Les systèmes d'information des organisations contiennent des données de diverses natures, dispersées dans une grande variété de sources. La gestion unifiée permet d'offrir un accès uniforme et transparent à cet ensemble hétérogène de sources. Nous nous intéressons à l'intégration de données structurées (bases de données relationnelles) et de données non structurées (sources textuelles, pouvant être multilingues) et particulièrement à la prise en compte de sources textuelles dans une infrastructure de gestion unifiée. L'approche que nous proposons repose sur l'utilisation des technologies du Web sémantique et de différents types d'ontologies. Les ontologies servent d'une part à définir le schéma global d'intégration (ontologie globale) et les différentes sources à intégrer. Les ontologies qui représentent les sources à intégrer sont appelées schémas virtuels de sources ou ontologies locales (obtenues par un processus de rétroingénierie). D'autre part, les ontologies permettent d'effectuer une reprrésentation hybride de chaque source textuelle qui combine des informations de catalogage, les vecteurs de termes, les vecteurs de concepts et, de façon optionnelle, les entités nommées ; tous ces éléments étant identifiés dans chaque document de la source. Nous avons par ailleurs élaboré une approche de gestion conjointe de plusieurs ontologies à travers un serveur d'ontologies qui sert notamment de support à l'interrogation. Un premier domaine d'application de notre travail a été la gestion de données dans le domaine du cerveau. Nous avons construit ou enrichi des ontologies pour l'organisation des connaissances dans ce domaine, utilisées notamment pour la caractérisation sémantique de sources.

La réalité virtuelle est une discipline qui se situe à la croisée de plusieurs domaines tels que l'infographie, la simulation, la téléopération, le travail collaboratif, etc. L'interaction 3D est la composante motrice de la réalité virtuelle. Elle permet à l'utilisateur d'interagir avec les entités de l'environnement virtuel. Il existe différentes techniques d'interaction 3D qui sont dédiées aux différentes tâches d'interaction 3D à savoir la navigation, la sélection, la manipulation et le contrôle d'application. En général, la technique utilisée cherche à accomplir une tâche d'interaction 3D sans prendre en considération les exigences des environnements dédies pour la téléopération et les environnements collaboratifs. Les tâches de téléopération doivent respecter un certain nombre de contraintes, qui sont : des sélections et des manipulations sécurisées et précises. Les environnements collaboratifs sont des mondes dans lesquels les utilisateurs interagissent ensemble pour réaliser des tâches communes. La complexité de ces environnements est liée à l'interaction d'un groupe d'utilisateurs avec des entités partagées. <br />L'objectif de ce travail est de modéliser, de concevoir, d'implémenter et d'évaluer un système d'assistance à l'interaction 3D mono-utilisateur et multi-utilisateurs. Notre concept est centré sur l'utilisateur et ses intérêts dans le monde virtuel, il est basé sur le principe d'anticipation du geste de l'utilisateur par l'assistance de ce dernier. Notre système d'assistance peut être considéré comme un moyen de contourner les limitations de certaines techniques d'interaction 3D classiques afin de les rendre utilisables dans des contextes différents.

La visualisation d'information est une approche des plus prometteuses pour l'exploration, l'analyse et la comprehension de donnees. Dans le cadre de cette these, les dierentes collaborations avec les utilisateurs naux de nos methodes (biologistes et geographes) ont permis d'elaborer de nouvelles visualisations et interactions adaptees aux besoins speciques de leur domaine. La notion d'exploration \focus+contexte" est ici centrale. Nous l'avons abordee tant au travers de la visualisation de donnees multidimensionnelles que de graphes hierarchiques. Une methode permettant de visualiser et d'interagir sur des donnees multidimensionnelles est proposee. Cette methode permet d'identier visuellement des correlations non lineaires a l'aide d'une matrice de graphes de correlation. Nous presentons alors une technique permettant de visualiser de facon interactive les structures hierarchiques sous forme de graphes orientes acycliques (DAGs). Les resultats d'une evaluation formelle de la methode sont alors presentes. Une extension a des donnees plus massive utilisant des techniques de visualisation "focus+context" est alors proposee.

