Cette thèse de doctorat est dédiée à l’analyse automatique de visages 3D, incluant la détection de points d’intérêt et la reconnaissance de l’expression faciale. En effet, l’expression faciale joue un rôle important dans la communication verbale et non verbale, ainsi que pour exprimer des émotions. Ainsi, la reconnaissance automatique de l’expression faciale offre de nombreuses opportunités et applications, et est en particulier au coeur d’interfaces homme-machine "intelligentes" centrées sur l’être humain. Par ailleurs, la détection automatique de points d’intérêt du visage (coins de la bouche et des yeux, ...) permet la localisation d’éléments du visage qui est essentielle pour de nombreuses méthodes d’analyse faciale telle que la segmentation du visage et l’extraction de descripteurs utilisée par exemple pour la reconnaissance de l’expression. L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer des approches de détection de points d’intérêt sur les visages 3D et de reconnaissance de l’expression faciale pour finalement proposer une solution entièrement automatique de reconnaissance de l’activité faciale incluant l’expression et les unités d’action (ou Action Units). Dans ce travail, nous avons proposé un réseau de croyance bayésien (Bayesian Belief Network ou BBN) pour la reconnaissance d’expressions faciales ainsi que d’unités d’action. Un modèle statistique de caractéristiques faciales (Statistical Facial feAture Model ou SFAM) a également été élaboré pour permettre la localisation des points d’intérêt sur laquelle s’appuie notre BBN afin de permettre la mise en place d’un système entièrement automatique de reconnaissance de l’expression faciale. Nos principales contributions sont les suivantes. Tout d’abord, nous avons proposé un modèle de visage partiel déformable, nommé SFAM, basé sur le principe de l’analyse en composantes principales. Ce modèle permet d’apprendre à la fois les variations globales de la position relative des points d’intérêt du visage (configuration du visage) et les variations locales en terme de texture et de forme autour de chaque point d’intérêt. Différentes instances de visages partiels peuvent ainsi être produites en faisant varier les valeurs des paramètres du modèle. Deuxièmement, nous avons développé un algorithme de localisation des points d’intérêt du visage basé sur la minimisation d’une fonction objectif décrivant la corrélation entre les instances du modèle SFAM et les visages requête. Troisièmement, nous avons élaboré un réseau de croyance bayésien (BBN) dont la structure décrit les relations de dépendance entre les sujets, les expressions et les descripteurs faciaux. Les expressions faciales et les unités d’action sont alors modélisées comme les états du noeud correspondant à la variable expression et sont reconnues en identifiant le maximum de croyance pour tous les états. Nous avons également proposé une nouvelle approche pour l’inférence des paramètres du BBN utilisant un modèle de caractéristiques faciales pouvant être considéré comme une extension de SFAM. Finalement, afin d’enrichir l’information utilisée pour l’analyse de visages 3D, et particulièrement pour la reconnaissance de l’expression faciale, nous avons également élaboré un descripteur de visages 3D, nommé SGAND, pour caractériser les propriétés géométriques d’un point par rapport à son voisinage dans le nuage de points représentant un visage 3D. L’efficacité de ces méthodes a été évaluée sur les bases FRGC, BU3DFE et Bosphorus pour la localisation des points d’intérêt ainsi que sur les bases BU3DFE et Bosphorus pour la reconnaissance des expressions faciales et des unités d’action. / This Ph.D thesis work is dedicated to automatic facial analysis in 3D, including facial landmarking and facial expression recognition. Indeed, facial expression plays an important role both in verbal and non verbal communication, and in expressing emotions. Thus, automatic facial expression recognition has various purposes and applications and particularly is at the heart of "intelligent" human-centered human/computer(robot) interfaces. Meanwhile, automatic landmarking provides aprior knowledge on location of face landmarks, which is required by many face analysis methods such as face segmentation and feature extraction used for instance for expression recognition. The purpose of this thesis is thus to elaborate 3D landmarking and facial expression recognition approaches for finally proposing an automatic facial activity (facial expression and action unit) recognition solution.In this work, we have proposed a Bayesian Belief Network (BBN) for recognizing facial activities, such as facial expressions and facial action units. A StatisticalFacial feAture Model (SFAM) has also been designed to first automatically locateface landmarks so that a fully automatic facial expression recognition system can be formed by combining the SFAM and the BBN. The key contributions are the followings. First, we have proposed to build a morphable partial face model, named SFAM, based on Principle Component Analysis. This model allows to learn boththe global variations in face landmark configuration and the local ones in terms of texture and local geometry around each landmark. Various partial face instances can be generated from SFAM by varying model parameters. Secondly, we have developed a landmarking algorithm based on the minimization an objective function describing the correlation between model instances and query faces. Thirdly, we have designed a Bayesian Belief Network with a structure describing the casual relationships among subjects, expressions and facial features. Facial expression oraction units are modelled as the states of the expression node and are recognized by identifying the maximum of beliefs of all states. We have also proposed a novel method for BBN parameter inference using a statistical feature model that can beconsidered as an extension of SFAM. Finally, in order to enrich information usedfor 3D face analysis, and particularly 3D facial expression recognition, we have also elaborated a 3D face feature, named SGAND, to characterize the geometry property of a point on 3D face mesh using its surrounding points.The effectiveness of all these methods has been evaluated on FRGC, BU3DFEand Bosphorus datasets for facial landmarking as well as BU3DFE and Bosphorus datasets for facial activity (expression and action unit) recognition.

