La société LTF (Lyon Turin Ferroviaire), filiale de RFF (Réseau Ferré de France) et de RFI (Réseau Ferré Italien) est le promoteur de la section transfrontalière de la future liaison ferroviaire entre Lyon et Turin. LTF souhaite valoriser une grande partie des 16 millions de m3 de déblais qui seront générés par les chantiers du futur tunnel de base en granulats à béton pour le revêtement du tunnel. Cette solution est proposée dans le cadre d'une démarche de développement durable. Cependant, pour une partie des matériaux qui doivent être valorisés en granulats à béton, la teneur en sulfates est comprise entre 1,61 et 4,30% en masse (exprimé en SO3). Ces matériaux se démarquent alors par rapport au contexte réglementaire qui limite la teneur en sulfates dans les granulats à béton à 0,2% pour ce type d'ouvrage. Cette prescription est appliquée pour éviter les risques de dégradation du béton par réaction des sulfates apportés par les granulats avec certains composants présents dans le ciment. Ce phénomène est connu sous le terme de réaction sulfatique interne. Les travaux de recherche ont porté dans un premier temps sur la lixiviation des sulfates issus des matériaux d'excavation. Les résultats ont montré que les sulfates sont rapidement accessibles dans les fractions granulométriques inférieures à 4 mm. Un possible traitement des matériaux par lavage avant leur utilisation dans le béton peut être une solution pour limiter l'attaque sulfatique interne. Dans un second temps, pour définir un liant adapté à ce type de granulats, une étude comparative de différents ciments supposés résistants aux sulfates a été mise en place. Trois essais accélérés ont été développés afin de prendre en compte le risque de dégradation des matériaux cimentaires par formation d'ettringite et de thaumasite. Seuls deux ciments présentent un bon comportement vis-à-vis de la réaction sulfatique interne engendrée par des granulats contenant une forte teneur en sulfates. Il s'agit d'un ciment Portland à très faibles teneur en alcalins et ne contenant quasiment pas d'aluminates tricalciques ainsi qu'un ciment sursulfaté. Enfin, une dernière solution innovante a été proposée et réside dans l'utilisation des sulfates apportés par les matériaux d'excavation pour réaliser le gypsage du ciment. Les sulfates provenant du sable excavé permettent de réguler correctement la prise du matériau cimentaire au même titre que les sulfates de calcium ajoutés au clinker dans le ciment

Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie des transports ou bien des infrastructures, la tendance est à l’introduction toujours plus importante d’équipements électriques. De ce fait, les industriels sont de plus en plus confrontés à la nécessité de fournir des dispositifs robustes et fiables avec un minimum de maintenance. Les composants électroniques, tels que les transistors IGBTs ou MOSFETs et les diodes rassemblés dans des modules de puissance, sont au cœur de la conversion d'énergie électrique. En conséquence, ils sont soumis en opération à de fortes contraintes environnementales et fonctionnelles (température, humidité…). L’ensemble de ces contraintes a un impact sur la durée de vie des composants, et donc sur la fiabilité des dispositifs. D’un point de vue économique, le remplacement d’un équipement défectueux est moins pénalisant qu’une défaillance brutale du système. Ainsi, l’utilisation d’outils de diagnostic est nécessaire pour prédire la durée de vie restante des dispositifs en opération, et mettre en place une maintenance adaptée et efficace.Pour déterminer la durée de vie restante des modules de puissance en opération, des modèles de durée de vie sont utilisés. La plupart de ces modèles sont établis soit de manière empirique, soit de manière physique, soit de manière statistique. Les modèles empiriques sont les plus courants, car leur réalisation et implémentation sont maintenant bien connues. Ils se basent sur des résultats issus de tests de cyclage accélérés qui reproduisent les contraintes endurées par le module de puissance sous des conditions "accélérées" de fonctionnement. Une extrapolation est ensuite nécessaire pour obtenir l’état de santé du dispositif dans des conditions normales de fonctionnement. Le principal inconvénient de ces modèles réside dans le manque de description des mécanismes physiques responsables de l’endommagement. Ce manque peut mener potentiellement à des erreurs, notamment lors de l’extrapolation. C’est pourquoi les modèles basés sur la physique connaissent un intérêt grandissant.Dans cette thèse, deux modèles de durée de vie basés sur la physique et appliqués aux modules de puissance IGBTs sont proposés et comparés. La première approche est basée sur les déformations induites à l’intérieur de l’assemblage du module lorsque soumis à des contraintes thermiques. Dans ce cas, la dégradation est décrite via la quantification des déformations pour un stress thermique donné. Dans la seconde approche, le modèle de durée de vie est basé directement sur l’endommagement via l’établissement d’un modèle de dégradation. La comparaison des deux modèles met en lumière les défauts et qualités de chacun. D’une manière plus générale, l’établissement et la comparaison de ces modèles s’inscrit dans une démarche de développement d’outils de diagnostic afin de prédire la durée de vie restante des modules de puissance en opération. / The domain of power electronics reliability has become an important center of interest with the recent massive