Dans cette thèse, nous abordons le problème SLAM pour des robots évoluant en 3D dans de grands environnements, en utilisant la stéréovision. Une implémentation complète des différentes fonctionnalités nécessaires a été conçue, développée et expérimentée dans différents contextes. La première partie de la thèse traite du problème d'association des données :elle présente un algorithme de mise en correspondance de points d'intérêt détectés dans les images, qui est robuste par rapport au bruit et aux changements de point de vue. La deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'une approche du problème SLAM basée sur le filtrage de Kalman. Les amers sont les points d'intérêt détectés dans les images, dont les coordonnées 3D sont fournies par la stéréovision. La dernière partie de la thèse présente et analyse des résultats obtenus dans différents contextes~: sur des trajectoires de plusieurs centaines de mètres effectuées par un ballon dirigeable évoluant à faible altitude, avec un robot évoluant en environnement naturel non structuré, et avec un robot évoluant en environnements intérieurs. Lorsque la trajectoire ``ferme une boucle'', une méthode rapide de correction de l'estimée des différentes positions par lesquelles le robot est passé permet de reconstruire un modèle numérique du terrain.

Les maladies cardiovasculaires demeurent à ce jour la première cause de mortalité dans les pays occidentaux développés. Le diagnostic d'une pathologie permet de prescrire au patient une thérapie adaptée avec un succès d'autant plus grand que la détection est précoce. Nous nous intéressons dans cette thèse à l'étude de la dynamique cardiaque par analyse d'images tridimensionnelles, plus précisément à l'étude du ventricule gauche, la pompe principale du système de circulation sanguine. La première partie de ces travaux porte sur l'étude de la perfusion myocardique par tomoscintigraphie (SPECT) : dans cette étude, deux images 3D fonctionnelles du ventricule gauche sont acquises afi n de détecter, par comparaison, d'éventuelles ischémies ou infarctus. Un outil a été développé pour mettre en correspondance ces images de façon automatique et de normaliser la géométrie de ces images dans un coeur de référence, en vue d'une quanti fication objective en 3D de l'étendue d'une pathologie. Cet outil a été mis au point sur une base de données d'entraînement de 40 cas et évalué sur une base de données de routine de 250 cas avec un succès de 97 %. La seconde partie de ces travaux porte sur l'étude du mouvement du ventricule gauche : nous décrivons une classe de transformations planisphériques 4D qui permettent de décrire le mouvement du ventricule en 4D (espace + temps). Ces transformations sont continues, dé finies grâce à la donnée d'un nombre réduit de paramètres. Elles sont décrites dans une géométrie particulièrement adaptée, permettant une écriture simple de la transformation. De plus, il est possible de réaliser une décomposition du mouvement dont la description spatiale et temporelle fournit des paramètres quantitatifs en vue d'une analyse objective et, potentiellement, et d'un diagnostic indépendant de l'opérateur. La méthode a été testée sur des séquences d'images tomoscintigraphiques synchronisées à l'électro-cardiogramme (gated SPECT) et par IRM marquées (tagged MRI).

En stéréovision, une carte dense des disparités peut être déterminée grâce à des méthodes locales exploitant la mise en correspondance des contenus de voisinages bidimensionnels. Toutefois, dans le contexte d'une application de métrologie 3D, il n'est pas nécessaire que la carte soit dense, mais elle doit être très précise. Par ailleurs, en présence d'un fort eet de perspective, d'importantes variations locales de la disparit é apparaissent et les méthodes locales exploitant des fenêtres 2D ne garantissent plus une précision susante. Dans ce travail, nous proposons une méthode générique de mise en correspondance qui exploite des caractéristiques extraites d'un ensemble de courbes de similarité calculées sur des fenêtres 1D. Nous établissons une notion de conance reliant directement la précision à la densité de la carte des disparités obtenue, entre lesquelles il est alors possible de xer un compromis. La méthode générique proposée est évaluée en comparant ses résultats à ceux obtenus par six autres méthodes locales similaires. Nous montrons ainsi son ecacité, tout particulièrement quand la scène contient un plan fortement incliné. Nous testons nalement notre méthode dans le cadre d'une application de détection d'obstacles à l'avant d'un véhicule routier. Nous montrons qu'en segmentant notre carte des disparités par un procédé assez simple, la détection des obstacles est possible et surtout plus précise qu'avec des cartes des disparités calculées sur des voisinages 2D. Le comportement de la méthode 1D face à diérents défauts de texture ou de calibration est étudié à la fois sur des images de synthèse et des images réelles.

