Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. [103]-106. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Depuis que les études des impacts des changements climatiques ont montré que le milieu marin pourrait être énormément fragilisé par la disparition de certaines espèces de sa faune et de sa flore, ainsi que par le vieillissement rapide de son infrastructure sous-marine, la recherche de systèmes d’observation robustes et continus est classée parmi les sujets de recherche les plus prioritaires des scientifiques. Généralement, l’observation de l’environnement et l’inspection des infrastructures sous-marines se font au moyen des capteurs imageurs tels que les capteurs optiques ou les systèmes acoustiques. Toutefois, ces outils souffrent de certaines limitations lors de leur utilisation. Les caméras optiques fournissent des données caractérisées par une bonne résolution permettant une interprétation facile des scènes observées mais aussi par des problèmes techniques lors de l’acquisition liés aux conditions du milieu marin (e.g. manque de visibilité) empêchant une observation continue du milieu. Les sonars traditionnels produisent aussi des images mais ils n’offrent pas de séquences d’images de haute cadence tels que les capteurs optiques, et leur utilisation est parfois contrainte dans les milieux portuaires et de faible profondeur. C’est pour pallier ces problèmes que les caméras acoustiques ont été conçues. Elles ont la capacité d’acquérir des séquences d’images multi-vues avec une haute cadence et de fonctionner dans des milieux très turbides. Néanmoins, ces caméras ne produisent que des images en 2D où l’élévation de la scène observée est inconnue. Or, une représentation 2D de l’environnement ne peut présenter qu’une partie des informations, elle n’est pas en mesure de représenter "fidèlement" le milieu où le phénomène est observé. Ceci n’est possible qu’à travers une représentation 3D. L’objectif de cette thèse est donc de développer une approche de reconstruction 3D de scènes sous-marines à partir de séquences d’images acquises par des caméras acoustiques. Pour ce faire, nous nous sommes inspirés du principe de la stéréovision pour une reconstruction 3D à partir de points saillants. Néanmoins, la géométrie et la nature bruitée des images acoustiques ne permettent pas une application directe du principe de la stéréovision. Ainsi nous proposons dans cette thèse, une méthodologie de reconstruction 3D qui répond aux problématiques posées par les images des caméras acoustiques. Elle se base, en première partie, sur la conception d'un processus d’extraction de points saillants pertinents sur lesquels, en deuxième partie, va pouvoir s'appuyer la reconstruction 3D de la scène observée. Pour la reconstruction 3D, nous proposons deux approches différentes : une approche curviligne et une approche volumique. Dans ces deux approches, l’algorithme d’optimisation SE-AMC issu de la famille des stratégies d’évolution intervient dans le calcul du mouvement de la caméra entre les images, la détermination de ce mouvement permettant par la suite, l'estimation des informations 3D. La performance de l’approche d’extraction de primitives ainsi que celle des approches de reconstruction 3D ont été évaluées: la première au travers de critères de bonne détection, de répétabilité et de bonne localisation et la deuxième au travers de la comparaison du mouvement et des informations 3D estimés avec des données réelles. / According to recent studies, climate change is having a significant impact on our marine environment inducing temperature increases, chemistry changes, ocean circulation influencing both population dynamics and underwater structure stability. Environmental change is thus a growing scientific concern requiring a regular monitoring of the evolution of underwater ecosystems with appropriate studies combined with accurate and relevant detailed information extraction and preservation. Tracking and modeling such changes in a marine environment is one of the current challenges for underwater exploration. The most common technique used to observe underwater environment, relies on vision-based systems either acoustical or optical. Optical cameras are widely used for acquiring images of the seafloor/underwater structures as they can provide information about the physical properties of the image that will enable the description of the observed scene (color, reflection, geometry). However, the range limitation and non-ideal underwater conditions (dark and turbid waters) make acoustic imaging the most reliable means of sight inside the underwater environment. Traditional sonar systems cannot provide an acoustic image sequences like optical cameras. To overcome those drawbacks, acoustic camera was built. They can produce real time high resolution underwater image sequences, with high refresh rate. Moreover, compared to optical devices, they can acquire acoustic images in turbid, deep and dark water making acoustic camera imaging a reliable means for observing underwater environment. However, although acoustic cameras can provide 2-D resolution of the order of centimeters, they do not resolve the altitude of observed scene. Thus they offer a 2D environment representation which provides incomplete information about the underwater environment. Hence, it would be very interesting to have a system which can provide height information as well as a high resolution. This is the purpose of this thesis where we developed a methodology that enables 3D reconstruction of underwater scenes using sequences of acoustic images. The proposed methodology is inspired from stereovision techniques that allow 3D information computation from image sequences. It consists of two main steps. In the first step, we propose an approach that enables the extraction of relevant salient points from several images. In the second step, two different methods have been proposed (curvilinear approach and volumetric approach) in order to reconstruct the observed scene using images acquired from different viewpoints. The Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy algorithm (SE-AMC) has been used to compute camera movement between images. This movement has been then used to retrieve 3D information. The methodology performances have been evaluated: feature extraction approach has been assessed using criteria of good detection, repeatability and good localization and 3D reconstruction approach has been assessed by comparison between estimated camera movement and 3D information with real data.