Networks are models that help us understanding and thinking about relationships between entities in the real world. Many of these networks are dynamic, i.e. connectivity changes over time. Understanding changes in connectivity means to understand interactions between elements of complex systems; how people create and break up friendship relations, how signals get passed in the brain, how business collaborations evolve, or how food-webs restructure after environmental changes. However, understanding static networks is already difficult, due to size, density, attributes and particular motifs; changes over time very much increase this complexity. Quantification of change is often insufficient, but beyond an analysis that is driven by technology and algorithms, humans dispose a unique capability of understanding and interpreting information in data, based on vision and cognition. This dissertation explores ways to interactively explore dynamic networks by means of visualization. I develop and evaluate techniques to unfold the complexity of dynamic networks, making them understandable by looking at them from different angles, decomposing them into their parts and relating the parts in novel ways. While most techniques for dynamic network visualization rely on one particular type of view on the data, complementary visualizations allow for higher-level exploration and analysis. Covering three aspects Tasks, Visualization Design and Evaluation, I develop and evaluate the following unfolding techniques: (i) temporal navigation between individual time steps of a network and improved animated transitions to better understand changes, (ii) designs for the comparison of weighted graphs, (iii) the Matrix Cube, a space-time cube based on adjacency matrices, allowing to visualize dense dynamic networks by, as well as GraphCuisine, a system to (iv) generate synthetic networks with the primary focus on evaluating visualizations in user studies. In order to inform the design and evaluation of visualizations, we (v) provide a task taxonomy capturing users' tasks when exploring dynamic networks. Finally, (vi) the idea of unfolding networks with Matrix Cubes is generalized to other data sets that can be represented in space-time cubes (videos, geographical data, etc.). Visualizations in these domains can inspire visualizations for dynamic networks, and vice-versa. We propose a taxonomy of operations, describing how 3D space-time cubes are decomposed into a large variety of 2D visualizations. These operations help us exploring the design space for visualizing and interactively unfolding dynamic networks and other spatio-temporal data, as well as may serve users as a mental model of the data.

L'imagerie médicale est une ressource de données principale pour différents types d'applications. Bien que les images concrétisent beaucoup d'informations sur le cas étudié, toutes les connaissances a priori du médecin restent implicites. Elles jouent cependant un rôle très important dans l'interprétation et l'utilisation des images médicales. Dans cette thèse, des connaissances anatomiques a priori sont intégrées dans deux applications médicales. Nous proposons d'abord une chaîne de traitement automatique qui détecte, quantifie et localise des anévrismes dans un arbre vasculaire segmenté. Des lignes de centre des vaisseaux sont extraites et permettent la détection et la quantification automatique des anévrismes. Pour les localiser, une mise en correspondance est faite entre l'arbre vasculaire du patient et un arbre vasculaire sain. Les connaissances a priori sont fournies sous la forme d'un graphe. Dans le contexte de l'identification des sous-parties d'un organe représenté sous forme de maillage, nous proposons l'utilisation d'une ontologie anatomique, que nous enrichissons avec toutes les informations nécessaires pour accomplir la tâche de segmentation de maillages. Nous proposons ensuite un nouvel algorithme pour cette tâche, qui profite de toutes les connaissances a priori disponibles dans l'ontologie.

L'objectif de cette thèse est de fournir des outils logiciels aux anatomistes et neuro-anatomistes afin de permettre une analyse tridimensionnelle quantitative des réseaux micro-vasculaires cérébraux. Cette analyse demande des images de très haute résolution (permettant de tenir compte du plus petit capillaire), mais aussi des images couvrant une surface du cortex suffisamment large pour être statistiquement significative. Comme elle ne peut être acquise en une seule fois, nous proposons de paver la surface à imager de plusieurs petites images et de créer ainsi une grande "mosaïque d'images". Chaque image est acquise grâce à un microscope confocal dont la résolution impose une grille anisotrope. Nous avons alors développé des outils de reconstruction spécifiques pour ce genre de mosaïques afin de générer des images à la fois très étendues et très précises. Or ces images sont trop volumineuses pour être chargées et traitées en une seule fois dans la mémoire d'un ordinateur standard. Nous avons donc développé des outils spécifiques de traitement d'image (filtrage, seuillage, outils de morphologie mathématique, de topologie discrète...) décomposés en traitements en sous-images. L'étude quantitative du réseau micro-vasculaire cérébral nécessite l'extraction des lignes centrales et une estimation des diamètres des vaisseaux. La géométrie discrète offre un cadre de travail rapide et puissant pour ce type de calculs. En effet, nous devons calculer une carte de distance en tout point de l'image. Afin d'avoir la meilleure précision possible tout en gardant un temps de traitement raisonnable, nous avons choisi une carte de distance du chanfrein. Une de nos contributions a été de proposer un calcul automatique des coefficients de chanfrein permettant de s'adapter à tout type d'anisotropie de grille. L'utilisation de telles cartes de distances permet de guider des algorithmes de squelettisation. De tels outils nécessitent la conservation d'une propriété globale, la topologie. Comme nous nous plaçons dans un cadre où l'on a accès qu'à des sous images, nous avons proposé un nouvel algorithme de squelettisation qui minimise le nombre d'accès à des sous-images afin de garantir un temps de calcul acceptable, tout en localisant correctement le squelette. Ces algorithmes ont été intégrés dans le logiciel ergonomique Amira et sont utilisés par les chercheurs de l'unité U455 de l'INSERM.

