Cette thèse contribue à la recherche de méthodes de détection de signaux inconnus à très faible Rapport Signal-à-Bruit. Ce travail se concentre sur la définition, l’étude et la mise en œuvre de méthodes efficaces capables de discerner entre observations caractérisées seulement par du bruit de celles qui au contraire contiennent l’information d’intérêt supposée parcimonieuse. Dans la partie applicative, la pertinence de ces méthodes est évaluée sur des données hyperspectrales. Dans la première partie de ce travail, les principes à la base des tests statistiques d’hypothèses et un aperçu général sur les représentations parcimonieuses, l’estimation et la détection sont introduits. Dans la deuxième partie du manuscrit deux tests d’hypothèses statistiques sont proposés et étudiés, adaptés à la détection de signaux parcimonieux. Les performances de détection des tests sont comparés à celles de méthodes fréquentistes et Bayésiennes classiques. Conformément aux données tridimensionnelles considérées dans la partie applicative, et pour se rapprocher de scénarios plus réalistes impliquant des systèmes d’acquisition de données, les méthodes de détection proposées sont adaptées de façon à exploiter un modèle plus précis basé sur des dictionnaires qui prennent en compte l’effet d’étalement spatio-spectral de l’information causée par les fonctions d’étalement du point de l’instrument. Les tests sont finalement appliqués à des données astrophysiques massives de type hyperspectral dans le contexte du Multi Unit Spectroscopic Explorer de l’Observatoire Européen Austral. / This thesis deals with the problem of detecting unknown signals at low Signal- to- Noise Ratio. This work focuses on the definition, study and implementation of efficient methods able to discern only-noise observations from those that presumably carry the information of interest in a sparse way. The relevance of these methods is assessed on hyperspectral data as an applicative part. In the first part of this work, the basic principles of statistical hypothesis testing together with a general overview on sparse representations, estimation and detection are introduced. In the second part of the manuscript, two statistical hypotheses tests are proposed and studied. Both are adapted to the detection of sparse signals. The behaviors and the relative differences between the tests are theoretically investigated through a detailed study of their analytical and structural characteristics. The tests’ detection performances are compared with those of classical frequentist and Bayesian methods. According to the three-dimensional data sets considered in the applicative part, and to be closer to realistic scenarios involving data acquisition systems, the proposed detection strategies are then adapted in order to: i) account for spectrally variable noise; ii) exploit the spectral similarities of neighbors pixels in the spatial domain and iii) exploit the greater accuracy brought by dictionary-based models, which take into account the spatiospectral blur of information caused by instrumental Point Spread Functions. The tests are finally applied to massive astrophysical hyperspectral data in the context of the European Southern Observatory’s Multi Unit Spectroscopic Explorer.

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Cette thèse est consacrée à la détection des contours à partir d'images acquises par des caméras couleur mono-capteur. Dans ces dispositifs, le capteur est recouvert d'une mosaïque de filtres chromatiques (Color Filter Array, ou CFA) et forme une image (dite <<brute>> ou CFA) qui ne comporte qu'une seule composante couleur par pixel. Une procédure de dématriçage est classiquement appliquée à cette image pour estimer les deux composantes couleur manquantes en chaque pixel et obtenir une image couleur. Cependant, les artéfacts générés par le dématriçage peuvent altérer les performances des méthodes d'analyse bas-niveau des images. Ceci nous amène à éviter le dématriçage pour la détection des contours. Dans une approche de type gradient, nous proposons d'estimer les dérivées partielles soit en calculant les dérivées partielles dans les trois plans couleur (approche vectorielle), soit en estimant une luminance adaptée à la détection des contours (approche scalaire). L'état de l'art met en évidence que l'exploitation directe de l'image brute a été peu abordée et que les approches développées dans cette thèse sont originales. Pour l'approche vectorielle, nous proposons une adaptation de l'implantation récursive du filtre de Deriche au treillis du CFA. Pour l'approche luminance, nous utilisons un filtre optimal qui lisse et dérive conjointement les données brutes. Nous évaluons les performances des méthodes développées sur une base d'images synthétiques dont la vérité terrain est connue. Nous montrons ainsi que la détection des contours à partir des données brutes peut être satisfaisante tout en étant peu coûteuse en temps de calcul. / This thesis is devoted to edge detection from the raw image acquired by single-sensor cameras. Such cameras are fitted with Bayer Color Filter Array (CFA, generally Bayer one) and deliver raw CFA image, in which each pixel is characterized by only one out of the three colour components (red, green, or blue). A demosaicing procedure is necessary to estimate the other two missing colour components at each pixel, so as to obtain a colour image. This however produces artefacts that may affect the performance of low-level processing tasks applied to such estimated images. We propose to avoid demosaicing to compute partial derivatives for edge detection. Simple differentiation kernels, Deriche filters or shifted Deriche filters can be used either in a vector or a scalar approache. The vector approach computes partial derivatives for the three channels and the scalar approach first estimates a luminance image, then computes derivatives. The partial CFA derivatives are then used to compute Di Zenzo gradient for edge detection. We assess the performance of our methods on a large dataset of synthetic images with available edge ground truth. We show that CFA-based approaches may provide as accurate edge detection results as colour vector-based ones at much reduced computation cost.