Ce travail de thèse concerne la modélisation du canal de propagation dans les milieux industriels. Dans ce contexte, le canal de propagation a un comportement différent de celui classiquement rencontré en indoor. Cela est dû à l'aménagement des bâtiments qui sont plus grand et ouverts ainsi qu'à la présence de machines, d'objets mobiles et d'autres matériaux métalliques rencontrés dans ces environnements. Ainsi, les modèles de canaux indoor existants ne sont plus valides. L'utilisation de modèles déterministes comme alternative est possible mais limitée en raison du temps de calcul qui en découle.Pour répondre à cette problématique, nous proposons un modèle hybride de canal s'inspirant d'une méthode à tracer de rayons 3D et du modèle WINNER. L'originalité de ce modèle repose sur son caractère hybride consistant, en prétraitement, à partitionner l'environnement en zones de visibilité ou de non-visibilité «faible» et «forte» sur des critères déterministes liés à la propagation des ondes. Un modèle statistique, type WINNER, reprenant le concept de cluster est ensuite "joué" au sein de chacune des ces zones reproduisant ainsi fidèlement l'évolution des paramètres caractéristiques des clusters identifiés. Nous avons validé notre modèle en le comparant d'abord à un modèle déterministe et ensuite à la mesure. Sa robustesse ainsi que celle de WINNER sont testées en les simulant dans trois environnements différents et en les comparant au modèle déterministe à tracer de rayons. / This thesis focuses on the modeling of the propagation channel in industrial environments. In this context, the propagation channel has a different behavior than typically encountered in indoor. This is due to the construction of buildings that are larger and open and the presence of machines, moving objects and metal materials encountered in these environments. Thus, the existing indoor channel models are not valid. Using deterministic models as an alternative is possible, but limited by the computing time.To address this problem, we propose a hybrid channel model for communications in industrial environments inspired by a ray tracing method and Winner model. The originality of this model is its hybrid nature consisting, in preprocessing, in partitionning the environment in areas of visibility or non-visibility «weak» and «strong» based on deterministic criteria related to the wave propagation. A statistical model, as WINNER , using the concept of cluster is then played in each of these areas and faithfully reproducing the evolution of the characteristic parameters of the identified clusters. We have validated our model by comparing it firstly to a deterministic model and then to measurement. Its robustness as well that of WINNER are tested by simulating them in three different environments and by comparing them with the deterministic model.