Les développements à venir, tant dans le domaine de l'imageriemédicale que dans celui du contrôle non-destructif, sont conditionnés par les enjeux de l'imagerie tridimensionnelle ”temps réel”, parmi lesquels on peut identifier la conception de sondes ultrasonores à haute densité d'intégration et la création de nouvelles pratiques d'imagerie fondées sur des transducteurs polyvalents. Dans ce contexte, les sondes sont devenues des réseaux de plusieurs centaines, voire<br />milliers, de transducteurs élémentaires, qui, d'une part, rendent les modèles unidimensionnels obsolètes, et, d'autre part, les modèles numériques trop lourds au premier abord. Lors de ces travaux de doctorat, nous avons élaboré de nouvelles stratégies de modélisation et de conception des sondes d'imagerie, fondées sur l'exploitation du caractère massivement périodique de telles structures.<br />Avec en ligne de mire les structures composites piézoélectriques qui constituent le coeur des sondes modernes, nous avons développé deux méthodes numériques complémentaires. La première est fondée sur une méthode éléments<br />finis / éléments de frontière (FEA/BEM) qui permet de tenir compte, d'une part de la périodicité de la structure, d'autre part des milieux de propagation dans lesquels la structure rayonne. La deuxième méthode repose sur un développement en ondes planes et permet l'analyse des structures composites avec une approche différente qui est celle des structures à bandes d'arrêt encore appelées cristaux phononiques. Cette deuxième approche nous amène à imaginer des motifs qui<br />diffèrent des classiques barreaux à section carrée et qui nécessitent d'explorer de nouvelles voies quant à la fabrication des composites. Des techniques de microsablage et d'usinage abrasif par ultrasons ont été testées en collaboration avec l'EPFL et le LCEP respectivement.<br />La flexibilité de la méthode dite FEA/BEM permet de simuler tous types de réseaux périodiques de transducteurs, en fournissant une analyse fine des phénomènes qui y prennent place et en offrant la capacité d'évaluer les effets de diaphonie entre les éléments du réseau. Cette démarche a été appliquée à une sonde commerciale 1-D, architecture qui constitue encore actuellement le quotidien des ingénieurs de conception, et à une architecture de type membranes<br />micro-usinées sur silicium, qui constitue une révolution conceptuelle dans le domaine de l'imagerie.

Cette thèse traite de l'imagerie acoustique à faible nombre de transducteurs au moyen d'une cavité. Il a été démontré au laboratoire qu'un dispositif d'imagerie pouvait être obtenu avec seulement quelques transducteurs. Il repose sur l'usage d'une cavité mélangeur et la technique d'imagerie par retournement temporel. Une première étude expérimentale est réalisée avec une plaque en Duralumin de géométrie carrée équipée d'un unique transducteur. Le système dans son ensemble agit comme une antenne acoustique à faible profil et autorise la focalisation contrôlée d'une onde acoustique dans l'air. Par la suite, nous avons souhaité améliorer le contraste de focalisation du système. Pour cela, la géométrie de la cavité a été modifiée afin d'augmenter le nombre de modes. Le contraste de focalisation dépend en effet du nombre de modes excités dans la cavité. Une plaque de géométrie irrégulière est d'abord étudiée et utilisée pour effectuer des expériences d'imagerie en mode échographique. Ensuite, nous avons introduit un réseau de résonateurs. Il est montré expérimentalement et numériquement que ceci permet d'augmenter fortement la densité modale dans une faible bande de fréquence et donc d'améliorer le contraste de focalisation. Puis, une étude en fonction du nombre de transducteurs est également réalisée et montre que le gain du contraste en fonction du nombre de transducteurs est limité du fait de la dépendance des modes excités. Enfin, pendant cette thèse et depuis son début, les plaques ont été caractérisées au moyen d'une technique nouvelle de mesure locale d'épaisseur étudiée en parallèle. Elle repose sur la mesure des vibrations de la plaque sur un cercle et en son centre. Grande innovation, la technique autorise la simple écoute de la vibration de la plaque pour en déduire son épaisseur.

