L’objectif de cette thèse était de proposer, valider et comparer des méthodes de fusion d’images provenant d’un capteur héliosynchrone multispectral et d’un capteur géostationnaire multispectral, pour produire des cartes de composition de l’eau détaillées spatialement et les mieux rafraîchies possibles. Notre méthodologie a été appliquée au capteur héliosynchrone OLCI sur Sentinel-3 et au capteur géostationnaire FCI sur Météosat Troisième Génération. Dans un premier temps, la sensibilité des deux capteurs à la couleur de l’eau a été analysée. Les images des capteurs OLCI et FCI n’étant pas encore disponibles, ont donc été simulées sur le Golfe du Lion, grâce à des cartes d’hydrosols (chlorophylle, matières en suspension et matières organiques dissoutes) et à des modèles de transfert radiatifs (Hydrolight et Modtran). Deux méthodes de fusion ont ensuite été adaptées puis testées à partir des images simulées : la méthode SSTF (Spatial, Spectral, Temporal Fusion) inspirée de la fusion de (Vanhellemont et al., 2014) et la méthode STARFM (Spatial Temporal Adaptative Reflectance Fusion Model) de (Gao et al., 2006). Les résultats de fusion ont alors été validés avec des images de référence simulées et les cartes d’hydrosols estimées à partir de ces images ont été comparées aux cartes utilisées en entrée des simulations. Pour améliorer le SNR des images FCI, un filtrage temporel a été proposé. Enfin, comme le but est d’obtenir des indicateurs de qualité de l’eau, nous avons testé les méthodes de fusion sur les cartes d’hydrosols estimées à partir des images FCI et OLCI simulées. / The objective of this thesis was to propose, validate and compare fusion methods of images provided by a Low Earth Orbit multispectral sensor and a geostationary multispectral sensor in order to obtain water composition maps with spatial details and high temporal resolution. Our methodology was applied to OLCI Low Earth Orbit sensor on Sentinel-3 and FCI Geostationary Earth Orbit (GEO) sensor on Meteosat Third Generation. Firstly, the sensor sensivity, regarding the water color, was analyzed. As the images from both sensors were not available, they were simulated on the Golf of Lion, thanks to hydrosol maps (chl, SPM and CDOM) and radiative transfer models (Hydrolight and Modtran). Two fusion methods were then adapted and tested with the simulated images: the SSTF (Spatial, Spectral, Temporal Fusion) method inspired from the method developed by (Vanhellemont et al., 2014)) and the STARFM (Spatial Temporal Adaptative Reflectance Fusion Model) method from (Gao et al., 2006)). The fusion results were then validated with the simulated reference images and by estimating the hydrosol maps from the fusion images and comparing them with the input maps of the simulation process. To improve FCI SNR, a temporal filtering was proposed. Finally, as the aim is to obtain a water quality indicator, the fusion methods were adapted and tested on the hydrosol maps estimated with the FCI and OLCI simulated images.

La détection et la segmentation de formes dans les images à partir d'un échantillon nécessitent de combiner une analyse statistique des données à une analyse morphologique de l'image. L'analyse statique a pour objectif un calcul local de la similarité de l'image au modèle ; l'analyse morphologique vient compléter ce dispositif en permettant la prise en compte de l'information géométrique pour finaliser les étapes de détection et de segmentation. Les images étudiées sont des images multivaluées : images couleur, images multimodalité ou pile d'images émergeant d'une analyse multiéchelle d'une image scalaire... Le passage de l'image scalaire à l'image multivaluée pose des difficultés fondamentales, notamment pour l'analyse morphologique qui requiert de disposer d'un ordre total sur les valeurs manipulées. Contrairement aux scalaires, deux vecteurs ne sont pas comparables. La plupart des opérateurs définis dans le cas scalaire ne trouvent pas d'équivalent immédiat dans le cas vectoriel. Travailler à partir d'un échantillon permet de déverrouiller la situation, chaque élément de l'image multivaluée pouvant être ordonné selon sa similarité à l'échantillon. Sous réserve d'une relation univoque entre les vecteurs et leur rang dans l'espace des similarités, tous les opérateurs définis pour les images scalaires peuvent alors êtres étendus aux images vectorielles. Des applications sur les images couleur et sur des images médicales sont présentées. Une librairie "Open Source" (vmorph) a été réalisée afin détendre les opérateurs de morphologie mathématique aux vecteurs sur la base de nos travaux.

