Le but de cette thèse est d'étudier l'adéquation des approches parallèles à l'imagerie 3D, en prenant comme problème cible de la reconstruction d'images 3D en tomographie par rayons X. L'évolution technologique des systèmes d'acquisition, du premier scanner au Morphomètre, a généré de nouvelles problématiques au niveau des méthodes de reconstruction et au niveau des besoins informatiques. Une première partie est consacrée aux fondements de la tomographie assistée par ordinateur et à la présentation des machines parallèles. L'évolution des machines de calcul intensif, du Cray 1 au Cray T3D, permet de résoudre des problèmes de taille croissante. Dans la deuxième partie, nous définissons la méthodologie suivie pour paralléliser les algorithmes de reconstruction. Nous identifions les opérateurs de base (projection et rétroprojection) sur lesquel est porté l'effort de parallélisation. Nous définissons deux approches de parallélisation (locale et globale). Différentes versions optimisées de ces algorithmes parallèles sont présentées prenant en compte d'une part la minimisation des temps de communications (recouvrement calcul/communication, communication sur un arbre binaire) et d'autre part la régulation de charge (partitionnement adaptatif). Dans la troisième partie, à partir de ces opérateurs parallélisés, nous construisons trois méthodes de reconstruction parallèles : une méthode analytique (la méthode de Feldkamp) et deux méthodes algébriques (la méthode Art par blocs et méthode SIRT). Les algorithmes sont expérimentés sur différentes machines parallèles : Maspar, Réseau de stations Sun, Ferme de processeurs Alpha, Paragon d'Intel, IBM SP1 et Cray T3D. Pour assurer la portabilité sur les différentes machines, nous avons utilisé PVM. Nous évaluons nos performances et nous montrons nos résultats de reconstruction 3D à partir de données simulées. Puis, nous présentons des reconstructions 3D effectués sur le Cray T3D, à partir de données expérimentales du Morphomètre, prototype de scanner X 3D.

Le futur de l'astronomie gamma au sol repose sur l'utilisation de grands réseaux d'imageurs Tcherenkov atmosphériques (IACT) avec des capacités améliorées : seuil en énergie plus bas, meilleure sensibilité, meilleurs résolution et pouvoir de rejet. Pour concevoir ces systèmes et optimiser leurs caractéristiques, il est nécessaire de comprendre les gerbes atmosphériques et de disposer d'outils de simulation adaptés permettant d'évaluer les performances des réseaux. La première partie de cette thèse traite des gerbes atmosphériques, des propriétés de la lumière Tcherenkov qu'elles émettent et de leur simulation. La seconde partie présente les outils que nous avons développés pour la simulation des télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique et les caractéristiques des images qu'ils obtiennent. La troisième partie de cette thèse contient une présentation des outils dévéloppés pour la reconstruction de la source, du pied de gerbe et de l'énergie ainsi que des propositions pour la séparation gamma-hadrons. Dans la dernière partie, ces outils sont utilisés pour étudier deux grands réseaux de télescopes à deux altitudes différentes et pour donner leurs performances pour la détection des rayons gamma.

