The goal of fully decoding how the brain works requires a detailed wiring diagram of the brain network that reveals the complete connectivity matrix. Recent advances in high-throughput 3D electron microscopy (EM) image acquisition techniques have made it possible to obtain high-resolution 3D imaging data that allows researchers to follow axons and dendrites and to identify pre-synaptic and post-synaptic sites, enabling the reconstruction of detailed neural circuits of the nervous system at the level of synapses. However, these massive data sets pose unique challenges to structural reconstruction because the inevitable staining noise, incomplete boundaries, and inhomogeneous staining intensities increase difficulty of 3D reconstruction and visualization. In this dissertation, a new set of algorithms are provided for reconstruction of neuronal morphology from stacks of serial EM images. These algorithms include (1) segmentation algorithms for obtaining the full geometry of neural circuits, (2) interactive segmentation tools for manual correction of erroneous segmentations, and (3) a validation method for obtaining a topologically correct segmentation when a set of segmentation alternatives are available. Experimental results obtained by using EM images containing densely packed cells demonstrate that (1) the proposed segmentation methods can successfully reconstruct full anatomical structures from EM images, (2) the editing tools provide a way for the user to easily and quickly refine incorrect segmentations, (3) and the validation method is effective in combining multiple segmentation results. The algorithms presented in this dissertation are expected to contribute to the reconstruction of the connectome and to open new directions in the development of reconstruction methods.

Réalisé en cotutelle avec l'Université de Grenoble. / La complexité des mondes virtuels ne cesse d’augmenter et les techniques de modélisation classiques peinent à satisfaire les contraintes de quantité nécessaires à la production de telles scènes. Les techniques de génération procédurale permettent la création automatisée de mondes virtuels complexes à l’aide d’algorithmes, mais sont souvent contre-intuitives et par conséquent réservées à des artistes expérimentés. En effet, ces méthodes offrent peu de contrôle à l’utilisateur et sont rarement interactives. De plus, il s’agit souvent pour l’utilisateur de trouver des valeurs pour leurs nombreux paramètres en effectuant des séries d’essais et d’erreurs jusqu’à l’obtention d’un résultat satisfaisant, ce qui est souvent long et fastidieux. L’objectif de cette thèse est de combiner la puissance créatrice de la génération procédurale avec un contrôle utilisateur intuitif afin de proposer de nouvelles méthodes interactives de modéli- sation de mondes virtuels. Tout d’abord, nous présentons une méthode de génération procédurale de villages sur des terrains accidentés, dont les éléments sont soumis à de fortes contraintes de l’environnement. Ensuite, nous proposons une méthode interactive de modélisation de cascades, basée sur un contrôle utilisateur fin et la génération automatisée d’un contenu cohérent en regard de l’hydrologie et du terrain. Puis, nous présentons une méthode d’édition de terrains par croquis, où les éléments caractéristiques du terrain comme les lignes de crêtes sont analysés et déformés pour correspondre aux silhouettes complexes tracées par l’utilisateur. Enfin, nous proposons une métaphore de peinture pour la création et l’édition interactive des mondes virtuels, où des tech- niques de synthèse d’éléments vectoriels sont utilisées pour automatiser la déformation et l’édition de la scène tout en préservant sa cohérence. / The complexity required for virtual worlds is always increasing. Conventional modeling tech- niques are struggling to meet the constraints and efficiency required for the production of such scenes. Procedural generation techniques use algorithms for the automated creation of virtual worlds, but are often non-intuitive and therefore reserved to experienced programmers. Indeed, these methods offer fewer controls to users and are rarely interactive. Moreover, the user often needs to find values for several parameters. The user only gets indirect control through a series of trials and errors, which makes modeling tasks long and tedious. The objective of this thesis is to combine the power of procedural modeling techniques with intuitive user control towards interactive methods for designing virtual worlds. First, we present a technique for procedural modeling of villages over arbitrary terrains, where elements are subjected to strong environmental constraints. Second, we propose an interactive technique for the procedural modeling of waterfall sceneries, combining intuitive user control with the automated generation of consistent content, in regard of hydrology and terrain constraints. Then, we describe an interactive sketch-based technique for editing terrains, where terrain features are extracted and deformed to fit the user sketches. Finally, we present a painting metaphor for virtual world creation and editing, where methods for example-based synthesis of vectorial elements are used to automate deformation and editing of the scene while maintaining its consistency.