system electrification. The manufacturers are more and more confronted to the necessity of producing reliable devices with optimized maintenance. Electronics components, such as IGBTs, diodes and MOSFETs assembled in power modules, are at the center of the systems conversion, and as a consequence, are subjected to high environmental and functional stresses (ambient temperature, vibrations…). All these factors have a strong impact on the components lifetime and thus on the devices reliability. Economically, scheduling a maintenance with a system replacement is less detrimental than a brutal failure of the system. As a consequence, the use of lifetime prognostic tools is necessary. The problematic consists in the health state prediction of power modules in functioning to be able to schedule a maintenance before the failure of the equipment.To be able to determine the remaining useful lifetime of power modules in functioning, lifetime models are used. These models can either be empirical, physical or statistical. The empirical models are the most common ones, because of their easy establishment and implementation. They are based on results from accelerated power cycling tests, which reproduce the stresses endured by the power modules in severe conditions. An extrapolation is then needed to obtain the power module health state in normal functioning conditions. The main drawback of these models is the lack of description of the physical mechanisms leading to damage, resulting potentially in errors in particular during extrapolation. That’s the reason why physical models start to draw more attention.In the thesis, two physical lifetime models of IGBT power modules are proposed. The first approach is based on deformation induced inside the device assembly in operation. The degradation is in this case described by the quantification of deformation related to thermal stresses. In the second approach, the lifetime model is based directly on damage through the establishment of a degradation model. These two lifetime models are finally compared to show the benefits and disadvantages of each. More generally, the establishment and comparison of these models is part of an approach to develop diagnostic tools so that the remaining useful lifetime of power modules can be predicted in operation.

L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux granulaires utilisés pour construire les fondations des routes. Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste dans la limite des tolérances des déformations élastiques. Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de Tutumluer et al., (2003). Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume. / One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the foundations of roads. Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer remains within tolerated limits of elastic deformations. In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing. The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material (72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003). Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the results due to the shape of the pressure-volume curve.

Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l'installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité. / Road design and construction techniques developed in southern Canada definitely need to be adapted to northern environment to prevent dramatic permafrost thawing after new road construction. Furthermore, climate warming causes now important soil stability problems in the Canadian far north. All these factors lead to a loss of the functional and structural capacities of the Alaska Highway over a 200-km section mainly from Destruction Bay to the Alaska border. To find long term and cost-effective solutions, Yukon Highways and Public Works (in collaboration with the Alaska University Transportation Center, Transport Canada, le U.S. Federal Highways Administration, l’Université de Montréal and l’Université Laval) constructed 12 instrumented sections on the Alaska Highway near Beaver Creek (Yukon) in 2008. These sections experiment one or several combined methods of thermal stabilization such as convection air embankment, heat drains, snow/sun shed, grass-covered embankment, longitudinal culverts, reflecting surfaces and snow clearing on embankment slopes. The main objectives of this project are 1) to analyze the ground thermal regime and the heat fluxes for each of the 12 sections during their first three years in service; 2) to document all factors which can facilitate or disrupt the efficiency of the protection systems and; 3) to determine the long term costs / benefits ratio for every technique tested. In order to do this, a new method based on the calculation of heat extraction Hx and heat induction Hi index at the interface between the embankment and the natural ground has been used in this study. The permafrost mitigation techniques that showed good potential for cooling by reducing active layer thicknesses were the ACE uncovered, the longitudinal culverts, the snow/sun shed and the light-coloured aggregate BST (although this was only effective along the central part of the highway). Unfortunately, problems in the installation of the heat drain techniques prevented a full assessment of their effectiveness. The durability of the sections as well as their long-term cooling potential must also be assessed to complete the economic analysis provided in this study.