La quête du détecteur parfait, sans bruit, capable de détecter des photons uniques dans le visible et l’infrarouge, et ultimement de déterminer leur énergie est le graal de la détection. Pour arriver à ce but, de nombreux scientifiques ont développé des dispositifs depuis plusieurs dizaines d’années, et les astronomes ont toujours été à la pointe en ce domaine. En ce sens les imageurs à amplification semblent être la voie la plus rapide et la plus prometteuse pour atteindre ce but ultime. Ainsi après un bref historique de l’état de l’art sont exposés les systèmes à comptage de photons (IPCS) développés au LAM, qui ont été utilisés sur les télescopes ESO 3m60, OHP 1m93 ou encore WHT 4m20. Sont ensuite abordés les dispositifs imageurs intégrés à amplification comme les EMCCD (Electron multiplying charge coupled devices) dans le visible, avec quelques exemples de leur utilisation en astronomie. C’est la technologie qui, appliquée aux senseurs de front d’onde, aura permis conjointement à d’autres développements l’avènement des optiques adaptatives extrêmes comme celle de l’instrument VLT-SPHERE ou encore de SUBARU-SCExAO. Pour finir les e-APD (electron initiated avalanche photodiode) dans l’infrarouge seront abordés. Les e-APD ont cette propriété très intéressante d’être des amplificateurs quasi parfaits, et ont une capacité à détecter l’énergie des photons, des propriétés qui seront développées et analysées. Nous finirons par les perspectives et les progrès que nous sommes en droit d’attendre dans les prochaines années. / The quest for the perfect, noiseless detector, capable of detecting unique photons in the visible and infrared, and ultimately determining their energy is the grail of detection. To achieve this goal, many scientists have developed devices for several decades, and astronomers have always been at the forefront in this area. In this sense amplification imagers seem to be the fastest and most promising way to achieve this ultimate goal. Thus, after a brief history of the state of the art are exposed the photon counting systems (IPCS) developed at LAM, which were used on ESO telescopes 3m60, OHP 1m93 or WHT 4m20. Imaging integrated imaging devices such as Electron Multiplying Charge Coupled Devices (EMCCDs) are then discussed in the visible, with some examples of their use in astronomy. It is the technology that, applied to the wavefront sensors, has jointly enabled other developments the advent of extreme adaptive optics such as the VLT-SPHERE or SUBARU-SCExAO. To finish the e-APD (electron-induced avalanche photodiode) in the infrared will be discussed. E-APDs have this very interesting property of being almost perfect amplifiers, and have an ability to detect photon energy, properties that will be developed and analyzed. We will end up with the prospects and the progress that we are entitled to expect in the coming years.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de problèmes de détection et de suivi d'objets mobiles multiples sur route, à partir de données télémétrique de type lidar à balayage. Les travaux dans le domaine de la détection et de suivi d'obstacles à partir de données lidar mettent généralement en oeure trois principales étapes : la détection, l'association de mesures et le filtrage. Cependant, il est connu que cette chaîne de traitement peut engendrer des pertes d'informations pouvant être à l'origine de cas de non détection ou de fausse alarme. Par ailleurs, les non-linéarités liées à la transformation polaire-cartésien des mesures lidar au cours de l'étape de détection ne permettent plus de préserver la statistique des bruits de mesure après traitement. Une autre difficulté, compte tenu de la nature spatialement distribuée des mesures lidar liées à un objet, est de pouvoir associer chaque impact à un unique véhicule tout en prenant en compte la variabilité temporelle du nombre d'impacts à lui associer. Seule une approche exploitant les données brutes permet de garantir l'optimalité de la chaîne de traitement. Cette thèse explore une nouvelle approche conjointe de détection et de suivi exploitant les données brutes du lidar, éliminant toute étape de pré-détection. L'approche proposé repose, d'une part, sur l'usage des méthodes de Monte Carlo séquentielles en raison de leur aptitude à traiter des modèles fortement non linéaire, , et, d'autre part, sur une modélisation des ojets compatible avec la perception lidar. La méthode est validée avec des données du simulateur SIVIC dans différentes situations expérimentales pour la détection et le suivi d'objets hétérogènes dans un cas lidar monoplan puis multiplan. / This thesis focus on the problem of multiobject detection and tracking multiple moving objects on the road, using a scanning laser rangefinder. The works in the field of obstacle detection and tracking from lidar data generally use three main stages : detection, measurement association and filtering. However, it is known that this processing chain can lead to a