Cette thèse est consacrée à la représentation de la géométrie des images. Pour obtenir une représentation efficace il faut modéliser l'information géométrique et on construit des outils pour traiter ce modèle. Ces deux ingrédients vont de paire, s'influençant mutuellement pour obtenir un résultat satisfaisant, c'est à dire un modèle pertinent et des algorithmes rapides et performants.<br>On propose donc une modélisation géométrique des images, l'ambition étant de pouvoir extraire l'information contenue dans les images naturelles, c'est-à-dire les images qui nous entourent. Ce problème est bien sûr difficile car la géométrie des images est complexe et variable.

Ce document résume les travaux de recherche effectués au BRGM depuis la fin de ma thèse dans la thématique de la mesure de la déformation de la surface du sol à partir de techniques de télédétection spatiales. Les applications de ces techniques s'inscrivaient dans la perspective d'une contribution à l'évaluation de risques naturels ou anthropiques et par conséquent ciblaient les phénomènes entrant dans ces domaines (tels que subsidence urbaine et minière, glissement de terrains, séismes,...). Nous avons principalement utilisé des techniques d'interférométrie radar satellitaires (conventionnelle et persistent scaterrers) et de corrélation d'images. Ces techniques peuvent apporter une alternative ou un complément aux techniques de surveillance au sol nécessaires au suivi de ces phénomènes. Le document présente notre contribution à cette thématique aussi bien sur le plan méthodologique (évaluation et amélioration des techniques) que des applications (analyses en termes de phénomènes ou de conséquences en terme de risques). Les publications les plus représentatives parmis celles qui ont découlé de ses travaux sont incluses dans le document.

La conception et le dimensionnement des structures stratifiées sont aujourd'hui globalement maîtrisés grâce à la théorie classique des stratifiés. Cependant, les problèmes de délaminage près des bords libres et des jonctions posent encore de nombreuses difficultés. En effet, dans ces zones, la discontinuité des propriétés mécaniques entre les plis d'orientation différente engendre des contraintes tridimensionnelles aux interfaces interlaminaires.L'objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement les effets de bords et de mettre en évidence les paramètres susceptibles de les influencer. Pour cela la démarche a consisté à définir un protocole de mesure par corrélation d'images des champs cinématiques, à l'échelle des plis (échelle mésoscopique), sur le bord libre d'éprouvettes stratifiées sollicitées en traction.Trois matériaux de propriétés mécaniques et de microstructures différentes ont été étudiés ainsi que deux géométries d'éprouvettes : planes et avec sauts de plis. Des calculs par éléments finis ont permis de choisir la séquence [(15/-15)2]s pour laquelle les effets de bords sont les plus importants.Cette étude a permis de montrer l'existence de gradients de déplacements et de pics de déformations de cisaillement au voisinage des interfaces interlaminaires dont l'intensité dépend des gradients de propriétés mécaniques, de l'épaisseur de l'interface interlaminaire, et de la présence d'une discontinuité géométrique. D'autre part, les observations montrent l'apparition de fissures aux interfaces fibre / matrice à l'échelle microscopique le long des interfaces interlaminaires qui se traduisent à l'échelle mésoscopique par une évolution non linéaire du cisaillement

Les travaux présentés dans cette thèse contribuent aux systèmes de localisation pour un robot mobile en utilisant la stéréovision. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration entre le LORIA-INRIA de Nancy et le laboratoire SeT de l'UTBM. L'approche proposée est décomposée en deux étapes. La première étape constitue une phase d'apprentissage qui permet de construire un modèle 3D de l'environnement de navigation. La deuxième étape est consacrée à la localisation du véhicule par rapport au modèle 3D. La phase d'apprentissage a pour objectif de construire un modèle tridimensionnel, à partir de points d'intérêt pouvant être appariés sous différentes contraintes géométriques (translation, rotation, changement d'échelle) et/ou contraintes de changements d'illumination. Dans l'objectif de répondre à toutes ces contraintes, nous utilisons la méthode SIFT (Scale Invariant Feature Transform) permettant des mises en correspondance de vues éloignées. Ces