L'imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d'acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d'optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d'imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité.

Ce travail de thèse porte sur l'imagerie multispectrale à haut contraste pour la détection et la caractérisation directe d'exoplanètes. Dans ce contexte, le développement de méthodes innovantes de traitement d'images est indispensable afin d'éliminer les tavelures quasi-statiques dans l'image finale qui restent à ce jour, la principale limitation pour le haut contraste. Bien que les aberrations résiduelles instrumentales soient à l'origine de ces tavelures, aucune méthode de réduction de données n'utilise de modèle de formation d'image coronographique qui prend ces aberrations comme paramètres. L'approche adoptée dans cette thèse comprend le développement, dans un cadre bayésien, d'une méthode d'inversion fondée sur un modèle analytique d'imagerie coronographique. Cette méthode estime conjointement les aberrations instrumentales et l'objet d'intérêt, à savoir les exoplanètes, afin de séparer correctement ces deux contributions. L'étape d'estimation des aberrations à partir des images plan focal (ou phase retrieval en anglais), est la plus difficile car le modèle de réponse instrumentale sur l'axe dont elle dépend est fortement non-linéaire. Le développement et l'étude d'un modèle approché d'imagerie coronographique plus simple se sont donc révélés très utiles pour la compréhension du problème et m'ont inspiré des stratégies de minimisation. J'ai finalement pu tester ma méthode et d'estimer ses performances en terme de robustesse et de détection d'exoplanètes. Pour cela, je l'ai appliquée sur des images simulées et j'ai notamment étudié l'effet des différents paramètres du modèle d'imagerie utilisé. J'ai ainsi démontré que cette nouvelle méthode, associée à un schéma d'optimisation fondé sur une bonne connaissance du problème, peut fonctionner de manière relativement robuste, en dépit des difficultés de l'étape de phase retrieval. En particulier, elle permet de détecter des exoplanètes dans le cas d'images simulées avec un niveau de détection conforme à l'objectif de l'instrument SPHERE. Ce travail débouche sur de nombreuses perspectives dont celle de démontrer l'utilité de cette méthode sur des images simulées avec des coronographes plus réalistes et sur des images réelles de l'instrument SPHERE. De plus, l'extension de la méthode pour la caractérisation des exoplanètes est relativement aisée, tout comme son extension à l'étude d'objets plus étendus tels que les disques circumstellaire. Enfin, les résultats de ces études apporteront des enseignements importants pour le développement des futurs instruments. En particulier, les Extremely Large Telescopes soulèvent d'ores et déjà des défis techniques pour la nouvelle génération d'imageurs de planètes. Ces challenges pourront très probablement être relevés en partie grâce à des méthodes de traitement d'image fondées sur un modèle direct d'imagerie.

La possibilité de déterminer précisément et de quantifier la composition des milieux biologiques est un défi pour l'imagerie médicale qui permettrait de diagnostiquer certaines maladies ou de mieux étudier les processus physiologiques. La tomographie optique diffuse (DOT) est une technique d'imagerie attrayante qui permet de façon non invasive, non-ionisante et potentiellement avec une grande spécificité de sonder les milieux en profondeur en utilisant la lumière dans le proche infrarouge et de reconstruire en trois dimensions leur composition. Pour obtenir les caractéristiques des chromophores endogènes (oxy- et désoxy-hémoglobine) enfouis dans un milieu très diffusant, une instrumentation optique dans le domaine temporel et multi-longueurs d'onde combinée à un algorithme de reconstruction en trois dimensions a été développée. Des mesures expérimentales ont été menées en géométrie de réflectance en éclairant avec un laser picoseconde un milieu perturbé (contenant une hétérogénéité) et en récupérant, pour plusieurs longueurs d'onde et multi-positions, la lumière rétrodiffusée via deux fibres optiques connectées à deux détecteurs dédiés et couplés à un système de comptage de photon unique. Le traitement des données de ces mesures résolues en temps a été réalisé en supposant que la propagation de la lumière est gouvernée par l'approximation de la diffusion et en utilisant une méthode basée sur la transformée de Mellin-Laplace. Des simulations et des expériences sur une gamme de milieux imitant les milieux biologiques ont démontré que cette technique médicale a le potentiel pour donner des images médicales quantitatives. Nous avons montré que l'on peut déterminer correctement la composition d'objets à 10 mm de profondeur absorbant faiblement. Pour de plus fortes profondeurs et des absorptions plus élevées, la valeur du coefficient d'absorption ou de la concentration est sous-estimée. En outre, l'imagerie multimodale apporte des améliorations dans la précision de la quantification en profondeur et donc peut être une bonne opportunité pour les futures applications cliniques de la DOT. / In medical imaging, the ability to accurately retrieve and quantify the composition of turbid media is challenging and would enable to diagnose some diseases or to better study physiological processes. Diffuse optical tomography (DOT) is an attractive medical imaging technique which permits to probe in depth using near-infrared light and to reconstruct in three dimensions the composition of biological tissues non-invasively, non-ionizing and with potentially high specificity. To obtain endogenous chromophore (oxy- and