Les délétions et les duplications délétères (Variations de nombre de copies, CNV) sont identifiés dans environ 11% des individus référés dans des cliniques du neurodéveloppement pédiatrique. Certains CNVs récurrents ont été formellement associés avec des troubles du neurodéveloppement, mais la majorité des CNVs sont non-récurrents et donc trop rares pour être évalués par des études d’association. Dans cette optique, nous avons récemment développé une nouvelle approche pour estimer l’effet des CNVs non-documentés sur le quotient intellectuel non-verbal (QINV) et nous visons étendre cette approche pour l’appliquer sur une mesure de traits autistiques. Nous avons identifié les CNVs dans deux cohortes d’autisme du Simons Simplex Collection (SSC) et du MSSNG, dans leurs apparentés de premier-degré, dans une cohorte du neurodéveloppement et dans une population générale. Des modèles statistiques intégrant les scores des gènes inclus dans les CNVs ont été utilisés pour expliquer leur effet sur l’intelligence générale et sur la réciprocité sociale. Les délétions et les duplications diminuent le QINV et l’effet des duplications est 3 fois inférieur à celui des délétions. L’effet différentiel est aussi observé pour la réciprocité sociale avec un ratio d’altération de 2:1 pour les délétions et les duplications et cet effet est principalement expliqué par le QINV. Les estimés de notre modèle pour l’intelligence générale et la réciprocité sociale concordent bien avec des observations déjà publiés. Nos modèles entraînés sur des CNVs couvrant >4,500 gènes suggèrent que l’effet des CNVs sur la cognition et la réciprocité sociale est dû à leurs propriétés polygéniques. Ces modèles pourront aider dans l’interprétation des CNVs en clinique. / Deleterious deletions and duplications (copy number variations, CNVs) are identified in up to 11% of individuals referred to neurodevelopmental pediatric clinics. However, only few recurrent CNVs have been formally associated with neurodevelopmental disorders because the majority are too rare to perform individual association studies. We recently developed a new framework to estimate the effect size of undocumented CNVs on non-verbal intelligence quotient (NVIQ) and sought to extend this approach to another score measuring autistic traits. We identified CNVs in an autism sample from the Simons Simplex Collection (SSC) and MSSNG, in their first-degree relatives, in a neurodevelopmental cohort and in individuals from an unselected population. Statistical models integrating scores of the genes encompassed in the CNVs were used to explain their effect on general intelligence and on social responsiveness. Deletions and duplications decreased NVIQ and the effect of duplications was three-fold smaller than deletions. There was also a differential effect on social responsiveness: the ratio of the impairment conferred by deletions and duplications was 2:1 and this effect was mainly driven by NVIQ. Models estimates for general intelligence and social responsiveness were consistent with previously published observations. Our models, trained on CNVs encompassing >4,500 genes, suggest highly polygenic properties of CNVs with respect to cognition and social responsiveness. These models will help interpreting CNVs identified in the clinic.

Les réacteurs actuels produisent deux types de déchets dont la gestion et le devenir soulèvent des problèmes. Il s’agit d’abord de certains produits de fission et de noyaux lourds (isotopes de l’Américium et du Curium) au-delà de l’uranium appelés actinides mineurs. Deux options sont envisagées : le stockage en site géologique profond et/ou l’incinération de ces déchets dans un flux de neutrons rapides, c’est-à-dire, la transmutation par fission. Ces études font appel à de nombreuses données neutroniques. Malheureusement, les bases de données présentent encore de nombreuses insuffisances pour parvenir à des résultats fiables. L’objectif de ce travail est ici d’actualiser des données nucléaires et de les compléter. Nous avons ainsi mesuré la section efficace de fission de l’243Am (7370 ans) en référence à la diffusion élastique (n,p) afin de fournir des données indépendantes des mesures existantes dans la gamme des neutrons rapides (1 - 8 MeV). La réaction 243Am(n,f) a été analysée en utilisant un modèle statistique décrivant les voies de désexcitation du noyau composé d’244Am. Ainsi les sections efficaces de capture radiative (n,?) et de diffusion inélastique (n,n’) ont pu être évaluées. La mesure directe des sections efficaces neutroniques d’actinides mineurs constitue très souvent un véritable défi compte tenu de la forte activité des actinides mineurs. Pour cela, une méthode indirecte a été développée utilisant les réactions de transfert dans le but d’étudier certains isotopes du curium. Les réactions 243Am(3He,d)244Cm, 243Am(3He,t)243Cm et 243Am(3He,alpha)242Am nous ont permis de mesurer les probabilités de fission des noyaux de 243,244Cm et de l’242Am. Les sections efficaces de fission des curiums 242,243Cm(162,9 j, 28,5 ans) et de l’américium 241Am sont obtenues en multipliant ces probabilités par les sections efficaces calculées de formation des noyaux composés. Pour chaque mesure, une évaluation précise des erreurs a été réalisée à travers une étude des variances-covariances des résultats présentés. Pour les mesures de la réaction 243Am(n,f), une analyse des corrélations d’erreurs a permis d’interpréter la portée de ces mesures au sein des mesures existantes. / The existing reactors produce two kinds of nuclear waste : the fission products and heavy nuclei beyond uranium called minor actinides (Americium and Curium isotopes). Two options are considered: storage in deep geological site and/or transmutation by fast neutron induced fission. These studies involve many neutron data. Unfortunately, these data bases have still many shortcomings to achieve reliable results. The aim of these measurements is to update nuclear data and complement them. We have measured the fission cross section of 243Am (7370y) in reference to the (n,p) elastic scattering to provide new data in a range of fast neutrons (1 - 8 MeV). A statistical model has been developed to describe the reaction 243Am(n,f). Moreover, the cross sections from the following reactions have been be extracted from these calculations: inelastic scattering 243Am(n,n’) and radiative capture 243Am(n,?) cross sections. The direct measurements of neutron cross sections are often a challenge considering the short half-lives of minor actinides. To overcome this problem, a surrogate method using transfer reactions has been used to study few isotopes of curium. The reactions 243Am(3He, d)244cm, 243Am(3He, t)243cm and 243Am(3He, alpha)242Am allowed to measure the fission probabilities of 243,244Cm and 242Am. The fission cross sections of 242,243Cm(162,9d, 28,5y) and 241Am(431y) have been obtained by multiplying these fission probabilities by the calculated compound nuclear neutron cross section relative to each channel. For each measurement, an accurate assessment of the errors was realized through variance-covariance studies. For measurements of the reaction 243Am(n,f), the analysis of error correlations allowed to interpret the scope of these measures within the existing measurements.