Les méthodes de microscopie de super-résolution (SRM) telles que la microscopie PALM (photoactivated localization microscopy), STORM (stochastic optical reconstruction microscopy), BALM (binding-activated localization microscopy) et le DNA-PAINT, représentent un nouvel ensemble de techniques de microscopie optique qui permettent de surpasser la limite de diffraction ( > 200 nm dans le spectre visible). Ces méthodes sont basées sur la localisation de la fluorescence de molécules uniques, et peuvent atteindre des résolutions de l'ordre du nanomètres (~20 nm latéralement et 50 nm axialement). Les techniques SRM ont un large spectre d'applications dans les domaines de la biologie et de la biophysique, rendant possible l'accès à l'information tant dynamique que structurale de structures connues ou non, in vivo et in vitro. Beaucoup d'efforts ont été fournis durant la dernière décennie afin d'élargir le potentiel de ces méthodes en développant des méthodes de localisation à la fois plus précise et plus rapide, d'améliorer la photophysique des fluorophores, de développer des algorithmes pour obtenir une information quantitative et augmenter la précision de localisation, etc. Cependant, très peu de méthodes ont été développées pour examiner l'hétérogénéité des images et extraire les informations statistiquement pertinent à partir de plusieurs milliers d'images individuelles super-résolues. Dans mon travail de thèse, je me suis spécifiquement attaquée à ces limitations en: (1) construisant des objets de dimensions nanométriques et de structures bien définies, avec la possibilité d'être adaptés aux besoins. Ces objets sont basés sur les origamis d'ADN. (2) développant des approches de marquage afin d'acquérir des images homogènes de ces objets. (3) implémentant des outils statistiques dans le but d'améliorer l'analyse et la validation d'images. Ces outils se basent sur des méthodes de reconstruction de molécules uniques communément appliquées aux reconstructions d'images de microscopie électronique. J'ai spécifiquement appliqué ces développements à la reconstruction de formes 3D de deux origamis d'ADN modèles (en une et trois dimensions). Je montre comment ces méthodes permettent la dissection de l'hétérogénéité de l'échantillon, et la combinaison d'images similaires afin d'améliorer le rapport signal sur bruit. La combinaison de différentes classes moyennes ont permis la reconstruction des formes tridimensionnelles des origamis d'ADN. Particulièrement, car cette méthode utilise la projection 2D de différentes vues d'une même structure, elle permet la récupération de résolutions isotropes en trois dimensions. Des fonctions spécifiques ont été adaptées à partir de méthodologies existantes afin de quantifier la fiabilité des reconstructions et de leur résolution. A l'avenir, ces développements seront utiles pour la reconstruction 3D de tous types d'objets biologiques pouvant être observés à haute résolution par des méthodologies dérivées de PALM, STORM ou PAINT. / Super resolution microscopy (SRM) methods such as photoactivated localization microscopy (PALM), stochastic optical reconstruction microscopy (STORM), binding-activated localization microscopy (BALM) and DNA-PAINT represent a new collection of light microscopy techniques that allow to overpass the diffraction limit barrier ( > 200 nm in the visible spectrum). These methods are based on the localization of bursts of fluorescence from single fluorophores, and can reach nanometer resolutions (~20 nm in lateral and 50 nm in axial direction, respectively). SRM techniques have a broad spectrum of applications in the field of biology and biophysics, allowing access to structural and dynamical information of known and unknown biological structures in vivo and in vitro. Many efforts have been made over the last decade to increase the potential of these methods by developing more precise and faster localization techniques, to improve fluorophore photophysics, to develop algorithms to obtain quantitative information and increase localization precision, etc. However, very few methods have been developed to dissect image heterogeneity and to extract statistically relevant information from thousands of individual super-resolved images. In my thesis, I specifically tackled these limitations by: (1) constructing objects with nanometer dimensions and well-defined structures with the possibility of be tailored to any need. These objects are based on DNA origami. (2) developing labeling approaches to homogeneously image these objects. These approaches are based on adaptations of BALM and DNA-PAINT microscopies. (3) implemented statistical tools to improve image analysis and validation. These tools are based on single-particle reconstruction methods commonly applied to image reconstruction in electron microscopy.I specifically applied these developments to reconstruct the 3D shape of two model DNA origami (in one and three dimensions). I show how this method permits the dissection of sample heterogeneity, and the combination of similar images in order to improve the signal-to-noise ratio. The combination of different average classes permitted the reconstruction of the three dimensional shape of DNA origami. Notably, because this method uses the 2D projections of different views of the same structure, it permits the recovery of isotropic resolutions in three dimensions. Specific functions were adapted from previous methodologies to quantify the reliability of the reconstructions and their resolution.In future, these developments will be helpful for the 3D reconstruction of any biological object that can be imaged at super resolution by PALM, STORM or PAINT-derived methodologies.

Les récentes paramétrisations utilisées dans les modèles spectraux de vagues offrent des résultats intéressants en termes de prévision et rejeux des états de mer. Cependant, de nombreux phénomènes physiques présents dans ces modèles sont encore mal compris et donc mal modélisés, notamment le terme de dissipation lié au déferlement des vagues.Le travail présenté dans cette thèse vise dans un premier temps à analyser et critiquer les paramétrisations existantes de la dissipation, au travers de la modélisation explicite des propriétés du déferlement sous-jacentes. Du constat de l’échec de ces paramétrisations à reproduire les observations in situ et satellite du déferlement, une nouvelle méthode d’observation et d’analyse des déferlements est proposée à l’aide de systèmes de stéréo vidéo. Cette méthode permet l’observation des déferlements sur des surfaces de mer reconstruites à haute résolution par stéréo triangulation. Ainsi, une méthode complète de reconstruction des surfaces de mer en présence de vagues déferlantes est proposée et validée. La détection des vagues déferlantes sur les images et leur reprojection sur les surfaces reconstruites est également discutée. Bien que peu d’acquisitions soient disponibles, les différents paramètres observables grâce à l’utilisation de la stéréo vidéo sont mis en avant. Ce travail montre l’intérêt des systèmes vidéo stéréo pour une meilleure observation et compréhension du déferlement des vagues, pour le développement des paramétrisations de la dissipation dans les modèles spectraux de vague. / The recent parameterizations used in spectral wave models provide today interesting results in terms of forecast and hindcast of the sea states. Nevertheless, many physical phenomena present in these models are still poorly understood and therefore poorly modeled, in particular the dissipation source term due to breaking. First, the work presented in this thesis is aimed at analyzing and criticizing the existing parameterizations of the dissipation through the explicit modeling of the underlying properties of breaking. The finding of the failure of these parameterizations to reproduce the in situ and satellite observations, a new method for the observation and the analysis of breaking is proposed using stereo video systems . This method allows the observation of breaking waves on the high-resolution stereo-reconstructed sea surfaces. Therefore, a complete method for reconstruction of the sea surfaces in the presence of breaking waves is proposed and validated.The detection of breaking waves on the images and their reprojection on reconstructed surface is also discussed. Although too few acquisitions are available to draw firm results, an overview of the various observable parameters through the use of stereo video is given.This work shows the importance of stereo video systems to a better observation and understanding of the breaking waves, required in order to improve dissipation source term in spectral wave models.