desoxy-hemoglobin) features in the depth of a highly scattering medium, a multiwavelength time domain optical setup combined to a three-dimensional reconstruction algorithm was developed. Experimental measurements were conducted in reflectance geometry by illuminating a perturbed medium (with a heterogeneity) with a picosecond laser and by collecting, for several wavelengths and multi-positions, the backscattered light via two fibers connected to two dedicated detectors and coupled to a time-correlated single photon counting system. The data processing of these time-resolved measurements and those of a known reference medium was performed by supposing that the propagation of light is governed by the diffusion approximation and using a method based on Mellin-Laplace transform. Numerical and phantom experiments on series of objects similar to biological media demonstrate that this technique has the potential to give quantitative medical images. We have highlighted a correct quantification for the less absorbing objects at 10 mm depth while underestimation results at deeper depths and higher absorptions. Furthermore, the multimodal imaging brings improvements in quantification in depth and thus it can be a good opportunity to DOT for its future clinical applications.

Ce travail de thèse porte sur l'imagerie multispectrale à haut contraste pour la détection et la caractérisation directe d'exoplanètes. Dans ce contexte, le développement de méthodes innovantes de traitement d'images est indispensable afin d'éliminer les tavelures quasi-statiques dans l'image finale qui restent à ce jour, la principale limitation pour le haut contraste. Bien que les aberrations résiduelles instrumentales soient à l'origine de ces tavelures, aucune méthode de réduction de données n'utilise de modèle de formation d'image coronographique qui prend ces aberrations comme paramètres. L'approche adoptée dans cette thèse comprend le développement, dans un cadre bayésien, d'une méthode d'inversion fondée sur un modèle analytique d'imagerie coronographique. Cette méthode estime conjointement les aberrations instrumentales et l'objet d'intérêt, à savoir les exoplanètes, afin de séparer correctement ces deux contributions. L'étape d'estimation des aberrations à partir des images plan focal (ou phase retrieval en anglais), est la plus difficile car le modèle de réponse instrumentale sur l'axe dont elle dépend est fortement non-linéaire. Le développement et l'étude d'un modèle approché d'imagerie coronographique plus simple se sont donc révélés très utiles pour la compréhension du problème et m'ont inspiré des stratégies de minimisation. J'ai finalement pu tester ma méthode et d'estimer ses performances en terme de robustesse et de détection d'exoplanètes. Pour cela, je l'ai appliquée sur des images simulées et j'ai notamment étudié l'effet des différents paramètres du modèle d'imagerie utilisé. J'ai ainsi démontré que cette nouvelle méthode, associée à un schéma d'optimisation fondé sur une bonne connaissance du problème, peut fonctionner de manière relativement robuste, en dépit des difficultés de l'étape de phase retrieval. En particulier, elle permet de détecter des exoplanètes dans le cas d'images simulées avec un niveau de détection conforme à l'objectif de l'instrument SPHERE. Ce travail débouche sur de nombreuses perspectives dont celle de démontrer l'utilité de cette méthode sur des images simulées avec des coronographes plus réalistes et sur des images réelles de l'instrument SPHERE. De plus, l'extension de la méthode pour la caractérisation des exoplanètes est relativement aisée, tout comme son extension à l'étude d'objets plus étendus tels que les disques circumstellaire. Enfin, les résultats de ces études apporteront des enseignements importants pour le développement des futurs instruments. En particulier, les Extremely Large Telescopes soulèvent d'ores et déjà des défis techniques pour la nouvelle génération d'imageurs de planètes. Ces challenges pourront très probablement être relevés en partie grâce à des méthodes de traitement d'image fondées sur un modèle direct d'imagerie. / This research focuses on high contrast multispectral imaging in the view of directly detecting and characterizing Exoplanets. In this framework, the development of innovative image post-processing methods is essential in order to eliminate the quasi-static speckles in the final image, which remain the main limitation for high contrast. Even though the residual instrumental aberrations are responsible for these speckles, no post-processing method currently uses a model of coronagraphic imaging, which takes these aberrations as parameters. The research approach adopted includes the development of a method, in a Bayesian Framework, based on an analytical coronagraphic imaging model and an inversion algorithm, to estimate jointly the instrumental aberrations and the object of interest, i.e. the exoplanets, in order to separate properly these two contributions. The instrumental aberration estimation directly from focal plane images, also named phase retrieval, is the most difficult step because the model of on-axis instrumental response, of which these aberrations depend on, is highly non-linear. The development and the study of an approximate model of coronagraphic imaging thus proved very useful to understand the problem at hand and inspired me some minimization strategies. I finally tested my method and estimated its performances in terms of robustness and exoplanets detection. For this, I applied it to simulated images and I studied the effect of the different parameters of the imaging model I used. The findings from this research provide evidence that this method, in