Nous présentons dans ce document l'ensemble de nos travaux concernant l'appariement, la modélisation et l'indexation des images. Cet ensemble de techniques concourt au développement d'un système de reconnaissance automatique d'images. Dans un premier temps, nous présentons diverses méthodes d'appariement d'images adaptées spécifiquement aux images structurées, texturées en niveaux de gris ou en couleur. Nous montrons comment faire coopérer ces méthodes dans le cas d'images difficiles. La deuxième partie est consacrée à la modélisation d'images et de concepts visuels, modélisation qui repose sur une technique de regroupement hiérarchique. La taille des groupes formés est calculée par une méthode basée sur l'entropie. L'indexation des images occupe la fin du mémoire. Deux cas sont étudiés : celui du stockage des données en mémoire vive, cas pour lequel nous fournissons des résultats de complexité, et celui du stockage en mémoire auxiliaire, qui reste encore largement à explorer. Le tout est largement illustré de cas concrets et ouvre de nombreuses pistes de travail.

Ce mémoire de thèse traite de la mise en correspondance d'images pour des applications de vision stéréoscopique ou de stabilisation d'images de caméras vidéo. Les méthodes de mise en correspondance reposent généralement sur l'utilisation de points d'intérêt dans les images, c'est-à-dire de points qui présentent de fortes discontinuités d'intensité lumineuse. Nous présentons tout d'abord un nouveau descripteur de points d'intérêt, obtenu au moyen d'un fi ltre anisotropique rotatif qui délivre en chaque point d'intérêt une signature mono-dimensionnelle basée sur un gradient d'intensité. Invariant à la rotation par construction, ce descripteur possède de très bonnes propriétés de robustesse et de discrimination. Nous proposons ensuite une nouvelle méthode d'appariement invariante aux transformations euclidiennes et affines. Cette méthode exploite la corrélation des signatures sous l'hypothèse de faibles déformations, et dé finit une mesure de distance nécessaire à l'appariement de points. Les résultats obtenus sur des images difficiles laissent envisager des prolongements prometteurs à cette méthode.

La mise en correspondance d'images multimodales est devenue un axe de recherche essentiel en traitement d'images quels que soient les domaines d'applications. Dans le cadre médical, de nombreuses modalités d'imagerie permettent d'explorer l'organisme mais la grande diversité des phénomènes physiques mis en jeu implique que les organes seront analysés selon des points de vue très différents, spécifiques à chacune des modalités. La fusion d'images multimodales permet de palier cette difficulté en exploitant la complémentarité des différentes modalités pour extraire des données nouvelles par la juxtaposition des données initiales et faisant ainsi de la mise en correspondance un élément d'analyse incontournable. La présente étude est orientée sur la recalage et la mise en correspondance de données issues de systèmes d'imageries projective et tomographique d'angiographie cérébrale. L'angiographie par rayons X (2D) est la référence actuelle pour l'étude des vaisseaux intracrâniens mais elle souffre d'un manque de flexibilité et d'absence d'informations tridimensionnelles. Le recalage et la mise en correspondance de cette modalité avec l'Imagerie par Résonance Magnétique permet, d'une part de compléter les données de l'image radiologique et, d'autre part, de valider les innovations technologiques apportées aux dernières générations d'imageurs. La méthode proposée se base sur un recalage automatique et rigide entre les deux modalités. L'originalité de l'approche réside en l'absence de marqueurs ou référentiels externes, basant ainsi le recalage uniquement sur les caractéristiques anatomiques individuelles. Les retombées médicales de ce travail sont multiples tant dans le domaine diagnostique que thérapeutique. A titres d'exemples, une information fine et précise de la vascularisation peut se révéler être décisive dans un cadre neurochirurgical et la mise en correspondance d'images acquises à des instants différents permet un suivi plus objectif d'une pathologie.