La propagation des ondes ultrasonores à travers des cristaux phononiques CP à deux dimensions 2D constitués de diffuseurs solides dans des matrices solide et fluide est ici étudiée, ainsi que la caractérisation de ces milieux et leur application à l'imagerie acoustique. Les techniques expérimentales utilisées permettent une mesure complète des champs transmis à travers les cristaux. Les études sont menées dans des bandes fréquentielles autorisant les effets de réfraction négative indispensables à l'obtention d'une résolution inférieure à la limite de diffraction (super-résolution). De manière à compléter les analyses, différents outils théoriques sont exploités : Décomposition en Ondes Planes et Éléments Finis, notamment. La première partie du document concerne la réalisation et la caractérisation de cristaux phononiques possédant des propriétés nécessaires à la réalisation de systèmes d'imagerie acoustique : réfraction négative, contours équi-fréquences circulaires, accord d'indice, accord d'impédance. Cette première étude est menée sur un cristal à matrice solide, elle met en relief la possibilité de générer différents modes de Bloch au cours de la propagation. L'accord d'indice avec l'eau n'étant cependant pas obtenu, la seconde partie porte sur la réfraction négative et la focalisation des ondes à travers un CP à matrice fluide. Les propriétés du CP déterminées, le dernier chapitre s'attache à évaluer les performances des systèmes d'imagerie développés : dynamique et résolution.

Ce travail de thèse à été financé par le projet LICORVE (Développement de garnitures légères, innovantes, recyclables et poly-sensorielles pour les applications de coffres de véhicule). Il consiste à développer une méthodologie de mesure pour localiser et caractériser les sources de bruit dans un coffre de voiture. L'environnement de mesure se caractérise par un petit volume où les réflexions de la source d'intérêt et des sources perturbatrices sur les parois ne peuvent être négligées. La méthode doit donc permettre de séparer les différents contributions pour estimer le plus précisément possible les sources étudiées (déconfinement). Dans un premier temps, deux méthodes de séparation : Double Layer SONAH (Statistically Optimal Near el Acoustical Holography) et Field Separation Method (FSM) sont étudiées numériquement. Les limites et avantages de chacune ont été déterminés dans un environnement de mesure confiné. Cela a permis de choisir la méthode la plus adaptée à notre problématique. Dans un deuxième temps les principales conclusions de l'étude numérique sont validées expérimentalement. Dans ce cadre, un ensemble de mesures sont réalisées dans une maquette avec la méthode FSM pour localiser et caractériser des sources maitrisées. Après avoir validée la fiabilité de la méthode de séparation, FSM a été mise en œuvre dans le coffre d'une Peugeot 508 sw en condition de roulement. Les résultats obtenus ont permis d'orienter le choix des garnitures pour un traitement acoustique optimal.

Ce mémoire présente les comparaisons entre les différentes méthodes de reconstruction "Total Focusing Method" (TFM) et des différents algorithmes modifiés qui utilisent les données obtenues avec la "Full Matrix Capture" (FMC) dans le but d'améliorer certains points clés présents dans les méthodes d'imageries, tel que les problèmes de reconstructions en sous-résolution ou bien des améliorations sur la détection. Les algorithmes conçus sont comparés en analysant les mêmes données pour les différents cas. De ces cas, l'imagerie de défauts isolés et puis ensuite celle d'une séquence de défauts très rapprochée ont été effectuées. Différentes recherches ont été effectuées sur les performances des algorithmes de reconstruction TFM en basse résolution. Ce mémoire montre que tous les types d'algorithmes présentés, soit la TFM standard, la TFM avec enveloppe d'Hilbert, la TFM intégration, la TFM intégration avec enveloppe d'Hilbert, la TFM restreinte en angle, la Migration et la Migration d'Hilbert sont toutes des méthodes valides de post-traitements des données capables d'imager convenablement les défauts présentés. Les différentes méthodes de reconstruction démontrent également des habilitées dépassant celles de la TFM standard dans certains points clés, en ayant seulement quelques points négatifs, tel que les temps de traitement ou bien l'augmentation du bruit de l'image. / This study shows the comparison between standard Total Focusing Method (TFM) and various modified algorithms using the data obtained from the Full Matrix Capture (FMC) in order to improve on some key points present in the aforementioned standard method of imaging, such as sub-resolution problems and improvements on detection. The designed algorithms were compared by processing the same data for different cases. Off those cases, the imaging of isolated defects and then imaging an array of close defects were analyzed. Further work have also been done on the performance of TFM algorithms in low resolution settings. The study has shown that all presented algorithms, which are the standard TFM, the Hilbert envelope TFM, the integration TFM, the Hilbert integration TFM, the angle restricted TFM, the Migration and the Hilbert Migration are all valid image post-processing reconstruction methods able to properly detect the defects presented. The different reconstruction methods used have also shown to outperform the standard TFM in a few key points, while having a few negative points such as the processing time and the increase noise.