association with an optimization scheme based on a good knowledge of the problem at hand, can operate in a relatively robust way, despite the difficulties of the phase retrieval step. In particular, it allows the detection of exoplanets in the case of simulated images with a detection level compliant with the goal of the SPHERE instrument. The next steps will be to verify the efficiency of this new method on simulated images using more realistic coronagraphs and on real images from the SPHERE instrument. In addition, the extension of the method for the characterization of exoplanets is relatively easy, as its extension to the study of larger objects such as circumstellar disks. Finally, the results of this work will also bring some crucial insights for the development of future instruments. In particular, the Extremely Large Telescopes have already risen some technical challenges for the next generation of planet finders, which may partly be addressed by an image processing method based on an imaging model.

Cette thèse aborde le potentiel de la télédétection en tant qu'outil pour la détection automatique de la Flavescence dorée (FD) de la vigne. L'approche repose sur l'analyse des variables (bandes spectrales, indices de végétation et paramètres biophysiques) calculables à partir des images multispectrales à très haute résolution (10 cm) acquises par drone pendant la période d'expression maximal des symptômes. L'analyse de la performance de discrimination des variables est réalisée à partir d'une méthode supervisée basée sur la courbe ROC. Les zones d'entrainement et de validation utilisées dans cette étude ont été acquises sur 14 parcelles situés dans le sud de la France. La performance des variables a été testée sur trois échelles d'analyse (par parcelle, par cépage et par couleur) et pour deux niveaux d'analyse. Le premier niveau d'analyse repose sur le potentiel des variables utilisées dans la détection des zones symptomatiques de la Flavescence dorée des zones asymptomatiques. Le deuxième niveau d'analyse consiste à tester la performance des variables dans la discrimination spécifique la Flavescence dorée (cépages noirs) en faisant une distinction avec les maladies du bois. À l'issue de ces expériences, dans un point de vue méthodologique les résultats ont permis de mettre en évidence (1) une plus faible performance de discrimination pour la discrimination des zones symptomatiques de FD des zones symptomatiques des maladies du bois plus particulièrement à l'échelle par couleur ; (2) la présence des pixels mixtes mal classés plus particulièrement dans les bords des rangs de vigne et (3) une faible discrimination des zones symptomatiques (FD ou MB) avec une proportion du feuillage symptomatique faible (niveau d'infection). Dans un point de vue thématique les résultats obtenus ont mis en évidence les différences dans l'intensité de la coloration anormale des feuilles atteintes de Flavescence dorée en fonction de l'année et leur lien avec la teneur en chlorophylles et anthocyanes des feuilles. Les perspectives ouvertes par ces travaux concernent la création d'un indice spécifique à la Flavescence dorée en fonction de la couleur du cépage (noir ou blanc) ou l'intensité dans la coloration des feuilles (faible ou forte) identifiés à partir des données hyperspectrales et l'amélioration du masquage des pixels mixtes à partir des algorithmes complexes qui prennent en compte la répartition spatiale des pixels dans le feuillage de vigne. / This work investigates the potential of remote sensing as a tool for the automatic detection of Flavescence dorée (FD) grapevine disease. The approach is based on the analysis of variables (spectral bands, vegetation indices, and biophysical parameters) computed from high resolution (10 cm) multispectral images and acquired by Unmanned Aerial Vehicle (UAV) during the period of maximum expression of symptom. The analysis of the variables discrimination performance is evaluated by a supervised method based on the Receiver Operating Characteristic curve (ROC curve). The training and validation areas used in this study were acquired from 14 vineyards located in southern France. The performance of the variables was tested on three different scales of analysis (one by plot, by cultivar and by berry color). Two levels of analysis have been implemented. The first level involves the potential of variables to discriminate Flavescence dorée symptomatic vines areas from asymptomatic ones. The second level of analysis is related to test the performance of the variables for the specific discrimination of Flavescence dorée vines (for the red cultivars) and the discrimination from Grapevine Trunk Diseases (GTD). The results obtained showed (1) a lower discrimination performance for discrimination of FD symptomatic vines areas from GTD symptomatic ones, more pronounced on the color level; (2) the presence of misclassified mixed pixels especially in the edges of the rows of vines and (3) a low discrimination of symptomatic vines areas (FD or MB) with a low proportion of symptomatic foliage (level of infection). From a thematic point of view, the results obtained showed the differences in the intensity of leaf discoloration affected by Flavescence dorée by year and their link with the chlorophylls and anthocyanins content of the leaves. Future prospects for this work concern the creation of a specific Flavescence dorée index depending on the color of the cultivars (red or white) and the intensity of leaf discoloration (attenuated or marked), identified from the hyperspectral data and improving the masking of mixed pixels from complex algorithms that consider the spatial distribution of pixels in the vine foliage.

