L'Internet des objets (loT) est devenu une réalité et ses applications pressenties vont fortement augmenter la demande de vidéo mobile. En conséquence, les systèmes montent en complexité algorithmique et le portage du codage vidéo sur plates-formes embarquées devient problématique. Les nouveaux contenus vidéo 4K et 360°, venant avec des résolutions spatiales (8K, 16K) et temporelles (120 images/seconde élevées compliquent encore le problème. Il est donc nécessaire de réduire l'empreinte des nouveaux codec tels que HEVC tout en préservant les performances en compression et en qualité d'image de ces codecs, La performance énergétique limitée des batteries des systèmes embarqués pousse à proposer de nouvelle méthodes pour ajuster et contrôler la complexité et l'énergie des codecs HEVC. Ce document propose un ensemble d'études dont l'objectif est d'ajuster et de contrôler la complexité et donc la consommation énergétique de l'encodeur HEVC. Deux méthodes de prédiction de découpe de CTU sont proposées : la première basée sur une approche statistique utilisant la variance de l'image et la seconde utilisant l'intelligence artificielle. À partir de cette prédiction, une méthode est proposée pour ajuster la complexité de l'encodage HEVC. Cette solution étend l'espace de recherche autour de la prédiction et alloue la complexité dans l'image afin de minimiser les dégradations en termes de compression et de qualité. Enfin un système de contrôle temps réel de la complexité d'encodage est proposé. Il démontre l'applicabilité de contributions de ce document en maintenant la complexité d'encodage proche d'une consigne. / The Internet of Things (loT) is now a reality. Forthcoming applications will boost mobile video demand to an unprecedented level. The induced increase in computational complexity is a challenge when executing in real-time new video coding standards on embedded platforms, limited in computing, memory, and energy. New 4K UHD and 360-degree video contents coming with high spatial (SK, 16K) and temporal (120fp resolutions further complicate the problem. In this context, codecs such as HEVC (High Efficiency Vide Coding) must be worked on to reduce their complexity while preserving the bitrate and image quality. Th bounded energy density of embedded system's batteries requires designers to propose new methods scaling and controlling the complexity and energy consumption of HEVC codecs. This document presents a set of studies aiming at scaling and controlling the complexity, and therefore the energy consumption, of HEVC Intra encoding. Two methods of quad-tree partitioning prediction in "one-shot are proposed: one based on variance-aware statistic approach and one based on Machine Learning using data-mining classifiers. From the obtained prediction, a generic tunable complexity scheme of HEVC encoding is introduced. It expands the search space around the original partitioning prediction and allocates complexit in a frame while minimizing performance loss in terms of bitrate and visual quality. Finally, a real-time contr system is created that dynamically manages the encoding process to keep the encoding complexity under specific tarjet. It demonstrates the a licability of the mayor contributions of this document.

Can robots of a swarm cooperate to solve together a complex cognitive problem that none of them can solve alone? TS-Swarm is a robot swarm that autonomously sequences tasks at run time and can therefore operate even if the correct order of execution is unknown at design time. The ability to sequence tasks endows robot swarms with unprecedented autonomy and is an important step towards the uptake of swarm robotics in a range of practical applications. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le monoxyde d’azote (NO), un neurotransmetteur important en biologie, a attiré l’attention ces dernières années pour son rôle majeur joué dans l’apparition d’une myriade de maladies telles que certains cancers, diabètes etc. Comprendre les mécanismes biologiques liés à la production du NO pourrait aboutir à la découverte de nouveaux moyens thérapeutiques. Cependant, le fonctionnement de l’enzyme qui produit le monoxyde d’azote, la NO-Synthase, n’est pas complétement élucidé. Dans ce but, des approches biomimétiques peuvent apporter une solution. Les microréacteurs ou proto-cellules, enveloppes imitant sommairement la compartimentation cellulaire sont un outil de choix, permettant de répliquer un environnement contrôlé où les concentrations et distances de réactions sont proches d’une cellule, permettant ainsi d’étudier le fonctionnement de la NO-Synthase. Cette thèse présente trois problématiques qui ont pour but de développer un tel microréacteur encapsulant la NO-Synthase : (1) la libération contrôlé d’espèces réactives déclenchée par un stimulus lumineux, (2) le suivi de l’activité de l’enzyme par des sondes fluorescentes et (3) le contrôle de la réaction enzymatique dans l’espace et dans le temps. Deux systèmes ont été étudiés pour libérer de manière contrôlée des espèces: la première consiste à déstabiliser des nano polymersomes par photo-clivage du copolymère qui le constitue. Le deuxième système est basé sur une rapide augmentation de la pression osmotique par irradiation à l’intérieur des polymersomes, induisant un éclatement de ceux-ci et la libération d’espèces encapsulées. La deuxième problématique abordée est le suivi de l’activité enzymatique au moyen de sondes hydrophobes et hydrophiles fluorescentes qui détectent le monoxyde d’azote à différent endroits du microréacteur. Le dernier point abordé est l’étude des microréacteur et la libération contrôlé en leur sein. / Nitric oxide (NO) has been identified as an important chemical messenger in cells and living organisms. Understanding the mechanism involved in NO production by NO-synthase is of fundamental importance. Mimicking basic cell functions by encapsulating NO-synthase in a controlled and confined cell like environment, could help provide information about the enzyme. Polymersomes resulting from the self-assembly of amphiphilic block copolymers were used as the synthetic cell like microreactor. To this end, three major challenges were addressed in this thesis: (1) controlling species release and concentration inside the microreactor, (2) measuring the enzyme response by NO detection and (3) controlling enzymatic reactions in space and time inside a microreactor. Light was used as the exogenous stimulus to induce release; its application is instantaneous, non-invasive and easy to control spatially and temporally. Two different ways to release species via light excitation were explored. The first strategy involves destabilization of nanopolymersomes by block separation, induced by copolymer photocleavage. The second strategy was to induce fast osmotic pressure increase of the polymersomes internal medium, resulting in bursting and species release. In order to monitor NO production by NO-synthase in different parts of the microreactor, hydrophobic and hydrophilic fluorescent NO probes have been synthesized and studied showing excellent correlation with NO concentration. The release of species inside microreactor was finally achieved in order to control enzymatic reaction.