Au Canada, les municipalités sont actuellement confrontées à un problème majeur de dégradation de leurs chaussées, attribuable en bonne partie au vieillissement de celles-ci et à l'augmentation des charges d'autobus urbains. L'étude propose une solution au renforcement de chaussées par l'utilisation d'une structure inverse, adaptée au contexte municipal (présence de seuils en surface et de services techniques souterrains). Le choix de matériaux économiques et à forte teneur en produits recyclés a été privilégié. Sur la base des simulations effectuées, il en ressort que la couche inférieure, fabriquée de grave ciment, a théoriquement une durée de vie illimitée, ce qui permet d'envisager la possibilité d'interventions futures se limitant seulement à la couche du revêtement bitumineux en surface. Le concept proposé, pour la réhabilitation de chaussées dégradées, permet d'entrevoir des excavations peu profondes (350 à 450 mm), une durée de vie d'au moins 25 ans et un bon rapport-bénéfices/coûts.

Cette thèse contribue à l'identification des mécanismes de dégradation qui ont lieu durant les phases de démarrage et d'arrêt des Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Proton. Dans un premier temps, des démarrages et arrêts individuels sont étudiés au moyen d'une cellule équipée de collecteurs de courants segmentés. Les courants internes qui sont produits durant ces opérations peuvent ainsi être mesurés. La mesure du dioxide de carbone dans les gaz d'échappement de la cathode révèle qu'une partie des courants internes correspond à de l'oxydation du carbone. Une autre part provient des réactions (réversibles ou non) d'oxydoréduction impliquant du platine. L'hétérogénéité des dégradations subies par la pile entre l'entrée et la sortie de la cathode est mise en évidence lors de protocoles de vieillissement répétant des démarrages et arrêts. Des analyses post-mortem révèlent un autre niveau d'hétérogénéité, qui concerne également le carbone, entre les dents et les canaux. De ces expériences, il ressort également que les dégradations sont plus importantes lorsque les gaz sont injectés à faible vitesse dans le compartiment anodique mais aussi quand de l'air est utilisé à la place de l'azote pour arrêter la pile. L'influence des caractéristiques de la MEA sur l'intensité des dégradations est aussi étudié. Un chargement en platine élevé à l'anode ou des électrodes avec des surfaces de carbone actif élevées accélèrent la chute des performances électriques. Au contraire accroitre le chargement en platine à la cathode limite ces pertes. Enfin, des simulations numériques des phases de démarrage complètent les résultats expérimentaux. L'oxydation réversible du platine est notamment identifiée comme étant responsable d'une part importante des courants internes / This works contributes to the identification of the various degradation mechanisms in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell during start-up and shut-down operations. Single start-ups and shut-downs are first analysed using a cell with segmented cathode current collectors. Thus, internal currents which occur during these operations can be measured. Carbon dioxide measured in the cathode exhaust gas reveals that they result partially from carbon oxidation. Another contribution is the reversible or non reversible redox reactions involving platinum. The heterogeneity of the non reversible platinum oxidation between the inlet and outlet of the cathode is evidenced by the in-situ monitoring of the Electrochemical Surface Area during long-term start-up and shut-down aging protocols. Post-mortem analysis reveals another level of heterogeneity, which concerns also carbon oxidation, between land and channel. From these experiments, it appears also that degradations are more important when gases are injected with a low velocity in the anode compartment and when air is used instead of nitrogen to flush the anode compartment during shut-down. The influence of the MEA characteristics on the extent of the degradation observed during these aging protocols is also analyzed. High platinum loading in the anode and high surface carbon electrodes accelerate the drop of the electrical performances, while increasing the cathode platinum loading limits their decay. Finally, numerical simulations of start-ups complete the experimental results. Reversible platinum oxidation was found to be one of the main contribution to the internal currents