loss of information that may be reponsible for non-detection or false alarm problems. Furthermore, the non-linearities associated to the polar-to-Cartesian transformation of lidar measurements during the detection step cannot preserve the statistical properties of the measurement noise. Another difficulty, related to the spatially distributed nature of a lidar measurements of an object, is to associate each impact with a single vehicle while taking into account the temporal variability of the number of impacts. An approach that only exploits the raw data ensures the optimality of the processing chain. This thesis explores a new joint approach for detection and tracking that uses raw lidar data, while eliminating any step of predetection. The proposed approach is based, first, on the use of sequential Monte Carlo methods due to their ability to deal with highly non-linear models, and secondly, on an object modeling related to lidar measure. The method is validated with data from the simulator SIVIC under different experimental conditions for the detection and tracking of heterogeneous objects with monolayer and multilayer lidar.

Avec le phénomène de vieillissement de la population vécu actuellement, la recherche de solutions pour mieux supporter les personnes âgées sans affubler davantage la main d’œuvre se tourne vers une meilleure prévention et gestion des problèmes de santé supportée par des technologies d’information de santé. Le succès de l’adoption de ces technologies est tributaire de la perception face à l’usage de celles-ci . Cette étude a exploré les perceptions de personnes âgées à l’égard de la télésurveillance, d’appareils d’auto-suivi et de détection des chutes par l’entremise de groupes de discussion et d’entrevues. Les thèmes ressortis comprennent la familiarité avec les technologies présentées, les bénéfices, préoccupations et utilités perçus à leur usage, les conseils et améliorations souhaitées et la volonté d’usage des appareils. Les participants connaissaient peu les technologies présentées, entretenaient une attitude positive à leurs égards et percevaient d’importants bénéfices à y recourir tant pour la santé que pour la tranquillité d’esprit. Toutefois, ils entretenaient certaines craintes, surtout reliées aux difficultés de certains à pouvoir utiliser ces technologies. Ils percevaient l’utilité de celles-ci dans de nombreux contextes, mais ne s’identifiaient pas au besoin d’y recourir et ne souhaitaient pas personnellement le faire à court terme, à moins d’avoir déjà utilisé celles-ci. Adapter les technologies aux diverses limitations des personnes âgées, offrir des formations à l’usage, informer davantage la population sur les technologies d’information de santé existantes et s’assurer de rendre accessible l’usage de celles-ci pourrait favoriser l’adoption des technologies par les personnes âgées. Des recherches sont nécessaires pour vérifier si ces conclusions s’appliquent à une population plus large et concernent d’autres technologies de santé pouvant supporter les personnes âgées.

Dans cet étude, nous nous concentrons sur l'analyse et l'indexation automatique des séquences vidéo. Cela permet une récupération et un accès efficace aux données. Les vidéos étant généralement stockées et transmises sous forme encodées, notre approche se base sur l'analyse dans le domaine compressé. Ce domaine présente un compromis raisonnable entre cout de calcul et qualité des résultats. Les informations les plus pertinentes encodées dans le flux H.264 sont les vecteurs de mouvement (VM). Ces vecteurs sont associés aux macroblocs dans les images prédites (de type B et P). Nous présentons diverses techniques non-supervisés pour déterminer le mouvement de la caméra, détecter et suivre les objets en mouvement dans les vidéos. Ces analyses sont basées sur les champs de VM. Nous démontrons le potentiel de l'analyse dans le domaine compressé avec plusieurs exemples d'applications, notamment la surveillance de trafic routier et la détection de copies. / The amount of generated audiovisual content continues to increase. In this work, we concentrate on the challenge of automatic video analysis and indexing, which builds the basis for efficient information access and retrieval. Taking advantage of the fact that video in most cases is stored and transmitted in encoded form, we pursue the approach of compressed domain processing, which represents a reasonable trade-off between computational complexity and quality of analysis results. The most valuable information encoded in H.264 streams is the motion vectors (MVs) that are associated with macroblocks in temporally predicted frames of type B and P. We present a number of completely unsupervised techniques to determine the camera motion and to detect and track moving objects from the extracted MV fields. We furthermore present the potential of compressed domain processing through several example applications, including traffic surveillance and video copy detection.