La maladie veineuse thromboembolique (MVTE) est un problème de santé publique (plus de 100000 cas par an en France). Elle regroupe deux entités cliniques : la thrombose veineuse profonde (TVP) des membres inférieurs et l’embolie pulmonaire (EP). La TVP correspond à la formation inadaptée d’un thrombus veineux (appelé aussi caillot sanguin) dans les veines profondes (poplitées, fémorales, iliaques). Un thrombus est principalement constitué de globules rouges et de plaquettes dans un réseau de fibrine. La complication majeure d’une TVP est la survenue d’une EP, c’est-à-dire que le thrombus s’est détaché de la paroi veineuse, ou s’est fragmenté, et est entraîné par la circulation sanguine jusqu’à une artère pulmonaire. Cette complication a un taux de mortalité assez élevée autour de 10000 à 20000 cas mortels par an en France. La survenue d’une TVP est multifactorielle associant des facteurs génétiques et acquis pouvant être répartis en trois catégories : la stase veineuse, l’altération de la paroi d’une veine et une hypercoagulabilité. En analysant la structure du thrombus, notre projet vise à identifier le facteur principal responsable de la TVP et à évaluer le risque d’EP. Pour caractériser sa structure, nous disposons de deux modes d’imagerie acoustique : l’échographie et l’élastographie (carte de dureté). Nous proposons d’extraire des descripteurs de ces images acoustiques par deux approches, l’une basée sur les ondelettes (le scattering operator) et l’autre sur les statistiques d’ordre supérieur (les multicorrélations). Ces descripteurs sont ensuite analysées par diverses techniques de classification (analyse en composantes principales, k-moyennes, classification spectrale) pour retrouver la cause principale des TVP ou la présence d’EP. / Venous thromboembolism (VTE) is an important public health issue (over 100000 individuals in France per year). VTE is a combination of a deep venous thrombosis (DVT) and a pulmonary embolism (PE). DVT is an inappropriate formation of a thrombus (also called blood clot) in one of the deep veins of the body, usually in the leg (popliteal, femoral, iliac). There are mainly three components in a thrombus: platelets, red blood cells and a mesh of fibrins. The main complication of a DVT is a pulmonary embolism (PE) which occurs when a thrombus breaks loose and travels to the lungs. PE affects an estimated 10000 - 20 000 individuals just in France per year. Three physiopathological mechanisms cancontribute, isolated or combined, to the development of a DVT: venous stasis, endothelial injury and hypercoagulability. Our project is aiming to relate the thrombus structure, its main triggering factor and the risk of a PE. To characterize the thrombus structure, we are collecting ultrasonography (echogenicity) and elastography (stiffness) of human thrombus. We propose to extract features from these to kind of ultrasound images using two approaches: one basedon wavelets (the scattering operator) and another based on high order statistics (multicorrelations). Then, the obtained features are analysed using several classification technics (principal component analysis, k-means, spectral clustering) to find the main cause of the DVT or the presence of PE.