points d'intérêt sont décrits par de nombreux attributs qui font d'eux des caractéristiques très intéressantes pour une localisation robuste. Suite à la mise en correspondance de ces points, un modèle tridimensionnel est construit, en utilisant une méthode incrémentale. Un ajustement des positions est effectué afin d'écarter les éventuelles déviations. La phase de localisation consiste à déterminer la position du mobile par rapport au modèle 3D représentant l'environnement de navigation. Elle consiste à apparier les points 3D reconstruits à partir d'une pose du capteur stéréoscopie et les points 3D du modèle. Cet appariement est effectué par l'intermédiaire des points d'intérêt, issus de la méthode d'extraction SIFT. L'approche proposée a été évaluée en utilisant une plate-forme de simulation permettant de simuler un capteur stéréoscopique, installé sur véhicule naviguant dans un environnement 3D virtuel. Par ailleurs, le système de localisation développé a été testé en utilisant le véhicule instrumenté du laboratoire SeT afin d'évaluer ses performances en conditions réelles d'utilisation.

Installé à bord d'aéronefs ou de satellites, le Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) permet d'imager des zones à haute résolution. Les volumes de données générés sont très importants et les capacités limitées des canaux de transmission et/ou de stockage forment un sous-ensemble critique des systèmes d'observation. De ce fait, la solution classiquement retenue est de recourir à la compression des données. Le système radar cohérent génère des données de forte dynamique où les pixels issus de la formation de l'image sont des données complexes au sens mathématique du terme, c'est-à-dire constitués d'une valeur d'amplitude et de phase. La faible corrélation spatiale des pixels rend les techniques de compression répandues dans le domaine optique beaucoup moins efficaces. L'objectif de cette étude consiste à proposer un système de compression avec pertes adapté aux images RSO SLC (Single Look Complex) et prenant en compte le caractère complexe des pixels. Nous suggérons différents schémas de compression dépendants de la répresentation du signal dans le plan complexe (amplitude/phase ou partie réelle/imaginaire). Nous nous focalisons essentiellement sur des techniques de type multirésolution comme la transformée en ondelettes et paquets d'ondelettes discrètes. Un ensemble de modèles statistiques spécifiques à la caractérisation des images RSO permettra d'adapter diverses méthodes de quantification polaire à la problématique de la compression d'images complexes. Enfin, la dernière partie de cette étude sera consacrée à la présentation des résultats à traver l'utilisation d'un panel de critères objectifs avec notamment une évaluation de la qualité des images décompressées.

La caractérisation d'un environnement tel que le milieu urbain est une tâche délicate car ce milieu est un phénomène complexe par différents aspects. Parmi ceux-ci, l'aspect géographique est considéré comme le plus important qui puisse être étudié par les technologies d'acquisition et les techniques d'analyse de la télédétection. En particulier, la télédétection hyperspectrale a montré son potentiel pour l'acquisition de données et l'extraction d'informations nécessaires pour la modélisation du milieu urbain. Dans cette thèse, pour l'analyse d'image hyperspectrale, deux stratégies supervisée et non supervisée ont été choisi. Nous avons appliqué les techniques de Mise en Correspondance Spectrale, en tant que les méthodes supervisées, en vue de la cartographie des matériaux urbains. Afin d'améliorer les résultats de ces techniques, nous avons proposé une technique de fusion au niveau de la décision. Par ailleurs, une technique non supervisée basée sur l'Analyse en Composantes Indépendantes pour la séparation spectrale et la classification, comme une solution de problème de mélange, est proposée. Elle emploie la technique de groupage C-Moyens Flou, afin d'obtenir une carte de classification floue et sub-pixelique. Ces techniques sont employées sur les données images hyperspectrales acquises par le capteur CASI sur la ville de Toulouse, en France. Elles sont enregistrées en 32 canaux spectraux avec la résolution spatiale de 2 mètres et 48 canaux en 4 mètres de résolution spatiale. Enfin, nous avons comparé les résultats de ces méthodes avec des données de vérité terrain et une évaluation du taux d'erreur de classification a été réalisée pour toutes les techniques.