Ce document présente la mise en place d’un système de mesure des éclairements énergétiques spectraux solaires pour tout type de temps, sur 4 plans. Les 4 spectromètres mesurent au total 900 spectres/min et produisent chacun un spectre/min moyen et son écart type. Entre 2014 et 2015, 700 000 spectres ont été enregistrés sur un domaine compris entre 400 et 1000 nm avec un pas ≤1 nm. Un échantillon de 145 000 spectres représentatifs du climat lyonnais a été sélectionné pour une analyse statistique. Pour ce faire, l’échantillon a été réduit par partitionnement à 1175 spectres. Son domaine spectral a été étendu de 280 à 1500 nm à l’aide du RTM SMARTS. Une ACP de cet échantillon extrapolé a permis d’en réduire la description à 3 composantes et ainsi de réviser le modèle des illuminants D de la CIE. Enfin, la relation entre composition spectrale et paramètres environnementaux ou colorimétriques ouvre une voie vers des modèles statistiques de génération de spectres du rayonnement solaire. / This manuscript presents the design and setup of an all-weather spectral irradiance measurement system on 4 planes. The 4 spectrometers measure a total of 900 spectra/min to produce every minute, a mean spectral irradiance and its standard deviation. Between 2014 and 2015, this system recorded 700,000 spectra, for wavelengths ranging between 400 and 1,000 nm with a step ≤1 nm. A sample of 145,000 spectra representative of the Lyon climate was selected for statistical analysis. For this purpose, the sample was reduced in size by partitioning it in 1,175 spectra. Its spectral domain was extended to 280-1,500 nm by extrapolating the spectra with curve fitting using the SMARTS2 RTM. A PCA of the extrapolated sample reduced its description to only 3 components; hence, allowing a revision of the CIE’s illuminant D series. Finally, the relation between spectral power distribution and environmental or colorimetric parameters opens a way towards statistical models for generating solar spectra.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de caractériser des signaux aléatoires, rencontrés dans le domaine aérien et sous-marin, en s’appuyant sur une approche statistique. En traitement du signal, l'analyse statistique a longtemps été fondée sous l'hypothèse de Gaussianité des données. Cependant, ce modèle n'est plus valide dès lors que la densité de probabilité des données se caractérise par des phénomènes de queues lourdes et d'asymétrie. Une famille de lois est particulièrement adaptée pour représenter de tels phénomènes : les distributions α-stables. Dans un premier temps, les distributions α-stables ont été présentées et utilisées pour estimer des données synthétiques et réelles, issues d'un sondeur monofaisceau, dans une stratégie de classification de fonds marins. La classification est réalisée à partir de la théorie des fonctions de croyance, permettant ainsi de prendre en compte l'imprécision et l'incertitude liées aux données et à l'estimation de celles-ci. Les résultats obtenus ont été comparés à un classifieur Bayésien. Dans un second temps, dans le contexte de la surveillance maritime, une approche statistique à partir des distributions α-stables a été réalisée afin de caractériser les échos indésirables réfléchis par la surface maritime, appelés aussi fouillis de mer, où la surface est observée en configuration bistatique. La surface maritime a d'abord été générée à partir du spectre d'Elfouhaily puis la Surface Équivalente Radar (SER) de celle-ci a été déterminée à partir de l'Optique Physique (OP). Les distributions de Weibull et ont été utilisées et comparées au modèle α-stable. La validité de chaque modèle a été étudiée à partir d'un test de Kolmogorov-Smirnov. / The purpose of this thesis is to characterize random signals, observed in air and underwater context, by using a statistical approach. In signal processing, the hypothesis of Gaussian model is often used for a statistical study. However, the Gaussian model is not valid when the probability density function of data are characterized by heavy-tailed and skewness phenomena. A family of laws can fit these phenomena: the α-stable distributions. Firstly, the α-stable distribution have been used to estimate generated and real data, extracted from a mono-beam echo-sounder, for seabed sediments classification. The classification is made by using the theory of belief functions, which can take into account the imprecision and uncertainty of data and theirs estimations. The results have been compared to a Bayesian approach. Secondly, in a context a marine surveillance, a statistical study from the α-stable distribution has been made to characterize undesirable echo reflected by a sea surface, called sea clutter, where the sea surface is considered in a bistatic configuration. The sea surface has been firstly generated by the Elfouhaily sea spectrum and the Radar Cross Section (RCS) of the sea surface has been computed by the Physical Optics (PO). The Weibull and distributions have been used and the results compared to the α-stable model. The validity of each model has been evaluated by a Kolmogorov-Smirnov test.