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Les robots ont profondément transformé l’industrie manufacturière et sont susceptibles de délivrer de grands bénéfices pour la société, par exemple en intervenant sur des lieux de catastrophes naturelles, lors de secours à la personne ou dans le cadre de la santé et des transports. Ce sont aussi des outils précieux pour la recherche scientifique, comme pour l’exploration des planètes ou des fonds marins. L’un des obstacles majeurs à leur utilisation en dehors des environnements parfaitement contrôlés des usines ou des laboratoires, est leur fragilité. Alors que les animaux peuvent rapidement s’adapter à des blessures, les robots actuels ont des difficultés à faire preuve de créativité lorsqu’ils doivent surmonter un problème inattendu: ils sont limités aux capteurs qu’ils embarquent et ne peuvent diagnostiquer que les situations qui ont été anticipées par leur concepteurs. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui consiste à laisser le robot apprendre de lui-même un comportement palliant la panne. Cependant, les méthodes actuelles d’apprentissage sont lentes même lorsque l’espace de recherche est petit et contraint. Pour surmonter cette limitation et permettre une adaptation rapide et créative, nous combinons la créativité des algorithmes évolutionnistes avec la rapidité des algorithmes de recherche de politique à travers trois contributions : les répertoires comportementaux, l’adaptation aux dommages et le transfert de connaissance entre plusieurs tâches. D’une manière générale, ces travaux visent à apporter les fondations algorithmiques permettant aux robots physiques d’être plus robustes, performants et autonomes. / Robots have transformed many industries, most notably manufacturing, and have the power to deliver tremendous benefits to society, for example in search and rescue, disaster response, health care, and transportation. They are also invaluable tools for scientific exploration of distant planets or deep oceans. A major obstacle to their widespread adoption in more complex environments and outside of factories is their fragility. While animals can quickly adapt to injuries, current robots cannot “think outside the box” to find a compensatory behavior when they are damaged: they are limited to their pre-specified self-sensing abilities, which can diagnose only anticipated failure modes and strongly increase the overall complexity of the robot. In this thesis, we propose a different approach that considers having robots learn appropriate behaviors in response to damage. However, current learning techniques are slow even with small, constrained search spaces. To allow fast and creative adaptation, we combine the creativity of evolutionary algorithms with the learning speed of policy search algorithms through three contributions: the behavioral repertoires, the damage recovery using these repertoires and the transfer of knowledge across tasks. Globally, this work aims to provide the algorithmic foundations that will allow physical robots to be more robust, effective and autonomous.