La problèmatique dont nous nous occupons dans cette thèse est la classification automatique d'images bidimensionnelles, ainsi que la détection d'objets génériques dans des images. Les avancées de ce champ de recherche contribuent à l'élaboration de systèmes intelligents, tels que des robots autonomes et la création d'un web sémantique. Dans ce contexte, la conception de représentations d'images et de classificateurs appropriés constituent des problèmes ambitieux. Notre travail de recherche fournit des solutions à ces deux problèmes, que sont la représentation et la classification d'images. Afin de générer notre représentation d'image, nous extrayons des attributs visuels de l'image et construisons une structure de graphe basée sur les propriétés liées au relations de proximités entre les points d'intérêt associés. Nous montrons que certaines propriétés spectrales de ces graphes constituent de bons invariants aux classes de transformations géométriques rigides. Notre représentation d'image est basée sur ces propriétés. Les résultats expérimentaux démontrent que cette représentation constitue une amélioration par rapport à d'autres représentations similaires, mais qui n'intègrent pas les informations liées à l'organisation spatiale des points d'intérêt. Cependant, un inconvénient de cette méthode est qu'elle fait appel à une quantification (avec pertes) de l'espace des attributs visuels afin d'être combinée avec un classificateur Support Vecteur Machine (SVM) efficace. Nous résolvons ce problème en créant un nouveau classificateur, basé sur la distance au plus proche voisin, et qui permet la classification d'objets assimilés à des ensembles de points. La linéarité de ce classificateur nous permet également de faire de la détection d'objet, en plus de la classification d'images. Une autre propriété intéressante de ce classificateur est sa capacité à combiner différents types d'attributs visuels de manière optimale. Nous utilisons cette propriété pour formuler le problème de classification de graphes de manière différente. Les expériences, menées sur une grande variété de jeux de données, montrent les bénéfices quantitatifs de notre approche.

Mes travaux de recherche s'articulent principalement autour de l'extraction automatisée de paramètres anatomiques et fonctionnels en L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) du cœur et de l'aorte (les renvois des références dans ce document correspondent aux numéros de la liste des publications). Plus précisément, ces travaux sur l'IRM portent sur les thématiques suivantes : - Etude de la fonction cardiaque - Etude de la désynchronisation cardiaque - Etude de la perfusion myocardique et de la viabilité - Etude de l'élasticité de l'aorte - Etude du flux sanguin et détermination de zones de stress au niveau de la paroi de l'aorte - Métrologie des sinus de Valsalva Ces différents points vont être détaillés dans les paragraphes suivants. L'IRM, en particulier l'utilisation de séquences ciné-IRM, constitue de nos jours la technique de référence pour étudier la fonction cardiaque. Cependant, malgré les efforts déployés en traitement numérique des images, l'interprétation médicale subjective est toujours la méthode la plus répandue dans les services cliniques. La quantification automatique de la fonction cardiaque constituant une aide au diagnostic importante fut la thématique de mes travaux de thèse [1,2,5,21]. Ceux-ci portaient sur la segmentation automatique du ventricule gauche à partir de coupes petit-axe acquises en ciné-IRM. La méthode développée, basée sur la logique floue et la programmation dynamique, permet une segmentation automatique des contours endocardique et épicardique sur chaque image de chaque coupe, rendant ainsi possible le calcul automatique du volume du ventricule gauche au cours du cycle cardiaque, des volumes diastolique et systolique et par conséquent