Cette thèse traite le domaine de coopération des systèmes d'informations basée sur les ontologies. Nous proposons une architecture globale, appelée OWSCIS, qui se base sur les ontologies et les services-web pour la coopération des systèmes d'informations distribués et hétérogènes. Dans cette thèse, nous focalisons sur la problématique de connexion des sources d'informations locales vers des ontologies locales dans le cadre de l'architecture OWSCIS. Cette problématique est articulée en trois axes principaux: 1) la création de l'ontologie locale des sources d'informations locales, 2) la mise en correspondance des sources d'informations locales avec l'ontologie locale, et 3) la traduction des requêtes sur l'ontologie locale vers des requêtes sur les sources d'informations locales. / This thesis treats the area of ontology-based cooperation of information systems. We propose a global architecture called OWSCIS that is based on ontologies and web-services for the cooperation of distributed heterogeneous information systems. In this thesis, we focus on the problem of connecting the local information sources to the local ontologies within OWSCIS architecture. This problem is articulated by three main axes: 1) the creation of the local ontology from the local information sources, 2) the mapping of local information sources to an existing local ontology, and 3) the translation of queries over the local ontologies into queries over local information sources.

La polarisation de la lumière, phénomène physique parfaitement maîtrisé, a été introduit depuis une dizaine d'années seulement dans le domaine de l'imagerie. En effet, tout comme l'œil humain, les capteurs ne sont pas, par construction, sensible à la polarisation de la lumière. Cette propriété particulièrement intéressante ne peut être obtenue qu'en ajoutant des composants optiques aux caméras classiques. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un système à la fois stéréoscopique et sensible à l'état de polarisation. En effet, de nombreux insectes dans la nature, comme les abeilles par exemple, ont la capacité à s'orienter dans l'espace et à extraire des informations pertinentes issues de la polarisation. Le prototype ainsi développé doit permettre de reconstruire en trois dimensions des points d'intérêt tout en associant à ces points un ensemble de paramètres relatifs à l'état de polarisation. Le système proposé ici est constitué de deux caméras équipés chacune de deux composants à cristaux liquides permettant d'obtenir deux images avec des orientations de polarisation différentes. Pour chaque acquisition, quatre images sont obtenues : deux pour chacune des caméras. Le verrou majeur soulevé ici est la possibilité de remonter à des informations de polarisation à partir de deux caméras différentes. Après une première étape de calibration géométrique et photométrique, la mise en correspondance des points d'intérêt est rendue délicate en raison des composants optiques placés devant les objectifs. Une étude approfondie des différentes méthodes de mise en correspondance a permis de sélectionner la méthode la moins sensible aux effets de polarisation. Une fois les points mis en correspondance, les paramètres de polarisation de chacun des points sont calculés à partir des quatre valeurs issues des quatre images acquises. Les résultats obtenus sur des scènes réelles montrent la faisabilité et l'intérêt d'un tel système pour des applications robotiques. / The polarization of light was introduced last ten years ago in the field of imaging system is a physical phenomenon that can be controlled for the purposes of the vision system. As that found in the human eyes, in general the imaging sensors are not under construction which is sensitive to the polarization of light. These properties can be measured by adding optical components on a conventional camera. The purpose of this thesis is to develop an imaging system that is sensitive both to the stereoscopic and to the state of polarization. As well as the visual system on a various of insects in nature such as bees, that are have capability to move in space by extracted relevant information from the polarization. The developed prototype should be possible to reconstruct threedimensional of points of interest with the issues associated with a set of parameters of the state of polarization. The proposed system consists of two cameras, each camera equipped with liquid crystal components to obtain two images with different directions of polarization. For each acquisition, four images are acquired: two for each camera. Raised by the key of main capability to return polarization information from two different cameras. After an initial calibration step; geometric and photometric, the mapping of points of interest process is made difficult because of the optical components placed in front of different lenses. A detailed study of different methods of mapping was used to select sensitivity to the polarization effects. Once points are mapped, the polarization parameters of each point are calculated from the four values from four images acquired. The results on real scenes show the feasibility and desirability of this imaging system for robotic applications.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le contexte de la prédiction de la toxicité en radiothérapie du cancer de la prostate. Dans l'objectif d'analyser les corrélations spatiales entre la dose et les effets secondaires cette problématique est abordée dans un cadre d'analyse de population. La mise en correspondance inter-individus de l'anatomie et de la distribution de dose planifiée soulève des difficultés liées aux fortes variabilités anatomiques et au faible contraste des images CT considérées. Nous avons envisagé différentes stratégies de recalage non-rigide exploitant les informations relatives aux structures anatomiques, aux combinaisons intensité-structure, ou aux relations inter-structures. Les méthodes proposées s'appuient notamment sur l’utilisation de descripteurs structurels des organes tels que les cartes de distances euclidiennes ou du champ scalaire solution de l’équation de Laplace. Ces méthodes ont permis d'améliorer significativement la précision de la mise en correspondance, tant au niveau anatomique que dosimétrique. Les plus performantes ont été utilisées pour analyser une population de 118 individus. Les comparaisons statistiques des distributions de dose entre les patients souffrant ou non de saignements rectaux ont permis d’identifier une sous-région du rectum où la dose semble corrélée à la toxicité. La sous-région rectale identifiée apparaît potentiellement impliquée et hautement prédictive du risque de saignement. L'approche proposée permet d’améliorer les performances des modèles mathématiques de prédiction de la toxicité. / This thesis deals with the issue of predicting the toxicity within the context of prostate cancer radiotherapy. With the aim of analyzing the spatial correlations between dose and side effects, this problem is addressed in a population analysis framework. Inter-individual matching of both the anatomy and planned dose distribution raises difficulties related to high anatomical variability and low contrast in the CT images. We considered different strategies for non-rigid registration involving the use of information on anatomical structures, intensity-structure combinations, or inter-structures relations. The proposed methods are primarily based on the use of structural descriptors of organs such as Euclidean distance maps or scalar field solution of the Laplace equation. These methods allowed us to significantly improve the accuracy of the matching, at both the dosimetric and the anatomical level. The most accurate matching strategy has been used for analyzing a population of. Statistical comparisons of dose distributions between patients with or without rectal bleeding have been used to identify a rectal sub-region likely correlated with toxicity. The identified rectal sub-region appears potentially involved in side effects and highly predictive of the risk of bleeding. The proposed approach makes it possible to improve the performance of mathematical models for predicting the toxicity.