La première année de thèse a permis de mettre en avant deux aspects concernant la problématique de gestion de l’énergie, à savoir le contrôle court terme et le contrôle long terme de l’énergie respectivement. La première problématique a été étudiée pendant la deuxième année de thèse et a débouché sur la proposition d’une architecture de contrôle multi-actionneurs utilisant les moteurs et les aérofreins dans l’objectif d’augmenter l’autorité de contrôle de l’énergie de l’avion. La seconde problématique a été étudiée pendant la troisième année et a débuté par une étude préliminaire reposant sur le calcul d’une séquence optimale de commandes des becs/volets et train d’atterrissage permettant d’amener l’avion à un certain niveau d’énergie en approche tout en minimisant l’utilisation des moteurs et des aérofreins. Par la suite, l’étude a été étendue afin de prendre en compte la régulation des moteurs, l’utilisation des aérofreins et la modification de la trajectoire verticale. Finalement,une solution basée sur un calcul d’optimisation a été développée puis intégrée au sein d’un simulateur de bureau temps-réel, testée avec une interface homme machine adéquat et pour finir présentée à des pilotes d’essais pour validation. / The first year of thesis allowed to foreground two aspects of the energy management issue,namely the short term control and the long term control, respectively. The first issue was studied during the second year and ended with the proposition of a solution mixing both the airbrakes and engines. The second and last issue started with a preliminary study which consisted of computing an optimal slat/flap command sequence bringing the aircraft to theright energy level in approach while minimizing the use of engines and airbrakes. Then, this study was extended in order to take into account the regulation of engines and airbrakes aswell as vertical trajectory modification. Finally, this optimization-based solution has been integrated within an accurate real-time desktop simulator, tested with a human-machine interface, and then presented to flight test pilots for validation.

Introduction. Les animaux et les humains sont capables de moduler leur propre activité cérébrale, pourvu que leur soit donné un retour sensoriel en temps-réel de celle-ci. La gamme des activités contrôlables s’étend des rythmes oscillatoires, à la réponse hémodynamique , au taux de décharge des neurones ou même au signal calcique associé aux potentiels d’action. Le contrôle volontaire des activités neuronales, facilité par le plan expérimental d’un paradigme en boucle fermée, est au cœur de l’interaction corps-esprit et peut être utilisé pour adresser des questions philosophiques. Mais comme de nombreuses études l’ont démontré, les interfaces homme-machine sont aussi un outil puissant dans la réhabilitation motrice, la gestion de la douleur, la régulation des émotions, ou encore l’amélioration de la mémoire. Étant donné que la plupart des études a été conduite sur les sujets humains avec des techniques non-invasives, les mécanismes neurophysiologiques de l’autorégulation neuronale sont restés mal connus. L’objectif principal de ce travail était donc d’élaborer une description des principes physiologiques sous-tendant cette technique.Objectifs. D’après la théorie des oscillations neuronales à des multiples niveaux, la présente enquête était principalement définie par les questions suivantes : 1) Quels sont les marqueurs physiologiques du contrôle volontaire des activités neuronales? 2) Existe t-il des échelles spatiotemporelle plus facilement modulables que d’autres? 3) Les effets de l’entrainement sont –ils spécifiques ou généralisables en espace et fréquence ? et 4) Quelles sont les stratégies cognitives efficace pour contrôler les activités oscillatoires parmi plusieurs sujets ? Pour adresser ces questions, dans mon travail j’ai utilisé les enregistrements intracérébraux avec des macro- et micro-électrodes chez les patients épileptiques dans le cadre d’un bilan pré-chirurgical. / Introduction. Animals and humans are capable to modulate their own brain activity if they are provided with real-time sensory feedback thereof. The range of controllable neural activities reaches from oscillatory brain rhythms, over hemodynamic response function to the firing of single neurons or even action-potential associated calcium signals. The voluntary control of neural activity facilitated by this ‘closed-loop’ experimental paradigm is at the very heart of the mind-body interaction and can be used to address philosophical questions. But as numerous successful applications of neurofeedback and brain-computer interfaces have demonstrated, it is also a powerful tool in motor rehabilitation, pain management, emotion regulation or memory improvement. Because most previous studies were conducted on humans using non-invasive recordings techniques, the neurophysiological mechanisms of neural self-regulation remained obscure. The main objective of the present work was thus to provide a better understanding of its underlying principles. Objectives. Following a multiscale theoretical framework of neural oscillations, the present investigation was largely guided by the following questions: 1) What are the physiological markers of successful control? 2) Are some regions or spatiotemporal scales more easily controllable than others? 3) Are training effects specific or generalized? and 4) What are subject-invariant successful cognitive strategies of neural self-control? To address these questions, we took advantage of intracerebral macro- and micro-electrode recordings in epileptic patients undergoing long-term monitoring in the presurgical context.