La texture est un élément clé pour l’interprétation des images de télédétection à fine résolution spatiale. L’intégration de l’information texturale dans un processus de classification automatisée des images se fait habituellement via des images de texture, souvent créées par le calcul de matrices de co-occurrences (MCO) des niveaux de gris. Une MCO est un histogramme des fréquences d’occurrence des paires de valeurs de pixels présentes dans les fenêtres locales, associées à tous les pixels de l’image utilisée; une paire de pixels étant définie selon un pas et une orientation donnés. Les MCO permettent le calcul de plus d’une dizaine de paramètres décrivant, de diverses manières, la distribution des fréquences, créant ainsi autant d’images texturales distinctes. L’approche de mesure des textures par MCO a été appliquée principalement sur des images de télédétection monochromes (ex. images panchromatiques, images radar monofréquence et monopolarisation). En imagerie multispectrale, une unique bande spectrale, parmi celles disponibles, est habituellement choisie pour générer des images de texture. La question que nous avons posée dans cette recherche concerne justement cette utilisation restreinte de l’information texturale dans le cas des images multispectrales. En fait, l’effet visuel d’une texture est créé, non seulement par l’agencement particulier d’objets/pixels de brillance différente, mais aussi de couleur différente. Plusieurs façons sont proposées dans la littérature pour introduire cette idée de la texture à plusieurs dimensions. Parmi celles-ci, deux en particulier nous ont intéressés dans cette recherche. La première façon fait appel aux MCO calculées bande par bande spectrale et la seconde utilise les MCO généralisées impliquant deux bandes spectrales à la fois. Dans ce dernier cas, le procédé consiste en le calcul des fréquences d’occurrence des paires de valeurs dans deux bandes spectrales différentes. Cela permet, en un seul traitement, la prise en compte dans une large mesure de la « couleur » des éléments de texture. Ces deux approches font partie des techniques dites intégratives. Pour les distinguer, nous les avons appelées dans cet ouvrage respectivement « textures grises » et « textures couleurs ». Notre recherche se présente donc comme une analyse comparative des possibilités offertes par l’application de ces deux types de signatures texturales dans le cas spécifique d’une cartographie automatisée des occupations de sol à partir d’une image multispectrale. Une signature texturale d’un objet ou d’une classe d’objets, par analogie aux signatures spectrales, est constituée d’une série de paramètres de texture mesurés sur une bande spectrale à la fois (textures grises) ou une paire de bandes spectrales à la fois (textures couleurs). Cette recherche visait non seulement à comparer les deux approches intégratives, mais aussi à identifier la composition des signatures texturales des classes d’occupation du sol favorisant leur différentiation : type de paramètres de texture / taille de la fenêtre de calcul / bandes spectrales ou combinaisons de bandes spectrales. Pour ce faire, nous avons choisi un site à l’intérieur du territoire de la Communauté Métropolitaine de Montréal (Longueuil) composé d’une mosaïque d’occupations du sol, caractéristique d’une zone semi urbaine (résidentiel, industriel/commercial, boisés, agriculture, plans d’eau…). Une image du satellite SPOT-5 (4 bandes spectrales) de 10 m de résolution spatiale a été utilisée dans cette recherche. Puisqu’une infinité d’images de texture peuvent être créées en faisant varier les paramètres de calcul des MCO et afin de mieux circonscrire notre problème nous avons décidé, en tenant compte des études publiées dans ce domaine : a) de faire varier la fenêtre de calcul de 3*3 pixels à 21*21 pixels tout en fixant le pas et l’orientation pour former les paires de pixels à (1,1), c'est-à-dire à un pas d’un pixel et une orientation de 135°; b) de limiter les analyses des MCO à huit paramètres de texture (contraste, corrélation, écart-type, énergie, entropie, homogénéité, moyenne, probabilité maximale), qui sont tous calculables par la méthode rapide de Unser, une approximation des matrices de co-occurrences, c) de former les deux signatures texturales par le même nombre d’éléments choisis d’après une analyse de la séparabilité (distance de Bhattacharya) des classes d’occupation du sol; et d) d’analyser les résultats de classification (matrices de confusion, exactitudes, coefficients Kappa) par maximum de vraisemblance pour conclure sur le potentiel des deux approches intégratives; les classes d’occupation du sol à reconnaître étaient : résidentielle basse et haute densité, commerciale/industrielle, agricole, boisés, surfaces gazonnées (incluant les golfs) et plans d’eau. Nos principales conclusions sont les suivantes a) à l’exception de la probabilité maximale, tous les autres paramètres de texture sont utiles dans la formation des signatures texturales; moyenne et écart type sont les plus utiles dans la formation des textures grises tandis que contraste et corrélation, dans le cas des textures