Ce travail de thèse a pour but de modéliser la capacité de dégradation des polysaccharides non digestibles par le microbiote intestinal humain. Nous exploitons pour cela des données métagénomiques. Il s'agit de données d'abondances de séquences de nucléotides dans 1408 échantillons dont les fonctions métaboliques sont assignées par annotation contre une base de données. Les séquences sont annotées par des marqueurs fonctionnels. Après une étape de sélection manuelle de 86 marqueurs fonctionnels pertinents à l'activité de métabolisation des polysaccharides, nous étudions leurs variations d'abondances parmi les échantillons métagénomiques.Nous proposons une approche de modélisation écologique du microbiote intestinal humain et considérons principalement la sélection fonctionnelle intense de cet écosystème pour faire l'hypothèse que des regroupements identiques de fonctions métaboliques sont présents en proportions différentes dans tous les microbiotes intestinaux humains. Nous proposons le terme d'assemblage fonctionnel qui rend compte de la co-occurrence spatiale et temporelle d'un groupement de fonctions. Ces assemblages sont en pratiques déterminés par leur composition en marqueurs fonctionnels, et peuvent s'interpréter comme une combinaison de traits fonctionnels agrégés au niveau des microorganismes composant l'assemblage.Les assemblages fonctionnels sont inférés par le biais d'une factorisation en matrice positive aussi nommée NMF de l'anglais Non-Negative Matrix Factorisation. Cette méthode permet de déterminer les assemblages fonctionnels, à la fois concernant leur composition et à la fois concernant leur abondance dans chacun des 1408 échantillons. Nous exploitons par ailleurs une information métabolique provenant de 190 génomes microbiens et de la bibliographie qui permet de préciser la composition de ces assemblages fonctionnels. Cette information se traduit sous forme d'une contrainte.Nous trouvons 4 assemblages en considérant un consensus entre différents critères. L'utilisation de l'information métabolique nous permet d'interpréter biologiquement ces assemblages. Les métadonnées associées aux 1408 échantillons nous permettent d'observer un comportement différent pour les échantillons provenant d'individus atteints de la maladie de Crohn. Nous validons cette observation sur des données extérieures.Nous avons proposé une approche réductionniste permettant de représenter un processus métabolique important à l'échelle du microbiote. Nous trouvons un nombre réduit de 4 assemblages fonctionnels qui sont biologiquement vraisemblables et permettent de bien approcher les 1408 échantillons métagénomiques. / The purpose of this work of thesis is to model the capacity of degradation of non-digestible polysaccharides by the human intestinal microbiote. To this end we exploit metagenomic data. We use abundances of nucleotide sequences in 1408 samples whose metabolic function are assigned by annotation against a database. The sequences are annotated with functional markers. Upon manual selection of 86 functional markers relevant to the activity of metabolisation of polysaccharides, we their abundances variation among the metagenomic samples are studied.We propose an ecological approach in modeling the human intestinal microbiote. We consider the intense functional selection of this ecosystem and assume that identical cluster of metabolic functions can be found in different proportions in every human gut microbiota. We propose the term of functional assembly as to account for spacial and temporal co-occurence of functional cluster. In practice, theses assemblies are determined by their composition and can be interpreted as combinations of functional traits aggregated at the levels of the cluster of microorganisms composing each assembly. Functional assemblies are inferred by the means of Non-Negative Matrix Factorization (NMF). This method allows to determine the composition of functional assemblies and their abundance in each of the 1408 metagenomic sample.Furthermore, we exploit metabolic information from bibliographic resources and 190 microbial genomes in order to specify the composition of these functional assemblies. This information is translated in the form of a constraint.We find 4 assemblies by considering a consensus between various criteria. The use of metabolic information allow to interpret theses assemblies biologically. By exploiting the metadata of the 1408 samples, we observe a different behaviour for the samples coming from individuals suffering from Crohn disease. We validate this observation on external data.We proposed a reductionistic approach allowing to represent an important metabolic process at the level of the microbiota. We find a small number of 4 functional assemblies which are biologically likely and approach well the 1408 metagenomic samples.