de la fraction d'éjection du ventricule gauche [21]. Je participe à une étude multicentrique (initiée conjointement par le CNRS et l'INSERM et impliquant de nombreux laboratoires français) sur les méthodes de détection automatique des contours du cœur sur des séquences cinétiques d'images, ainsi que sur les méthodes d'évaluation et de validation de ces segmentations [99]. Actuellement, des méthodologies permettant de comparer plusieurs méthodes d'estimation d'un paramètre d'intérêt clinique sans connaître de valeur de référence (i.e. sans gold standard) sont étudiées [102]. La seule segmentation du cœur sur des IRM n'est pas suffisante pour étudier certaines pathologies telles que la désynchronisation cardiaque. Des réglages spécifiques sur des séquences ciné-IRM conventionnelles ont permis d'obtenir des données appropriées à l'étude du mouvement local du cœur par des méthodes de flux optique basées sur la phase du signal [70,78]. Une étape supplémentaire consiste à transformer la modélisation locale du mouvement cardiaque en un paramètre de désynchronisation, calculé à partir du délai de contraction entre deux parois. Nos résultats, obtenus sur des patients présentant une désynchronisation, vont être confrontés aux paramètres utilisés en routine clinique. En effet, tous les patients ont un examen échographique, et le paramètre calculé en IRM sera comparé au Septal-to-Posterior Wall Motion Delay (SPWMD) calculé en échographie, ainsi qu'à la durée du QRS. L'étude de la fonction cardiaque n'est pas le seul outil disponible en IRM permettant d'étudier les atteintes cardio-vasculaires. En effet, l'IRM de perfusion après injection d'un produit de contraste à base de gadolinium permet d'obtenir des valeurs diagnostiques et pronostiques dans l'étude de l'obstruction micro-vasculaire après infarctus du myocarde [12,17,26]. Une automatisation du traitement permet une évaluation en routine clinique de l'étude de la perfusion du myocarde au premier passage d'un produit de contraste [13,18,24]. De plus, l'utilisation d'images acquises dix minutes après injection de ce produit permet la quantification de la viabilité myocardique, notamment en évaluant la taille et le degré de l'infarctus du myocarde [20,28]. Nos travaux ont entre autre montré les liens entre la taille de l'infarctus et l'hyperglycémie ainsi qu'une valeur pronostique importante de l'obstruction micro-vasculaire persistante [29,31,34]. Actuellement, nous travaillons sur le développement d'un outil informatique qui permettra l'évaluation complètement automatisée de la zone de l'infarctus, ainsi que de la zone périphérique de l'infarctus. Les anévrismes de l'aorte (ascendante ou descendante) présentent un risque naturel de rupture ou de dissection de la paroi. L'IRM fonctionnelle a ouvert d'autres critères d'évaluation du risque que le diamètre maximal en permettant d'étudier les propriétés élastiques de la paroi aortique, le stress hémodynamique ainsi que le flux au sein de l'aorte. Dans ce cadre, j'ai développé des séquences appropriées pour l'évaluation de ces propriétés de l'aorte ainsi que des protocoles de recherches spécifiques pour l'étude des anévrismes et/ou dissections de l'aorte abdominale, ou de l'aorte thoracique, notamment dans le cadre de suivi de syndromes génétiques ou de patients porteurs de bicuspidie aortique. Parmi les paramètres étudiés, la compliance et la distensibilité aortiques sont deux paramètres associés à l'élasticité de l'aorte. Nos travaux sur l'évaluation automatisée de la compliance aortique sur des populations à risques (entre autres des patients porteurs de syndromes liés au système cardio-vasculaire) [11,32] ont été intégrés dans des études plus vastes (comprenant des informations cliniques, biologiques, d'imagerie et de génétique) [15, 25, 27], certaines en collaborations avec l'APHP et le Collège de France (INSERM U36). Nous