couleurs, b) l’exactitude globale de la classification atteint un score acceptable (85%) seulement dans le cas des signatures texturales couleurs; c’est une amélioration importante par rapport aux classifications basées uniquement sur les signatures spectrales des classes d’occupation du sol dont le score est souvent situé aux alentours de 75%; ce score est atteint avec des fenêtres de calcul aux alentours de11*11 à 15*15 pixels; c) Les signatures texturales couleurs offrant des scores supérieurs à ceux obtenus avec les signatures grises de 5% à 10%; et ce avec des petites fenêtres de calcul (5*5, 7*7 et occasionnellement 9*9) d) Pour plusieurs classes d’occupation du sol prises individuellement, l’exactitude dépasse les 90% pour les deux types de signatures texturales; e) une seule classe est mieux séparable du reste par les textures grises, celle de l’agricole; f) les classes créant beaucoup de confusions, ce qui explique en grande partie le score global de la classification de 85%, sont les deux classes du résidentiel (haute et basse densité). En conclusion, nous pouvons dire que l’approche intégrative par textures couleurs d’une image multispectrale de 10 m de résolution spatiale offre un plus grand potentiel pour la cartographie des occupations du sol que l’approche intégrative par textures grises. Pour plusieurs classes d’occupations du sol un gain appréciable en temps de calcul des paramètres de texture peut être obtenu par l’utilisation des petites fenêtres de traitement. Des améliorations importantes sont escomptées pour atteindre des exactitudes de classification de 90% et plus par l’utilisation des fenêtres de calcul de taille variable adaptées à chaque type d’occupation du sol. Une méthode de classification hiérarchique pourrait être alors utilisée afin de séparer les classes recherchées une à la fois par rapport au reste au lieu d’une classification globale où l’intégration des paramètres calculés avec des fenêtres de taille variable conduirait inévitablement à des confusions entre classes. / Texture is a key element in interpreting remotely sensed images of fine spatial resolution. The integration of textural information in an automatic image-classification process is usually done via textural images, which are often created by calculating gray levels co-occurrences matrices (COM). A COM is a histogram of frequencies of pairs of pixel values present in local windows associated with all pixels in the used image; each pixel pair being formed using a given orientation and spacing. COM allows calculation for more than a dozen of parameters describing in various ways the frequency distribution, creating thus as many different textural images. Texture measurements approach based on COMs had been mainly applied on monochrome images (e.g. panchromatic, single polarisation and frequency radar images). In the case of multispectral images, a single spectral band, among those available, is usually chosen to generate texture images. The question we asked in this research concerns precisely this limited use of textural information in the case of multispectral images. In fact, the visual effect of a texture is created, not only by the spatial arrangement of variable objects/pixels brightness, but also of different colors. Several ways are suggested in the literature to introduce this concept of multi-dimensional texture. In this research, two of them were of particularly interested us. In the first way COMs are calculated spectral band by band and in the second one, generalized COMs are applied involving the joint use of two spectral bands. In the latter case, the pairs of pixel values are defined in two different spectral bands. This allows, in a single treatment, for a broad accounting of the "color" element composing a texture. These two approaches are called integrative techniques. To distinguish them, we call them respectively “gray textures” and “color textures”. Our research concerns the comparative analysis of the opportunities offered by applying these two types of textural signatures in the specific case of an automated land cover mapping using multispectral images. A textural signature of an object or class of objects, by analogy to spectral signatures, consists in a set of texture parameters measured; band by band (grey textures), or by pairs of bands (color textures).This research was designed not only to compare the two integrative approaches, but also to identify the components of textural signatures favouring the differentiation of land cover classes: texture parameters, window sizes and bands selection. To do this, a site within the territory of the Montreal Metropolitan Community (Longueuil) was chosen with a diversity of land covers representative of a semi-urban area. (residential, industrial / commercial, woodlots , agriculture, water bodies…). A SPOT-5 (4 spectral bands) image of 10m spatial resolution was used in this research. Since an infinite number of texture images can be created by varying the design parameters of COM, and to better define our problem, we have decided, taking into account studies published in this field: a) to vary the computation