L’infiltration de l’eau dans la structure de chaussée peut engendrer des variations importantes dans son comportement mécanique. Cette eau, si en excès, peut engendrer une diminution dans la capacité portante des différentes couches composant la structure de chaussée. Cette diminution dans les propriétés mécaniques de l’infrastructure, se reflèteront à travers l’apparition prématurée de différents mécanismes tels la fissuration de fatigue, l’orniérage, les nids de poules, etc. Il est donc important de prendre les mesures nécessaires afin d’éviter l’accumulation d’eau en excès dans les matériaux granulaires afin d’éviter d’entraîner une diminution dans la durée de vie de l’ouvrage routier. Afin de prévenir ce phénomène, plusieurs techniques de mitigation ont été intégrées aux conceptions routières. L’intégration de technologies drainantes de type géocomposite est l’une de celles-ci. Malgré toutes les recherches qui se sont déroulées au cours des dernières années sur les technologies géocomposites, les décideurs ainsi que la communauté scientifique restent sceptiques face aux gains réels engendrés par l’implantation d’une technologie drainante dans la structure de chaussée. Le but de cette étude était donc de démontrer que l’investissement supplémentaire lié à l’ajout d’une technologie drainante dans la structure de chaussée était reflété par une récupération plus rapide des propriétés mécaniques et ainsi une augmentation dans la durée de vie de l’ouvrage. Pour ce faire, une section de route expérimentale en laboratoire de format réduit et une route expérimentale en format réel ont été produites. Les essais en laboratoire se sont déroulés sur quatre sections présentant des configurations de drainage différentes qui ont aussi été reproduites pour les essais de terrain, en y ajoutant une cinquième configuration. Les résultats des essais de laboratoire ont permis d’observer des améliorations dans le taux de récupération des modules globaux relatifs enregistrés pour les 4 différentes configurations. Les essais de terrain ont aussi permis d’observer des tendances à l’amélioration plus rapide des propriétés mécaniques des chaussées dans les sections présentant des technologies drainantes, mais moins marquées qu’en laboratoire. L’analyse a montré des gains en durée de vie (ÉCAS) de 0,92 à 1,29 % basés sur les données obtenues sur le terrain. Toutefois, l’analyse économique a dévoilé que les gains enregistrés lors d’une seule période de drainage suivant le cycle de dégel n’étaient pas suffisants pour justifier les coûts supplémentaires d’une telle technologie. Néanmoins, il reste plusieurs facteurs qui n’ont pu être considérés dans cette étude et qui pourraient potentiellement contribuer aux gains enregistrés par l’ajout d’une technologie de drainage. / Water infiltration in road structures can lead to important changes in its mechanical response. If in excess, the water can induce bearing capacity loss in the different aggregate layers composing the road structure. The diminution in the mechanical properties is likely to reflect itself prematurely through different mechanisms like fatigue cracking, rutting, pot hole, etc.. In order to prevent the loss of service life, it is important to take measures to prevent excess water infiltration in the granular layers of the infrastructure. Many mitigation techniques have been incorporated to road conceptions in order to prevent this phenomenon. Geocomposite drainage systems are among those. Despite all the research that has been conducted on this matter in the last years, decision maker and the scientific community are skeptical as for the actual earnings generated by the installation of a drainage technology in the pavement structure. The purpose of this study is thus to demonstrate that the additional cost generated by the addition of drainage technologies in road structures is reflected by a faster recuperation of the mechanical properties of the infrastructure and an increase of its service life. In order to validate this hypothesis, a small scale experimental road was constructed in laboratory and a full scale experimental road was constructed in the Laval University experimental site. Laboratory tests were conducted on four different drainage configuration that were reproduced in the field were a fifth section was added. Laboratory trails enabled to record noticeable amelioration between the four tested sections in terms of the recuperation rate of normalised modulus. Although the field results were not as pronounced as in laboratory, they enabled to note trend to faster recovery of the mechanical properties. Damage calculations showed gains in service life (ECAS) from 0.92 to 1.29%. However, the economical analysis showed that gains recorded during one drainage period following a thaw cycle was not sufficient to justify the extra costs. Nevertheless, there still are many factors that have not been considered in this analysis that could potentially contribute to the increase in the calculated gains.