La coopération est un comportement présent en abondance dans le vivant et central à la plupart des transitions majeures en évolution. Pourtant, son évolution est difficile à expliquer. En particulier, l'origine des comportements de coopération mutualiste, qui sont bénéfiques à tous les participants, à été peu étudiés. Dans cette thèse, nous nous intéressons au rôle de la coordination dans l'évolution de la coopération mutualiste à l'aide d'outils en robotique évolutionniste. Dans un premier temps, nous modélisons en robotique évolutionniste l'évolution de la coopération dans une tâche de chasse collective afin d'étudier l'influence des mécanismes sous-jacent aux comportements de coordination sur l'évolution de la coopération. Nous montrons notamment la nécessité d'utiliser des modèles qui considèrent les aspects plus pratiques du comportement. Dans un second temps, nous nous intéressons à la conception de robots coopératifs à l'aide de la robotique évolutionniste. Nous étudions notamment l'influence de la composition génétique des groupes de robots sur l'efficacité des comportements de coordination. Cette thèse contribue donc de deux manières différentes au sujet général de l'évolution de la coopération : par de la modélisation de problèmes biologiques et la conception de robots collectifs. / Cooperation is a behaviour that is prevalent in living beings and is central to most of the major transitions in evolution. Yet explaining its origin is a challenge. In particular, the evolution of mutualistic behaviours, where every individual benefits from this behaviour, has been relatively ignored. In this thesis, we are interested in the role of coordination in the evolution of mutualistic cooperation. To that end, we use tools from evolutionary robotics. First, we model the evolution of cooperation in a collective hunting task with evolutionary robotics. We want to study the influence of the underlying mechanisms of coordination behaviours on the evolution of cooperation. We reveal that it is necessary to consider modeling techniques that account for the more practical aspects of behaviours. Then, we are interested in the design of cooperative robots with evolutionary robotics. We study the influence of genetic team composition on the efficiency of coordination behaviours. Therefore, this thesis contributes to the general subject of the evolution of cooperation in two different manners: modeling biological problems and designing collective robots.

Le concept de “Business Rule Management System” (BRMS) a été introduit pour faciliter la création, la vérification, le déploiement et l'exécution des politiques commerciales propres à chaque compagnie. Basée sur une approche symbolique, l'idée générale est de permettre aux utilisateurs métier de gérer les changements des règles métier dans le système sans avoir besoin de recourir à des compétences techniques. Il s'agit donc de fournir à ces derniers la possibilité de formuler des politiques commerciales et d'automatiser leur traitement tout en restant proche du langage naturel. De nos jours, avec l'expansion de ce type de systèmes, il faut faire face à des logiques de décision de plus en plus complexes et à de larges volumes de données. Il n'est pas toujours facile d'identifier les causes conduisant à une décision. On constate ainsi un besoin grandissant de justifier et d'optimiser les décisions dans de courts délais qui induit l'intégration à ses systèmes d'une composante d'explication évoluée. Le principal enjeu de ces recherches est de fournir une approche industrialisable de l'explication des processus de décision d'un BRMS et plus largement d'un système à base de règles. Cette approche devra être en mesure d'apporter les informations nécessaires à la compréhension générale de la décision, de faire office de justification auprès d'entités internes et externes ainsi que de permettre l'amélioration des moteurs de règles existants. La réflexion se portera tant sur la génération des explications en elles-mêmes que sur la manière et la forme sous lesquelles elles seront délivrées. / The concept of “Business Rule Management System” (BRMS) has been introduced in order to facilitate the design, the management and the execution of company-specific business policies. Based on a symbolic approach, the main idea behind these tools is to enable the business users to manage the business rule changes in the system without requiring programming skills. It is therefore a question of providing them with tools that enable to formulate their business policies in a near natural language form and automate their processing. Nowadays, with the expansion of intelligent systems, we have to cope with more and more complex decision logic and large volumes of data. It is not straightforward to identify the causes leading to a decision. There is a growing need to justify and optimize automated decisions in a short time frame, which motivates the integration of advanced explanatory component into its systems. Thus, the main challenge of this research is to provide an industrializable approach for explaining the decision-making processes of business rules applications and more broadly rule-based systems. This approach should be able to provide the necessary information for enabling a general understanding of the decision, to serve as a justification for internal and external entities as well as to enable the improvement of existing rule engines. To this end, the focus will be on the generation of the explanations in themselves as well as on the manner and the form in which they will be delivered.

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats. / The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced.