Dans un grand nombre d'applications industrielles, il est nécessaire d'inspecter des structures rayonnantes à l'aide de techniques de caractérisation et de localisation de sources acoustiques instationnaires. Ces dernières décennies, plusieurs techniques d'imagerie acoustique ont été développées, reposant sur l'utilisation de mesures d'un jeu de grandeurs acoustiques (pression et/ou vitesse particulaire) sur des antennes microphoniques, structurées ou non. Le travail réalisé durant cette thèse porte plus spécifiquement sur les techniques d'imagerie instationnaires par retournement temporel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux optimisations permettant de rendre les performances de ces techniques d'imagerie instationnaires insensibles aux conditions de mesures (environnement réverbérant et bruité). Pour cela, différentes améliorations sont proposées dans ce manuscrit, grâce à des mesures réalisées sur une antenne hémisphérique double-couche. En particulier, nous détaillerons un processus d'imagerie acoustique quantitative par retournement temporel grâce au calcul de l'intégrale de Helmholtz-Kirchhoff retournée temporellement, grâce aux mesures "double données" réalisées sur l'antenne. Ensuite, nous détaillerons les optimisations pour supprimer les effets de salle et les contributions de sources perturbatrices grâce à une méthode de séparation de champs, qui consiste à projeter les données mesurées sur la base des harmoniques sphériques puis à séparer les contributions "entrantes" et "sortantes". Pour finir, la résolution d'imagerie par retournement temporel, intrinsèquement limitée, est améliorée grâce à la définition automatique d'un puits à retournement temporel dont la formulation analytique tire partie de la structure double-couche des données mesurées. Il est essentiel de noter que ces différentes stratégies d'optimisation sont possibles grâce à l'enregistrement d'un double jeu de données (pression-pression ou pression-vitesse). La qualité de reconstruction du champ de pression par le processus d'imagerie par retournement temporel double couche complet est illustré à travers des études numériques et des études expérimentales, allant d'une configuration idéale (environnement anéchoïque et non bruité) à un cas complexe (environnement fortement réverbérant et bruité). / For many industrial applications, it is necessary to inspect radiating structures using non-stationary sources localization and characterization techniques. In the last decades, many acoustical imaging methods have been developed. These techniques are based on the measurement of a set of acoustical quantities (pressure and/or particle velocity) on structured (or not) microphones antennas. In particular, this thesis work aims at studying and optimizing non-stationary imaging methods using time reversal. More particularly, we are interested in improvements following to assess precisely the acoustic field with good performances, by making these methods performances insensitive to the measurements conditions (reverberant and noisy environment). For purpose, several improvements are proposed in this manuscript, thanks to measurements realised on a hemispherical double layer antenna. In particular, we detail a quantitative time reversal acoustical imaging process thanks to the calculation of the time reversed version of the Helmholtz-Kirchhoff integral, using the "double data" measurements realised on the antenna. Then, we will detail improvements to suppress both room effects and the perturbative sources contributions thanks to a field separation method, which consists in expanding the measured data onto spherical harmonics functions basis. Then, the "incoming" and the "outgoing" contributions are separated. Finally, the time reversal imaging resolution, intrinsically limited, is improved thanks to the automatic definition of a time reversal sink. Its analytical formulation takes advantage of double layer measurement structure. This of crucial importance to note that all these improvements take advantage from the recording of a double data set (pressure-pressure or pressure-velocity). The quality of the pressure field reconstructed using the full double layer time reversal imaging process is illustrated through numerical and experimental studies, from an idealized situation (anechoic and not noisy environments) to a hard case (highly reverberant and noisy environment).

Si les avancées majeures en imagerie ultrasonore ont longtemps été liées à la qualité de l'instrumentation, l'avènement de l'informatique a incontestablement changé la donne en introduisant des possibilités croissantes de traitement des données pour obtenir une meilleure image. Par ailleurs, les GPUs, composants principaux des cartes graphiques, offrent de par leur architecture des vitesses de calcul bien supérieures aux processeurs, y compris à des fins de calcul scientifique. Le but de cette thèse a été de tirer parti de ce nouvel outil de calcul, en ciblant deux applications complémentaires. La première est d'autoriser une imagerie en temps réel de meilleure qualité que les autres techniques d'imagerie échographique, en parallélisant le procédé d'imagerie FTIM (Fast Topological IMaging). La seconde est d'introduire l'imagerie quantitative et en particulier la reconstruction de la carte de vitesse du milieu inconnu, en utilisant l'inversion de la forme d'onde complète. / If the most important progresses in ultrasound imaging have been closely linked to the instrumentation's quality, the advent of computing science revolutionized this discipline by introducing growing possibilities in data processing to obtain a better picture. In addition, GPUs, which are the main components of the graphics cards deliver thanks to their architecture a significantly higher processing speed compared with processors, and also for scientific calculation purpose. The goal of this work is to take the best benefit of this new computing tool, by aiming two complementary applications. The first one is to enable real-time imaging with a better quality than other sonographic imaging techniques, thanks to the parallelization of the FTIM (Fast Tpological IMaging) imaging process. The second one is to introduce quantitative imaging and more particularly reconstructing the wavespeed map of an unknown medium, using Full Waveform Inversion.