Historiquement et socialement, le visage est chez l'humain une modalité de prédilection pour déterminer l'identité et l'état émotionnel d'une personne. Il est naturellement exploité en vision par ordinateur pour les problèmes de reconnaissance de personnes et d'émotions. Les algorithmes d'analyse faciale automatique doivent relever de nombreux défis : ils doivent être robustes aux conditions d'acquisition ainsi qu'aux expressions du visage, à l'identité, au vieillissement ou aux occultations selon le scénario. La modalité 3D a ainsi été récemment investiguée. Elle a l'avantage de permettre aux algorithmes d'être, en principe, robustes aux conditions d'éclairage ainsi qu'à la pose. Cette thèse est consacrée à l'analyse de visages en 3D, et plus précisément la reconnaissance faciale ainsi que la reconnaissance d'expressions faciales en 3D sans texture. Nous avons dans un premier temps axé notre travail sur l'apport que pouvait constituer une approche régions aux problèmes d'analyse faciale en 3D. L'idée générale est que le visage, pour réaliser les expressions faciales, est déformé localement par l'activation de muscles ou de groupes musculaires. Il est alors concevable de décomposer le visage en régions mimiques et statiques, et d'en tirer ainsi profit en analyse faciale. Nous avons proposé une paramétrisation spécifique, basée sur les distances géodésiques, pour rendre la localisation des régions mimiques et statiques le plus robustes possible aux expressions. Nous avons également proposé une approche régions pour la reconnaissance d'expressions du visage, qui permet de compenser les erreurs liées à la localisation automatique de points d'intérêt. Les deux approches proposées dans ce chapitre ont été évaluées sur des bases standards de l'état de l'art. Nous avons également souhaité aborder le problème de l'analyse faciale en 3D sous un autre angle, en adoptant un système de cartes de représentation de la surface 3D. Nous avons ainsi proposé de projeter sur le plan 2D des informations liées à la topologie de la surface 3D, à l'aide d'un descripteur géométrique inspiré d'une mesure de courbure moyenne. Les problèmes de reconnaissance faciale et de reconnaissance d'expressions 3D sont alors ramenés à ceux de l'analyse faciale en 2D. Nous avons par exemple utilisé SIFT pour l'extraction puis l'appariement de points d'intérêt en reconnaissance faciale. En reconnaissance d'expressions, nous avons utilisé une méthode de description des visages basée sur les histogrammes de gradients orientés, puis classé les expressions à l'aide de SVM multi-classes. Dans les deux cas, une méthode de fusion simple permet l'agrégation des résultats obtenus à différentes échelles. Ces deux propositions ont été évaluées sur la base BU-3DFE, montrant de bonnes performances tout en étant complètement automatiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'impact des dégradations des modèles 3D sur les performances des algorithmes d'analyse faciale. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines, de la capture physique du visage humain au traitement des données en vue de leur interprétation par l'algorithme. Après une étude des origines et une théorisation des types de dégradations potentielles, nous avons défini une méthodologie permettant de chiffrer leur impact sur des algorithmes d'analyse faciale en 3D. Le principe est d'exploiter une base de données considérée sans défauts, puis de lui appliquer des dégradations canoniques et quantifiables. Les algorithmes d'analyse sont alors testés en comparaison sur les bases dégradées et originales. Nous avons ainsi comparé le comportement de 4 algorithmes de reconnaissance faciale en 3D, ainsi que leur fusion, en présence de dégradations, validant par la diversité des résultats obtenus la pertinence de ce type d'évaluation.

Historiquement et socialement, le visage est chez l'humain une modalité de prédilection pour déterminer l'identité et l'état émotionnel d'une personne. Il est naturellement exploité en vision par ordinateur pour les problèmes de reconnaissance de personnes et d'émotions. Les algorithmes d'analyse faciale automatique doivent relever de nombreux défis : ils doivent être robustes aux conditions d'acquisition ainsi qu'aux expressions du visage, à l'identité, au vieillissement ou aux occultations selon le scénario. La modalité 3D a ainsi été récemment investiguée. Elle a l'avantage de permettre aux algorithmes d'être, en principe, robustes aux conditions d'éclairage ainsi qu'à la pose. Cette thèse est consacrée à l'analyse de visages en 3D, et plus précisément la reconnaissance faciale ainsi que la reconnaissance d'expressions faciales en 3D sans texture. Nous avons dans un premier temps axé notre travail sur l'apport que pouvait constituer une approche régions aux problèmes d'analyse faciale en 3D. L'idée générale est que le visage, pour réaliser les expressions faciales, est déformé localement par l'activation de muscles ou de groupes musculaires. Il est alors concevable de décomposer le visage en régions mimiques et statiques, et d'en tirer ainsi profit en analyse faciale. Nous avons proposé une paramétrisation spécifique, basée sur les distances géodésiques, pour rendre la localisation des régions mimiques et statiques le plus robustes possible aux expressions. Nous avons également proposé une approche régions pour la reconnaissance d'expressions du visage, qui permet de compenser les erreurs liées à la localisation automatique de points d'intérêt. Les deux approches proposées dans ce chapitre ont