêt dans la représentation hybride, où la mesure de similarité repose sur une technique spectrale intégrant plusieurs types des descripteurs. Le cadre DOOR est capable de s'adapter à des archives vidéo a grande échelle grâce à l'utilisation de représentation sac-de-mots, enrichi avec un algorithme de définition et d'expansion de la requête basée sur une approche multimodale, texte, image et vidéo. Les techniques proposées sont évaluées sur plusieurs corpora de test TRECVID et qui prouvent leur efficacité.La deuxième contribution, OVIDIUS (On-line VIDeo Indexing Universal System) est une plate-forme en ligne pour la navigation et récupération des vidéos, intégrant le cadre DOOR. Les contributions de cette plat-forme portent sur le support assuré aux utilisateurs pour la recherche vidéo - navigation et récupération des vidéos, interface graphique. La plate-forme OVIDIUS dispose des fonctionnalités de navigation hiérarchique qui exploite la norme MPEG-7 pour la description structurelle du contenu vidéo. L'avantage majeur de l'architecture propose c'est sa structure modulaire qui permet de déployer le système sur terminaux différents (fixes et mobiles), indépendamment des systèmes d'exploitation impliqués. Le choix des technologies employées pour chacun des modules composant de la plate-forme est argumentée par rapport aux d'autres options technologiques.

La question de recherche des objets vidéo basés sur le contenu lui-même, est de plus en plus difficile et devient un élément obligatoire pour les moteurs de recherche vidéo. Cette thèse présente un cadre pour la recherche des objets vidéo définis par l'utilisateur et apporte deux grandes contributions. La première contribution, intitulée DOOR (Dynamic Object Oriented Retrieval), est un cadre méthodologique pour la recherche et récupération des instances d'objets vidéo sélectionnés par un utilisateur, tandis que la seconde contribution concerne le support offert pour la recherche des vidéos, à savoir la navigation dans les vidéo, le système de récupération de vidéos et l'interface avec son architecture sous-jacente.Dans le cadre DOOR, l’objet comporte une représentation hybride obtenues par une sur-segmentation des images, consolidé avec la construction des graphs d’adjacence et avec l’agrégation des points d'intérêt. L'identification des instances d'objets à travers plusieurs vidéos est formulée comme un problème d’optimisation de l'énergie qui peut approximer un tache NP-difficile. Les objets candidats sont des sous-graphes qui rendent une énergie optimale vers la requête définie par l'utilisateur. Quatre stratégies d'optimisation sont proposées: Greedy, Greedy relâché, recuit simulé et GraphCut. La représentation de l'objet est encore améliorée par l'agrégation des points d'intérêt dans la représentation hybride, où la mesure de similarité repose sur une technique spectrale intégrant plusieurs types des descripteurs. Le cadre DOOR est capable de s’adapter à des archives vidéo a grande échelle grâce à l'utilisation de représentation sac-de-mots, enrichi avec un algorithme de définition et d’expansion de la requête basée sur une approche multimodale, texte, image et vidéo. Les techniques proposées sont évaluées sur plusieurs corpora de test TRECVID et qui prouvent leur efficacité.La deuxième contribution, OVIDIUS (On-line VIDeo Indexing Universal System) est une plate-forme en ligne pour la navigation et récupération des vidéos, intégrant le cadre DOOR. Les contributions de cette plat-forme portent sur le support assuré aux utilisateurs pour la recherche vidéo - navigation et récupération des vidéos, interface graphique. La plate-forme OVIDIUS dispose des fonctionnalités de navigation hiérarchique qui exploite la norme MPEG-7 pour la description structurelle du contenu vidéo. L'avantage majeur de l'architecture propose c’est sa structure modulaire qui permet de déployer le système sur terminaux différents (fixes et mobiles), indépendamment des systèmes d'exploitation impliqués. Le choix des technologies employées pour chacun des modules composant de la plate-forme est argumentée par rapport aux d'autres options technologiques. / With the ever increasing amount of available video content on video repositories the issue of content-based video objects retrieval is growing in difficulty and becomes a mandatory feature for video search engines.The present thesis advances a user defined video object retrieval framework and brings two major contributions. The first contribution is a methodological framework for user selected video object instances retrieval, entitled DOOR (Dynamic Object Oriented Retrieval), while the second one concerns the support offered for video retrieval, namely the video navigation and retrieval system and interface and its underlying architecture.Under the DOOR framework, the user defined video object comports a hybrid representation obtained by over-segmenting the frames, constructing region adjacency graphs and aggregating interest points. The identification of object instances across multiple videos is formulated as an energy optimization problem approximating an NP-hard problem. Object candidates are sub-graphs that yield an optimum energy towards the user defined query. In order to obtain the optimum energy four optimization strategies are proposed: Greedy, Relaxed Greedy, Simulated Annealing and GraphCut. The region-based object representation is further improved by the aggregation of interest points into a hybrid object representation. The similarity between an object and a frame is achieved with the help of a spectral matching technique integrating both colorimetric and interest points descriptors.The DOOR framework is suitable to large scale video archives through the use of a Bag-of-Words representation enriched with a query definition and expansion mechanism based on a multi-modal, text-image-video principle.The performances of the proposed techniques are evaluated on multiple TRECVID video datasets prooving their effectiveness.The second contribution is related to the user support for video retrieval - video navigation, video retrieval, graphical interface - and consists in the OVIDIUS (On-line VIDeo Indexing Universal System) on-line video browsing and retrieval platform. The OVIDIUS platform features hierarchical video navigation functionalities that exploit the MPEG-7 approach for structural description of video content. The DOOR framework is integrated in the OVIDIUS platform, ensuring the search functionalities of the system. The major advantage of the proposed system concerns its modular architecture which makes it possible to deploy the system on various terminals (both fixed and mobile), independently of the exploitation systems involved. The choice of the technologies employed for each composing module of the platform is argumented in comparison with other technological options. Finally different scenarios and use cases for the OVIDIUS platform are presented.

Cette thèse se situe à l’intersection de deux domaines de recherche scientifique la Reconnaissance d’Objets Structurels (ROS) et la Recherche Opérationnelle (RO). Le premier consiste à rendre la machine plus intelligente et à reconnaître les objets, en particulier ceux basés sur les graphes. Alors que le second se focalise sur la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire difficiles. L’idée principale de cette thèse est de combiner les connaissances de ces deux domaines. Parmi les problèmes difficiles existants en ROS, le problème de la distance d’édition entre graphes (DEG) a été sélectionné comme le cœur de ce travail. Les contributions portent sur la conception de méthodes adoptées du domaine RO pour la résolution du problème de DEG. Explicitement, des nouveaux modèles linéaires en nombre entiers et des matheuristiques ont été développé à cet effet et de très bons résultats ont été obtenus par rapport à des approches existantes. / This thesis is focused on Graph Matching (GM) problems and in particular the Graph Edit Distance (GED) problems. There is a growing interest in these problems due to their numerous applications in different research domains, e.g. biology, chemistry, computer vision, etc. However, these problems are known to be complex and hard to solve, as the GED is a NP-hard problem. The main objectives sought in this thesis, are to develop methods for solving GED problems to optimality and/or heuristically. Operations Research (OR) field offers a wide range of exact and heuristic algorithms that have accomplished very good results when solving optimization problems. So, basically all the contributions presented in thesis are methods inspired from OR field. The exact methods are designed based on deep analysis and understanding of the problem, and are presented as Mixed Integer Linear Program (MILP) formulations. The proposed heuristic approaches are adapted versions of existing MILP-based heuristics (also known as matheuristics), by considering problem-dependent information to improve their performances and accuracy.