window from 3*3 to 21*21 pixels while setting the pixel spacing and direction to (1,1); that is to say, an spacing of 1 and an orientation of 135 ° between pairs of pixels. b) limit the COM analysis to eight texture parameters (contrast, correlation, standard deviation, energy, entropy, homogeneity, average, maximum probability), all of which are computable by the Unser’s fast-COM-approximation method, c) form the two textural signatures by the same number of elements chosen from a separability analysis (Bhattacharya distance) between land cover classes, and d) analyse the results (confusion matrices, accuracies, kappa) obtained using a maximum likelihood classification algorithm to conclude on the potential of both integrative approaches; classes to be recognized included: low and high density residential, commercial / industrial, agricultural, woodlots, turf (including golf) water bodies, clouds and their shadows. Our main conclusions are as follows a) except maximum probability, all other textural parameters are useful in the formation of textural signatures; mean and standard deviation are most useful in the formation of gray textures while contrast and correlation, are the best in the case of color textures b) the overall classification accuracy achieved an acceptable score (85%), only in the case of color textural signatures. This is a significant improvement compared to classifications based solely on spectral signatures, whose accuracies are often situated around 75%. This score is reached with windows size from about 11*11 to 15 * 15 pixels, c) Textural colors signatures offer higher scores, ranging from 5% to 10%, than those obtained by gray signatures. This is true while using the smaller process windows (5*5, 7*7, and occasionally 9*9) d) For several land cover classes examined individually, the accuracy is above 90% regardless of the used textural signatures e) Only one class is better separated from the rest by gray textures, the agricultural one; f) Classes creating a lot of confusion, which largely explains the overall classification score of 85 %, are the two residential classes (high and low density). As a final conclusion, we can say that the integrative approach by color textures provides a greater potential for mapping land covers using multispectral images than the integrative approach by gray textures. For several land cover classes an appreciable gain computing time of textural parameters may be obtained using smaller size windows. Significant improvements of the classification results (even better than 90%) are expected using calculation windows with sizes better adapted to each classes particular texture characteristics, A hierarchical classification method could then be used to separate each class at a time from all others, instead of a broad classification where the integration of parameters calculated with varying size windows, would inevitably lead to confusion between classes.

Cette thèse s'intéresse au recalage de données issues de capteurs 3D et multispectraux pour l'étude du patrimoine.Lorsque l'on étudie ce type d'objet, il y a souvent peu de points saillants naturels entre ces jeux de données complémentaires. Par ailleurs, l'utilisation de mires optiques est proscrite.Notre problème est donc de recaler des données multimodales sans points caractéristiques.Nous avons développé une méthode de recalage basé sur le suivi des systèmes d'acquisition en utilisant des techniques issues de la photogrammétrie.Des simulations nous ont permis d'évaluer la précision de la méthode dans trois configurations qui représentent des cas typiques dans l'étude d'objets du patrimoine.Ces simulations ont montré que l'on peut atteindre une précision du suivi de 0.020 mm spatialement et 0.100 mrad angulairement en utilisant quatre caméras 5 Mpx lorsque l'on numérise une zone de 400 mm x 700 mm.La précision finale du recalage repose sur le succès d'une série de calibrations optiques et géométriques, ainsi que sur leur stabilité pour la durée du processus d'acquisition.Plusieurs tests ont permis d'évaluer la précision du suivi et du recalage de plusieurs jeux de données indépendants; d'abord seulement 3D, puis 3D et multispecrales.Enfin, nous avons étendu notre méthode d'estimation de la réflectance à partir des données multispectrales lorsque celles-ci sont recalées sur un modèle 3D. / The concern and interest of this PhD thesis is the registration of featureless 3D and multispectral datasets describing cultural heritage objects.In this context, there are few natural salient features between the complementary datasets, and the use of targets is generally proscribed.We thus develop a technique based on the photogrammetric tracking of the acquisition systems in use.A series of simulations was performed to evaluate the accuracy of our method in three configurations chosen to represent a variety of cultural heritage objects.These simulations show that we can achieve a spatial tracking accuracy of 0.020 mm and an angular accuracy of 0.100 mrad using four 5 Mpx cameras when digitizing an area of 400 mm x 700 mm. The accuracy of the final registration relies on the success of a series of optical and geometrical calibrations and their stability for the duration of the full acquisition process.The accuracy of the tracking and registration was extensively tested in laboratory settings. We first evaluated the potential for multiview 3D registration. Then, the method was used for to project of multispectral images on 3D models.Finally, we used the registered data to improve the reflectance estimation from the multispectral datasets