avons aussi montré que chez des sujets sains, la compliance aortique varie en fonction de l'âge, alors que le sexe et le tabac n'ont aucune influence sur ce paramètre [100]. De plus, la mesure de la distensibilité aortique est bien corrélée à une autre méthode non-invasive de mesure de l'élasticité de l'aorte, utilisant une technique d'impédance bioélectrique [35]. Cette étude a été effectuée en collaboration avec le laboratoire LISA et le CHU d'Angers. Un autre paramètre d'élasticité est la vitesse de l'onde de flux du sang, définie à partir d'IRM anatomiques et codées en vitesse de flux. Une méthode semi-automatique a été mise au point pour calculer ce paramètre, et le confronter à la compliance aortique. L'augmentation de la vitesse de l'onde de flux est liée à une diminution de la compliance aortique, et donc à une augmentation de la rigidité de l'aorte [30]. L'étude de l'élasticité de l'aorte en routine clinique est actuellement mise en place pour des examens concernant des syndromes familiaux de pathologie de l'aorte thoracique. L'IRM procure la possibilité d'acquisitions tridimensionnelles codées en vitesse de flux, permettant d'extraire de nombreux paramètres, comme la vitesse maximale du flux sanguin (en 3D), la vitesse radiale maximale (pour étudier les contraintes au niveau de la paroi), le débit sanguin instantané, la fraction de reflux, ainsi qu'une estimation, pour l'instant visuelle, de la forme tridimensionnelle du flux (flux laminaire, hélicoïdal ou turbulent) [43]. Par rapport aux sujets sains, la vitesse du flux sanguin maximale augmente significativement pour les patients porteurs d'une bicuspidie et diminue significativement pour les patients porteurs de la mutation MYH11 [79]. Actuellement, nos recherches se concentrent sur l'étude de la vitesse radiale, et de son impact dans l'évolution d'anévrisme de l'aorte thoracique, en particulier dans le cas de bicuspidie aortique. Un atout majeur de l'IRM est de pouvoir positionner les plans d'acquisition selon n'importe quelle orientation. Ainsi, l'utilisation d'une série de plans perpendiculaires à l'axe de l'aorte doit permettre une reconstruction 4D de celle-ci, sans effet de volume partiel. La collaboration avec le laboratoire MOIVRE de l'Université de Sherbrooke (Canada) a fournit des premiers résultats satisfaisants quant à la segmentation automatique de la lumière de l'aorte [44]. La segmentation automatique du thrombus et de la paroi de l'aorte s'avère plus difficile. Une amélioration de l'algorithme permet une segmentation semi-automatique générique (avec une interaction minime de l'utilisateur) de la lumière aortique et de la paroi aortique, aussi bien sur des IRM que sur des images tomodensitométriques de l'aorte, où les contraintes ne sont pas les mêmes. L'évaluation de l'élasticité de la paroi, ainsi que la modélisation du flux sanguin, seront intégrées dans la représentation 3D de l'aorte, pour associer la déformation de l'aorte à l'amplitude et l'orientation du flux sanguin, dans le but de rechercher de zones de fragilité, dites de " stress ". L'IRM permet une étude fiable des sinus de Valsalva en faisant l'acquisition des images selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'aorte. Cependant, il n'y a pas actuellement de consensus sur les mesures à considérer à partir de ce plan pour évaluer les sinus, ou les anévrismes localisés sur un seul sinus. Le développement d'une méthode automatique de segmentation des sinus de Valsalva [45] procure une mesure et précise des différentes longueurs entre les commissures, les cuspides et le centre des sinus (lui aussi localisé automatiquement) [80,101]. Les mesures obtenues avec cet outil seront confrontées aux diamètres mesurés manuellement sur des images en coupe sagittale (IRM de types SSFP (en respiration libre ou en apnée), écho de spin (en respiration libre) et Turbo spin-echo (en apnée)).