The marine boundary layer (MBL) is the region where energy, momentum and masses are exchanged between the ocean surface and the free troposphere. The lack of observations with high vertical resolution over the ocean significantly restricts the understanding of the complex physical processes that occur inside the MBL. The relatively short vertical extent of the MBL (average about 1~2 km) and the frequent cloudiness at its top make probing the MBL extremely difficult from the space. Several features of the Global Positioning System (GPS) radio occultation (RO) technique suggest that it has a great potential for sensing the MBL. These features include global coverage, high vertical resolution, and the ability of GPS signals to penetrate clouds.Over moist marine areas, a large negative moisture gradient often exists across the thermal inversion capping the MBL, which can cause super-refraction (SR) or ducting. A large number of high-resolution soundings have shown that SR occurs about 90% of the time in a year over the subtropical and tropical oceans and even 50% at high-latitudes during the summer. In the presence of SR, the reconstruction of refractivity from RO data becomes an ill-posed inverse problem, i.e., a given RO bending angle profile is consistent with a continuum (an infinite number) of refractivity profiles. The standard Abel retrieval gives the minimum refractivity solution of the continuum and thus produces the largest negative bias, consistent with a negative bias that is often present in the retrieved refractivity profiles in the moist lower troposphere. Simulation studies indicate a large variation of the negative refractivity biases (could be over -15%). The impact of diffraction effects and the open-loop receiver tracking on the bending angle and refractivity retrievals are assessed. A novel approach is developed and tested to reconstruct the vertical refractivity structure within and below the SR layer, which yields a much-improved retrieval, especially below the SR layer (less than 0.5% error). Such a reconstruction method should greatly enhance our ability to measure the MBL globally using the GPS RO technique as well as to improve the MBL parameterizations used in weather and climate models.

L'origine, la distribution et l'évolution des molécules organiques et de la vie sont les principaux sujets d'un domaine scientifique récent appelé astrobiologie. Un sous-thème intéressant de ce vaste domaine est l'identification des composés organiques et des processus chimiques et physiques dans des lieux autres que la Terre. Un objet particulièrement intéressant de ce point de vue est Titan, la plus grosse lune de Saturne et la seule dans le système solaire pour laquelle on observe la présence d'une épaisse atmosphère composée d'azote et méthane (N2 et CH4), et ayant toutes les caractéristiques d'une atmosphère planétaire. Cette atmosphère est depuis longtemps connue pour être riche en composés organiques présentant un grand intérêt pour l'astrobiologie. La mission Cassini-Huygens (NASA-ESA-ASI) a été conçue pour explorer le système saturnien, avec un intérêt particulier pour Titan. Les instruments de Cassini fournissent de grandes quantités d'informations sur l'atmosphère depuis 2004. Ainsi, les données du Spectromètre de Masse d'Ions et de Molécules Neutres (INMS) et du Spectromètre de Plasma de Cassini(CPS) ont montré l'existence de molécules organiques neutres lourdes (jusqu'à 7 atomes de carbone) et des ions lourds (jusqu'à 13000 Da) dans la thermosphère. Les observations effectuées tout au long de la mission ont par ailleurs montré une variabilité atmosphérique complexe en fonction de nombreuses variables comme, entre autres, l'activité solaire ou les interactions avec la magnétosphère de Saturne. Les molécules organiques dans l'atmosphère donnent lieu à une chimie complexe et conduit à la formation d'aérosols organiques dans les couches stratosphériques inférieures. Ces aérosols précipitent à la surface de Titan où ils continuent leur évolution chimique. C'est une des caractéristiques qui font de Titan un objet intéressant du point de vue astrobiologique