été évaluées sur des bases standards de l'état de l'art. Nous avons également souhaité aborder le problème de l'analyse faciale en 3D sous un autre angle, en adoptant un système de cartes de représentation de la surface 3D. Nous avons ainsi proposé de projeter sur le plan 2D des informations liées à la topologie de la surface 3D, à l'aide d'un descripteur géométrique inspiré d'une mesure de courbure moyenne. Les problèmes de reconnaissance faciale et de reconnaissance d'expressions 3D sont alors ramenés à ceux de l'analyse faciale en 2D. Nous avons par exemple utilisé SIFT pour l'extraction puis l'appariement de points d'intérêt en reconnaissance faciale. En reconnaissance d'expressions, nous avons utilisé une méthode de description des visages basée sur les histogrammes de gradients orientés, puis classé les expressions à l'aide de SVM multi-classes. Dans les deux cas, une méthode de fusion simple permet l'agrégation des résultats obtenus à différentes échelles. Ces deux propositions ont été évaluées sur la base BU-3DFE, montrant de bonnes performances tout en étant complètement automatiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'impact des dégradations des modèles 3D sur les performances des algorithmes d'analyse faciale. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines, de la capture physique du visage humain au traitement des données en vue de leur interprétation par l'algorithme. Après une étude des origines et une théorisation des types de dégradations potentielles, nous avons défini une méthodologie permettant de chiffrer leur impact sur des algorithmes d'analyse faciale en 3D. Le principe est d'exploiter une base de données considérée sans défauts, puis de lui appliquer des dégradations canoniques et quantifiables. Les algorithmes d'analyse sont alors testés en comparaison sur les bases dégradées et originales. Nous avons ainsi comparé le comportement de 4 algorithmes de reconnaissance faciale en 3D, ainsi que leur fusion, en présence de dégradations, validant par la diversité des résultats obtenus la pertinence de ce type d'évaluation. / Historically and socially, the human face is one of the most natural modalities for determining the identity and the emotional state of a person. It has been exploited by computer vision scientists within the automatic facial analysis domain. Still, proposed algorithms classically encounter a number of shortcomings. They must be robust to varied acquisition conditions. Depending on the scenario, they must take into account intra-class variations such as expression, identity (for facial expression recognition), aging, occlusions. Thus, the 3D modality has been suggested as a counterpoint for a number of those issues. In principle, 3D views of an object are insensitive to lightning conditions. They are, theoretically, pose-independant as well. The present thesis work is dedicated to 3D Face Analysis. More precisely, it is focused on non-textured 3D Face Recognition and 3D Facial Expression Recognition. In the first instance, we have studied the benefits of a region-based approach to 3D Face Analysis problems. The general concept is that a face, when performing facial expressions, is deformed locally by the activation of muscles or groups of muscles. We then assumed that it was possible to decompose the face into several regions of interest, assumed to be either mimic or static. We have proposed a specific facial surface parametrization, based upon geodesic distance. It is designed to make region localization as robust as possible regarding expression variations. We have also used a region-based approach for 3D facial expression recognition, which allows us to compensate for errors relative to automatic landmark localization. We also wanted to experiment with a Representation Map system. Here, the main idea is to project 3D surface topology data on the 2D plan. This translation to the 2D domain allows us to benefit from the large amount of related works in the litterature. We first represent the face as a set of maps representing different scales, with the help of a geometric operator inspired by the Mean Curvature measure. For Facial Recognition, we perform a SIFT keypoints extraction. Then, we match extracted keypoints between corresponding maps. As for Facial Expression Recognition, we normalize and describe every map thanks to the Histograms of Oriented Gradients algorithm. We further classify expressions using multi-class SVM. In both cases, a simple fusion step allows us to aggregate the results obtained on every single map. Finally, we have studied the impact of 3D models degradations over the performances of 3D facial analysis algorithms. A 3D facial scan may be an altered representation of its real life model, because of several reasons, which range from the physical caption of the human model to data processing. We propose a methodology that allows us to quantify the impact of every single type of degradation over the performances of 3D face analysis algorithms. The principle is to build a database regarded as free of defaults, then to apply measurable degradations to it. Algorithms are further tested on clean and degraded datasets, which allows us to quantify the performance loss caused by degradations. As an experimental proof of concept, we have tested four different algorithms, as well as their fusion, following the aforementioned protocol. With respect to the various types of contemplated degradations, the diversity of observed behaviours shows the relevance of our approach.