Une des approches dominantes pour la reconnaissance d'objets est basée sur les caractéristiques locales. La méthode utilise la description locale calculée au voisinage de points d'intérêt. La détection de points d'intérêt est une première étape dans le processus de la mise en correspondance et de la reconnaissance. L'approche par apparences locales a permis d'améliorer et d'accélérer considérablement la recherche d'images dans des bases de données. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche pour la détection de points caractéristiques d'une image. Cette approche est invariante aux transformations géométriques et photométriques, qui apparaissent fréquemment entre les images prises dans des conditions différentes. Nous nous concentrons sur le problème d'invariance aux transformations affines. Cette transformation est particulièrement importante parce qu'elle permet de s'affranchir des problèmes de changements perspectives. Les approches précédentes apportent des solutions partielles, car certains paramètres de points d'intérêt ne sont pas estimés de façon invariante aux changements affines. Nous avons proposé une solution générique à ces problèmes. Notre méthode est réellement invariante aux transformations affines, y compris aux changements d'échelle importants. Les images sont caractérisées par des ensembles de descripteurs calculés en des points caractéristiques détectés automatiquement. Une mesure de ressemblance permet d'établir des correspondances entre les points. Ces correspondances sont ensuite utilisées pour calculer la géométrie qui lie les images. Dans le contexte de la recherche d'images les descripteurs sont utilisés pour retrouver des points similaires dans la base et par conséquent des images similaires aux images requêtes. Les résultats expérimentaux pour la mise en correspondance et la recherche d'images montrent que notre approche est très robuste et efficace même dans les cas de changements importants. Plusieurs études comparatives effectuées dans cette thèse montrent l'avantage de cette méthode par rapport aux approches existantes présentées récemment dans la littérature.