La demande énergétique de l’humanité augmente rapidement et ne montre aucun signe de ralentissement. Parallèlement à cette problématique, l'utilisation abusive de combustibles fossiles est l'une des principales causes d'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère. Ces problèmes doivent être résolus en termes de limitation des émissions de CO₂ et de recherche de sources d'énergie renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles. De nos jours, l’énergie solaire est l’une des sources d’énergie renouvelables les plus efficaces. La conversion de l'énergie de la lumière solaire en électricité dans le photovoltaïque ou en énergie chimique par le biais de processus photocatalytiques implique invariablement un transfert d'énergie photo-induit et un transfert d'électrons. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier les processus photo-induits dans les photosystèmes moléculaires utilisant la photolyse par flash laser. Le premier thème de cette thèse porte sur l’étude du transfert monoélectronique dans des systèmes de dyades donneur-accepteur en vue d’optimiser l’efficacité de la séparation des charges et de son application dans la cellule solaire organique photovoltaïque. Le deuxième thème de cette thèse porte sur l’étude de deux systèmes modèles de photosynthèse artificielle étudiés pour la possibilité d’une accumulation de charge par étapes. Ensuite, différents systèmes photocatalytiques, développés pour la photoréduction du CO₂, ont été étudiés. La compréhension des processus photo-induits devraient permettre l’amélioration de l'efficacité de la réduction du CO₂ dans les systèmes photocatalytiques pratiques. / The energy demand of humanity is increasing rapidly, and shows no signs of slowing. Alongside this issue, abuse using fossil fuels is one of the main reasons which leads to an increase in atmospheric CO₂ concentration. These problems have to be solved in terms of both limiting CO₂ emission and finding renewable energy sources to replace fossil fuels. Nowadays, solar energy appears as one of the most effective renewable energy sources. Conversion of solar light energy to electricity in photovoltaics or to chemical energy through photocatalytic processes invariably involves photoinduced energy transfer and electron transfer. In this context, the aim of the thesis focuses on studying photoinduced processes in molecular photosystems using laser flash photolysis. The first theme of this thesis focus on studying single electron transfer in Donor-Acceptor Dyad systems towards optimization efficiency of charge separation and application in the photovoltaic organic solar cell. In the second theme of this thesis, two model systems of artificial photosynthesis were investigated to assess the possibility of stepwise charge accumulation on model molecules. A fairly good global yield of approximately 9% for the two charge accumulation on MV²⁺ molecule was achieved. Then, different photocatalytic systems, which have developed for CO₂ reduction, were studied. Understanding of the photoinduced processes is an important step toward improving the efficiency of reduction of CO₂ in practical photocatalytic systems.

Les agents virtuels conversationnels ayant un comportement social reposent souvent sur au moins deux disciplines différentes : l’informatique et la psychologie. Dans la plupart des cas, les théories psychologiques sont converties en un modèle informatique afin de permettre aux agents d’adopter des comportements crédibles. Nos travaux de thèse se positionnent au croisement de ces deux champs disciplinaires. Notre objectif est de renforcer la crédibilité des agents conversationnels. Nous nous intéressons aux agents conversationnels orientés tâche, qui sont utilisés dans un contexte professionnel pour produire des réponses à partir d’une base de connaissances métier. Nous proposons un modèle affectif pour ces agents qui s’inspire des mécanismes affectifs chez l’humain. L’approche que nous avons choisie de mettre en œuvre dans notre modèle s’appuie sur la théorie des Tendances à l’Action en psychologie. Nous avons proposé un modèle des émotions en utilisant un formalisme inspiré de la logique BDI pour représenter les croyances et les buts de l’agent. Ce modèle a été implémenté dans une architecture d’agent conversationnel développée au sein de l’entreprise DAVI. Afin de confirmer la pertinence de notre approche, nous avons réalisé plusieurs études expérimentales. La première porte sur l’évaluation d’expressions verbales de la tendance à l’action. La deuxième porte sur l’impact des différentes stratégies de régulation possibles sur la perception de l’agent par l’utilisateur. Enfin, la troisième étude porte sur l’évaluation des agents affectifs en interaction avec des participants. Nous montrons que le processus de régulation que nous avons implémenté permet d’augmenter la crédibilité et le professionnalisme perçu des agents, et plus généralement qu’ils améliorent l’interaction. Nos résultats mettent ainsi en avant la nécessité de prendre en considération les deux mécanismes émotionnels complémentaires : la génération et la régulation des réponses émotionnelles. Ils ouvrent des perspectives sur les différentes manières de gérer les émotions et leur impact sur la perception de l’agent. / Conversational virtual agents with social behavior are often based on at least two different disciplines : computer science and psychology. In most cases, psychological findings are converted into computational mechanisms in order to make agents look and behave in a believable manner. In this work, we aim at increasing conversational agents’ belivielibity and making human-agent interaction more natural by modelling emotions. More precisely, we are interested in task-oriented conversational agents, which are used as a custumer-relationship channel to respond to users request. We propose an affective model of emotional responses’ generation and control during a task-oriented interaction. Our proposed model is based, on one hand, on the theory of Action Tendencies (AT) in psychology to generate emotional responses during the interaction. On the other hand, the emotional control mechanism is inspired from social emotion regulation in empirical psychology. Both mechanisms use agent’s goals, beliefs and ideals. This model has been implemented in an agent architecture endowed with a natural language processing engine developed by the company DAVI. In order to confirm the relevance of our approach, we realized several experimental studies. The first was about validating verbal expressions of action tendency in a human-agent dialogue. In the second, we studied the impact of different emotional regulation strategies on the agent perception by the user. This study allowed us to design a social regulation algorithm based on theoretical and empirical findings. Finally, the third study focuses on the evaluation of emotional agents in real-time interactions. Our results show that the regulation process contributes in increasing the credibility and perceived competence of agents as well as in improving the interaction. Our results highlight the need to take into consideration of the two complementary emotional mechanisms : the generation and regulation of emotional responses. They open perspectives on different ways of managing emotions and their impact on the perception of the agent.