La représentation d'image est au cœur de beaucoup d'algorithmes de vision par ordinateur. Elle intervient notamment dans des tâches de reconnaissance de catégories visuelles comme la classification ou la détection d'objets. Dans ce contexte, la représentation "sac de mot visuel" (Bag of Visual Words ou BoVW en anglais) est l'une des méthodes de référence. Dans cette thèse, nous nous appuyons sur ce modèle pour proposer des représentations d'images discriminantes. Dans la première partie, nous présentons une nouvelle approche simple et efficace pour prendre en compte des informations spatiales dans le modèle BoVW. Son principe est de considérer l'orientation et la longueur de segments formés par des paires de descripteurs similaires. Une notion de "softsimilarité" est introduite pour définir ces relations intra et inter mots visuels. Nous montrons expérimentalement que notre méthode ajoute une information discriminante importante au modèle BoVW et que cette information est complémentaire aux méthodes de l'état de l'art. Ensuite, nous nous focalisons sur la description de l'information couleur. Contrairement aux approches traditionnelles qui s'appuient sur des descriptions invariantes aux changements d'éclairage, nous proposons un descripteur basé sur le pouvoir discriminant. Nos expérimentations permettent de conclure que ce descripteur apprend automatiquement un certain degré d'invariance photométrique tout en surclassant les descripteurs basés sur cette invariance photométrique. De plus, combiné avec un descripteur de forme, le descripteur proposé donne des résultats excellents sur quatre jeux de données particulièrement difficiles. Enfin, nous nous intéressons à la représentation de la couleur à partir de la réflectance multispectrale des surfaces observées, information difficile à extraire sans instruments sophistiqués. Ainsi, nous proposons d'utiliser l'écran et la caméra d'un appareil portable pour capturer des images éclairées par les couleurs primaires de l'écran. Trois éclairages et trois réponses de caméra produisent neuf valeurs pour estimer la réflectance. Les résultats montrent que la précision de la reconstruction spectrale est meilleure que celle estimée avec un seul éclairage. Nous concluons que ce type d'acquisition est possible avec des appareils grand public tels que les tablettes, téléphones ou ordinateurs portables / Image representation is in the heart of many computer vision algorithms. Different computer vision tasks (e.g. classification, detection) require discriminative image representations to recognize visual categories. In a nutshell, the bag-of-visual-words image representation is the most successful approach for object and scene recognition. In this thesis, we mainly revolve around this model and search for discriminative image representations. In the first part, we present a novel approach to incorporate spatial information in the BoVW method. In this framework, we present a simple and efficient way to infuse spatial information by taking advantage of the orientation and length of the segments formed by pairs of similar descriptors. We introduce the notion of soft-similarity to compute intra and inter visual word spatial relationships. We show experimentally that, our method adds important discriminative information to the BoVW method and complementary to the state-of-the-art method. Next, we focus on color description in general. Differing from traditional approaches of invariant description to account for photometric changes, we propose discriminative color descriptor. We demonstrate that such a color description automatically learns a certain degree of photometric invariance. Experiments show that the proposed descriptor outperforms existing photometric invariants. Furthermore, we show that combined with shape descriptor, the proposed color descriptor obtain excellent results on four challenging data sets.Finally, we focus on the most accurate color representation i.e. multispectral reflectance which is an intrinsic property of a surface. Even with the modern era technological advancement, it is difficult to extract reflectance information without sophisticated instruments. To this end, we propose to use the display of the device as an illuminant while the camera captures images illuminated by the red, green and blue primaries of the display. Three illuminants and three response functions of the camera lead to nine response values which are used for reflectance estimation. Results show that the accuracy of the spectral reconstruction improves significantly over the spectral reconstruction based on a single illuminant. We conclude that, multispectral data acquisition is potentially possible with consumer hand-held devices such as tablets, mobiles, and laptops