La visualisation interactive est un outil essentiel pour l'exploration, la compréhension et l'analyse de données. L'exploration interactive efficace de jeux de données grands ou complexes présente cependant deux difficultés fondamentales. La première est visuelle et concerne les limitations de la perception et cognition humaine, ainsi que celles des écrans. La seconde est computationnelle et concerne les limitations de capacité mémoire ou de traitement des machines standards. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux techniques de passage à l'échelle relativement à ces deux difficultés, pour plusieurs contextes d'application.Pour le passage à l'échelle visuelle, nous présentons une approche versatile de mise en évidence de sous-ensembles d'éléments par déformation spatiale appliquée aux vues multiples et une représentation abstraite et multi-/échelle de coordonnées parallèles. Sur les vues multiples, la déformation spatiale vise à remédier à la diminution de l'efficacité de la surbrillance lorsque les éléments graphiques sont de taille réduite. Sur les coordonnées parallèles, l'abstraction multi-échelle consiste à simplifier la représentation tout en permettant d'accéder interactivement au détail des données, en les pré-agrégeant à plusieurs niveaux de détail.Pour le passage à l'échelle computationnelle, nous étudions des approches de pré-calcul et de calcul à la volée sur des infrastructures distribuées permettant l'exploration de jeux de données de plus d'un milliard d'éléments en temps interactif. Nous présentons un système pour l'exploration de données multi-dimensionnelles dont les interactions et l'abstraction respectent un budget en nombre d'éléments graphiques qui, en retour, fournit une borne théorique sur les latences d'interactions dues au transfert réseau entre client et serveur. Avec le même objectif, nous comparons des stratégies de réduction de données géométrique pour la reconstruction de cartes de densité d'ensembles de points. / Interactive visualization is helpful for exploring, understanding, and analyzing data. However, increasingly large and complex data challenges the efficiency of visualization systems, both visually and computationally. The visual challenge stems from human perceptual and cognitive limitations as well as screen space limitations while the computational challenge stems from the processing and memory limitations of standard computers.In this thesis, we present techniques addressing the two scalability issues for several interactive visualization applications.To address visual scalability requirements, we present a versatile spatial-distortion approach for linked emphasis on multiple views and an abstract and multi-scale representation based on parallel coordinates. Spatial distortion aims at alleviating the weakened emphasis effect of highlighting when applied to small-sized visual elements. Multiscale abstraction simplifies the representation while providing detail on demand by pre-aggregating data at several levels of detail.To address computational scalability requirements and scale data processing to billions of items in interactive times, we use pre-computation and real-time computation on a remote distributed infrastructure. We present a system for multi-/dimensional data exploration in which the interactions and abstract representation comply with a visual item budget and in return provides a guarantee on network-related interaction latencies. With the same goal, we compared several geometric reduction strategies for the reconstruction of density maps of large-scale point sets.

La conception de grands systèmes se heurte souvent à des problèmes de communication au sein des équipes de concepteurs et à l'incohérence de certains documents de conception. Nous avons identifié deux approches de conception concurrentes mais complémentaires. L'une est ascendante et voit la conception réalisée par agrégation de composants standardisés, l'autre est descendante et voit la conception réalisée par raffinages successifs d'un modèle de base. Dans ces travaux, nous proposons un flot de conception intégré, tirant partie des deux approches et permettant la génération conjointe de commandes et d'interfaces de supervision pour un système sociotechnique reconfigurable. Conformément à notre retour d'expérience industriel, notre approche est basée sur un modèle métier appelé synoptique, et sur une bibliothèque d'éléments standards. Nous proposons également un modèle d'analyse des configurations du système. Il peut être utilisé pour une analyse hors ligne, afin de valider les spécifications de l'expert en charge de la conception. Il peut également être utilisé lors d'une analyse en ligne pour rechercher des configurations alternatives, en cas d'aléas ou de commandes conflictuelles. Nous présentons enfin l'outil Anaxagore, qui implémente le flot proposé et qui permet de générer, en quelques minutes, un programme de commande et une interface de supervision pour un système de gestion des fluides.