Cette thèse a été préparée à l'IMT atlantique dans le contexte du projet FITNESS. Ce projet Européen vise à moderniser les radios PMR (Professional Mobile Radio), utilisées par les services de sûretés. L'objectif est de développer un nouveau récepteur compatible avec les 4 normes européennes, tout en ajoutant de nouvelles fonctionnalités. Les contributions de cette thèse à FITNESS concernent la rétrocompatibilité du nouveau récepteur avec les standards actuels. Un filtre de sélection de canal de fréquence centrale reconfigurable a été utilisé pour gérer cette interopérabilité. Toutefois on notera que sa bande passante est trop large et que plusieurs canaux de communications insuffisamment atténués serons présents au niveau des convertisseurs. Pour relâcher les contraintes de linéarité et les marges de numérisation, nous proposons de rendre le récepteur conscient de son environnement spectral.L'intérêt de cette méthode a été développé dans une première partie de la thèse. Une méthode de détection aveugle basée sur les propriétés cyclostationnaires du signal de communication a été proposée. Nous utilisons ensuite cet outil pour détecter la présence d'harmoniques indésirables créés lors d'un fonctionnement en régime non linéaire du récepteur. Nous montrons qu'il est ainsi possible de détecter très tôt le mode de fonctionnement du récepteur. Enfin, basé sur les deux études précédentes nous proposons une méthode permettant d'adapter automatiquement les paramètres de la chaine analogique. Cette preuve de concept basé sur une boucle de rétroaction permet une amélioration significative du taux d'erreur binaire tout en relâchant les contraintes au niveau analogique. / This thesis was prepared at IMT Atlantique, in the context of the FITNESS project. This European project aims to modernize PMR (Professional Mobile Radio) radios, used by security services. The objective is to develop a new receiver compatible with the 4 European standards, while adding new features. The contributions of this thesis to FITNESS concern the backwards compatibility of the new receiver with current standards. A reconfigurable central frequency channel selection filter was used to manage this interoperability. However, it should be noted that its bandwidth is too large and that several insufficiently attenuated communication channels are present at the A/D converters input. To relax linearity constraints and digitization margins, we propose to make the receiver aware of its spectral environment.The interest of this method has been developed in a first part of this document. A method for blind detection based on the cyclostationary properties of the communication signal has been proposed. We then use this tool to detect the presence of unwanted harmonics created during non-linear operation of the receiver. We show that it is possible to detect the operating mode of the receiver before the useful signal degradation. Finally, based on the two previous studies, we propose a method to automatically adapt the parameters of the analog receiver. This proof of concept based on a feedback loop allows a significant improvement in the bit error rate while relaxing constraints at the analog level.