Les sections efficaces neutroniques des noyaux de courte durée de vie sont des données cruciales pour la physique fondamentale et appliquée dans des domaines tels que la physique des réacteurs ou l’astrophysique nucléaire. En général, l’extrême radioactivité de ces noyaux ne nous permet pas de procéder à des mesures induites par neutrons. Cependant, il existe une méthode de substitution (« surrogate » dans la littérature) qui permet de déterminer ces sections efficaces neutroniques par l’intermédiaire de réactions de transfert ou de réactions de diffusion inélastique. Son intérêt principal est de pouvoir utiliser des cibles moins radioactives et ainsi d’accéder à des sections efficaces neutroniques qui ne pourraient pas être mesurées directement. La méthode est basée sur l’hypothèse de formation d’un noyau composé et sur le fait que la désexcitation ne dépend essentiellement que de l’énergie d’excitation et du spin et parité de l'état composé peuplé. Toutefois, les distributions de moments angulaires et parités peuplés dans des réactions de transfert et celles induites par neutrons sont susceptibles d’être différentes. Ce travail fait l’état de l’art sur la méthode substitution et sa validité. En général, la méthode de substitution fonctionne très bien pour extraire des sections efficaces de fission. Par contre, la méthode de substitution dédiée à la capture radiative est mise à mal par la comparaison aux réactions induites par neutrons. Nous avons réalisé une expérience afin de déterminer les probabilités de désexcitation gamma du 176Lu et du 173Yb à partir des réactions de substitution 174Yb(3He,p)176Lu* et 174Yb(3He,alpha)173Yb*, respectivement, et nous les avons comparées avec les probabilités de capture radiative correspondantes aux réactions 175Lu(n,gamma) et 172Yb(n,gamma) qui sont bien connues. Cette expérience a permis de comprendre pourquoi, dans le cas de la désexcitation gamma, la méthode de substitution donne des écarts importants par rapport à la réaction neutronique correspondante. Ce travail dans la région de terres rares a permis d'évaluer dans quelle mesure la méthode de substitution peut s’appliquer pour extraire des probabilités de capture dans la région des actinides. Des expériences précédentes sur la fission ont aussi pu être réinterprétées. Ce travail apporte donc un éclairage nouveau sur la méthode de substitution. / Neutron-induced cross sections of short-lived nuclei are needed for fundamental and applied physics as nuclear energy or astrophysics. However, very often the high radioactivity of the samples makes the direct measurement of these cross sections extremely difficult. The surrogate reaction method is an indirect way of determining neutron-induced cross sections through transfer or inelastic scattering reactions. This method presents the advantage that in some cases the target material is stable or less radioactive than the material required for a neutron-induced measurement. The method is based on the hypothesis that the excited nucleus is a compound nucleus whose decay depends essentially on its excitation energy and on the spin and parity state of the populated compound state. Nevertheless, the spin and parity population differences between the compound-nuclei produced in the neutron and transfer-induced reactions may be different. This work reviews the surrogate method and its validity. Neutron-induced fission cross sections obtained with the surrogate method are in general good agreement. However, it is not yet clear to what extent the surrogate method can be applied to infer radiative capture cross sections. We performed an experiment to determine the gamma-decay probabilities for 176Lu and 173Yb by using the surrogate reactions 174Yb(3He,p)176Lu* and 174Yb(3He,alpha)173Yb*, respectively, and compare them with the well-known corresponding probabilities obtained in the 175Lu(n,gamma) and 172Yb(n,gamma) reactions. This experiment provides answers to understand why, in the case of gamma-decay, the surrogate method gives significant deviations compared to the corresponding neutron-induced reaction. In this work, we have also assessed whether the surrogate method can be applied to extract capture probabilities in the actinide region. Previous experiments on fission have also been reinterpreted. Thus, this work provides new insights into the surrogate method.