L’imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d’acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d’optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d’imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité. / Hyperspectral imaging, which consists in acquiring the image of a scene in a large number of spectral bands, can be used to detect targets that are not visible using conventional color imaging. Hyperspectral imagers based on sequential acquisition are unsuitable for real-time detection applications. In this thesis, we propose to use a snapshot multispectral imager able to acquire simultaneously a small number of spectral bands on a single image sensor. As the sensor offers a limited number of pixels, it is necessary to achieve a trade-off by carefully choosing the number and the spectral profiles of the imager’s filters in order to optimize the detection performance. For this purpose, we developed a band selection method that can be used to design multispectral imagers based on arrays of fixed or tunable filters. We use real hyperspectral images to show that the selection of spectral bands can lead to multispectral imagers able to compete against hyperspectral imagers for target detection and anomaly detection applications while allowing snapshot acquisition and real-time detection. We jointly develop an adaptive snapshot multispectral imager based on an array of 4 electronically tunable Fabry-Perot filters. The filters are developed in MOEMS technology (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) in partnership with the Institut d'Electronique Fondamentale. We present the optical design of the device and a study of tolerancing which has validated its feasibility.

L’imagerie multispectrale permet d’améliorer la détection et la reconnaissance de cibles dans les applications de surveillance. Elle consiste à analyser des images de la même scène acquises simultanément dans plusieurs bandes spectrales grâce à un filtrage. Cette thèse étudie la possibilité de réaliser une matrice de 4 filtres Fabry Pérot (FP) intégrés 3D et ajustables par actionnement électrostatique dans le domaine visible-proche infrarouge. Les miroirs fixes des filtres FP sont des multicouches ZnS/YF₃ déposés sur un wafer de borosilicate, et les miroirs mobiles sont des membranes multicouches PECVD SiNH/SiOH encastrées sur une structure mobile très compacte micro-usinée dans un wafer en silicium. Les performances optiques des filtres FP ont été optimisées en prenant en compte la dissymétrie et le déphasage à la réflexion des miroirs. La structure mobile a été modélisée par éléments finis pour minimiser ses déformations lors de l’actionnement. Les étapes critiques des procédés de fabrication des miroirs mobiles en technologie Si ou SOI ont été mises au point : i) la fabrication et la libération par gravures profondes DRIE et XeF₂ des membranes multicouches avec une contrainte résiduelle ajustée par recuit et une réflectance voisine de 50% dans une large gamme spectrale, ii) le contrôle des vitesse de la gravure DRIE avec des motifs temporaires permettant la gravure simultanée de motifs de largeur et de profondeur variables, et iii) la délimitation de motifs sur surfaces fortement structurées à l’aide de pochoirs alignés mécaniquement ou de films secs photosensibles. Ces travaux ouvrent la voie vers une réalisation complète d’une matrice de filtres FP intégrés 3D. / Multispectral imaging is used to improve target detection and identification in monitoring applications. It consists in analyzing images of the same scene simultaneously recorded in several spectral bands owing to a filtering. This thesis investigates the possibility to realize, an array of four 3D integrated Fabry-Perot (FP) filters that are tunable in the visible-near infrared range by electrostatic actuation. The fixed mirrors of the FP filters are ZnS/YF₃ multilayers deposited on a borosilicate wafer, and the movable mirrors are PECVD SiNH/SiOH multilayer membranes clamped in a very compact movable structure micromachined in a Si wafer. A 3rd glass wafer is used for filters packaging. Optical performances of the FP filters have been optimized by taking into account the asymmetry and the reflection phase shift of the mirrors and the mobile structure has been modeled by finite elements analysis notably to minimize its deformation during actuation. The critical steps of the movable mirrors fabrication process in Si or SOI technology have been developed : i) the fabrication and the release by DRIE and XeF₂ etching of 8 or 12 layers membranes with a residual stress tunable by annealing and a reflectance close to 50% in broad wavelength range (570-900nm), ii) the control with temporary patterns of the simultaneous deep etching of patterns with different widths and depths, and iv) various patterning techniques on highly structured surfaces based on shadow masks (with mechanical alignment) or laminated photosensitive dry films. These results open the way towards the full realization of an array of 3D integrated FP filters.