L'arrivée de nouveaux matériaux dans les industries manufacturières engendre de nouvelles problématiques de contrôle. C'est notamment le cas pour l'entreprise SKF qui introduit dans ses roulements des rouleaux en céramique. Ces rouleaux peuvent avoir deux géométries différentes, en forme de cylindre ou de tonneau. La plupart des méthodes de Contrôle Non Destructif dédiées aux rouleaux en acier ne sont pas exploitables pour ceux en céramique, c'est pourquoi il est nécessaire de développer une nouvelle approche. Dans ces travaux, nous nous sommes intéressés à la méthode Ultrasons-Laser. L'utilisation de lasers permet de générer et de détecter des ondes ultrasonores sans contact sur des structures en acier ou en céramique. Une étude des diagrammes de directivité pour les sources les plus communes et le calcul des courbes de dispersion liées à la géométrie cylindrique ont été effectués. Ces éléments nous ont permis d'interpréter les signaux acquis expérimentalement. Nous avons alors pu montrer que la méthode était efficace pour la détection de défauts de différentes natures sur des rouleaux de forme cylindrique en acier et en céramique. Une méthode originale a été proposée et étudiée théoriquement et expérimentalement afin de réduire significativement le temps de contrôle d'un rouleau et ainsi optimiser la méthode. Cette méthode a été étendue avec succès aux rouleaux de forme "tonneau". / The development of new materials in industries creates new issues about their control. It is the case for SKF introduces ceramic rollers in its bearings. These rollers can have two different geometries, cylinder or barrel. Most methods of Non Destructive Testing developed for steel rollers analysis are not adapted for ceramic rollers. In fact, these equipments use electrical of metal materials properties to control a solid. In consequence, it is necessary to develop a new approach for ceramic structures. In this report, we are studying Ultrasonics Laser method. The use of lasers allows to generate and to detect ultrasound waves without contact on steel or ceramic media. A study of directivity patterns for the most common thermoelastic sources and calculation of dispersive curves due to cylindrical geometry have been done. The results of these studies allow us to interpret different signals obtained during ours experimentations. We have shown that the method was efficient for the detection of different types of defects present on ceramic and steel rollers. An original approach has been proposed and studied, theoretically and experimentally, to reduce significantly the time of control for a cylindrical roller. This approach have been extended to a ceramic barrel roller with success.

Au cours de la dernière décennie, les réseaux (les graphes) se sont révélés être un outil efficace pour modéliser des systèmes complexes. La problématique de détection de communautés est une tâche centrale dans l’analyse des réseaux complexes. La majeur partie des travaux dans ce domaine s’intéresse à la structure topologique des réseaux. Cependant, dans plusieurs cas réels, les réseaux complexes ont un ensemble d’attributs associés aux nœuds et/ou aux liens. Ces réseaux sont dites : réseaux attribués. Mes activités de recherche sont basées principalement sur la détection des communautés dans les réseaux attribués. Pour aborder ce problème, on s’est intéressé dans un premier temps aux attributs relatifs aux liens, qui sont un cas particulier des réseaux multiplexes. Un multiplex est un modèle de graphe multi-relationnel. Il est souvent représenté par un graphe multi-couches. Chaque couche contient le même ensemble de nœuds mais encode une relation différente. Dans mes travaux de recherche, nous proposons une étude comparative des différentes approches de détection de communautés dans les réseaux multiplexes. Cette étude est faite sur des réseaux réels. Nous proposons une nouvelle approche centrée "graine" pour la détection de communautés dans les graphes multiplexes qui a nécessité la redéfinition des métriques de bases des réseaux complexes au cas multiplex. Puis, nous proposons une approche de clustering dans les réseaux attribués qui prend en considération à la fois les attributs sur les nœuds et sur les liens. La validation de mes approches a été faite avec des indices internes et externes, mais aussi par une validation guidée par un système de recommandation que nous avons proposé et dont la détection de communautés est sa tâche principale. Les résultats obtenus sur ces approches permettent d’améliorer la qualité des communautés détectées en prenant en compte les informations sur les attributs du réseaux. De plus, nous offrons des outils d’analyse des réseaux attribués sous le langage de programmation R. / In complex networks analysis field, much effort has been focused on identifying graphs communities of related nodes with dense internal connections and few external connections. In addition to node connectivity information that are mostly composed by different types of links, most real-world networks contains also node and/or edge associated attributes which can be very relevant during the learning process to find out the groups of nodes i.e. communities. In this case, two types of information are available : graph data to represent the relationship between objects and attributes information to characterize the objects i.e nodes. Classic community detection and data clustering techniques handle either one of the two types but not both. Consequently, the resultant clustering may not only miss important information but also lead to inaccurate findings. Therefore, various methods have been developed to uncover communities in networks by combining structural and attribute information such that nodes in a community are not only densely connected, but also share similar attribute values. Such graph-shape data is often referred to as attributed graph.This thesis focuses on developing algorithms and models for attributed graphs. Specifically, I focus in the first part on the different types of edges which represent different types of relations between vertices. I proposed a new clustering algorithms and I also present a redefinition of principal metrics that deals with this type of networks.Then, I tackle the problem of clustering using the node attribute information by describing a new original community detection algorithm that uncover communities in node attributed networks which use structural and attribute information simultaneously. At last, I proposed a collaborative filtering model in which I applied the proposed clustering algorithms.