Cette thèse est basée sur cinq publications étudiant les ionosphères terrestre et martienne en s'appuyant sur la combinaison d'observations provenant d'instruments variés ainsi que sur des techniques de modélisation. L'ionosphère terrestre est un système complexe fortement couplé à la magnétosphère et est par conséquent affectée par les perturbations provenant du vent solaire. De nombreux types d'instruments peuvent être utilisés pour étudier la variabilité de l'ionosphère, qu'il s'agisse de systèmes d'observation au sol ou d'instruments à bord de satellites. Deux des articles se focalisent sur les réponses de l'ionosphère terrestre aurorale et subaurorale aux courants de vent solaire rapide émanant des trous coronaux à la surface du soleil. Ces deux études sont basées sur la méthode des époques superposées, qui permet d'obtenir un comportement statistique des paramètres considérés. Pour la première étude, qui s'intéresse à la concentration électronique du pic de la région F de l'ionosphère à l'aide de l'ionosonde de Sodankylä (Finlande, L = 5.2), la méthode des époques superposées a été modifiée en ajoutant un verrouillage de phase permettant de distinguer les réponses de la région F dans différents secteurs de temps magnétique local. La deuxième étude s'intéresse aux précipitations d'électrons énergétiques (>30 keV) durant les courants de vent solaire rapide, en s'appuyant sur des mesures d'absorption du bruit cosmique par des riomètres situés entre L = 3.8 et L = 5.7. Une troisième étude met en évidence pour la première fois des signatures de pulsations dans les données riométriques durant une aurore pulsante. Cela révèle que le flux de précipitation d'électrons est modulé simultanément sur une grande plage d'énergies - de quelques kiloélectronvolts à plusieurs dizaines de kiloélectronvolts - durant une aurore pulsante. Les quatrième et cinquième articles traitent de l'ionosphère martienne. Ils présentent une nouvelle méthode d'analyse des données d'occultation radio fournies par la sonde Mars Express, qui s'appuie non pas sur une inversion des mesures tel qu'effectué classiquement, mais sur une modélisation directe de l'environnement martien - atmosphère neutre et ionosphère - et de la propagation des ondes radio entre la station sol sur Terre et la sonde Mars Express. L'ajustement des paramètres dont dépendent l'atmosphère et l'ionosphère martiennes permet d'obtenir des données d'occultation radio simulées s'approchant le plus possible des données mesurées. L'ajustement optimal donne alors les profils de température et de concentration des neutres ainsi que les profils de concentrations ioniques et électronique dans l'ionosphère martienne au voisinage du point d'occultation. / This thesis is based on five publications studying the terrestrial and Martian ionospheres by making use of versatile instruments and of modelling techniques. The terrestrial ionosphere is a complex system strongly coupled to the magnetosphere and hence very sensitive to solar wind driving. Various kinds of instruments may be used to study the ionosphere, from ground-based instruments to satellite-borne systems. Two papers study the response of the auroral and subauroral ionosphere to solar wind high-speed streams, which originate from coronal holes at the surface of the Sun. These two studies make use of the superposed epoch analysis method, which enables to derive the statistical behaviour of the studied parameters. For the first study, which focuses on the F-region peak electron density measured by the Sodankylä ionosonde (at L = 5.2), the superposed epoch method has been modified so that a study of the effects of high-speed streams in the F region in different magnetic local time sectors becomes possible. The modified method is called phase-locked superposed epoch analysis. The second paper focuses on energetic (>30 keV) electron precipitation during high-speed streams by making use of cosmic noise absorption measurements from a chain of riometers located between L = 3.8 and L = 5.7. A third study reveals for the first time pulsation signatures in cosmic noise absorption data during a pulsating aurora event. This indicates that the electron precipitation flux is modulated simultaneously over a broad range of energies (from a few keV to several tens of keV) in relation to pulsating aurora. The fourth and fifth articles study the Martian ionosphere. They present a novel analysis method for Mars Express radio-occultation data. Contrary to the classical inversion approach, this new method is based on a direct simulation of the radio wave propagation between the ground-based station at Earth and the Mars Express spacecraft, in a modelled Martian environment. The parameters determining the properties of the neutral atmosphere and the ionosphere of Mars are adjusted in order for the simulated radio-occultation data to fit the measured data. The optimal set of parameters provides the retrieved neutral temperature and density profiles in the atmosphere, and the ion and electron density profiles in the ionosphere near the occultation point.

Nous nous intéressons ici au problème de la coordination de plusieurs bras manipulateurs au moyen de la vision. Après avoir étudié les approches de commande dédiées à ce problème, notre première contribution a consisté à établir un formalisme basé sur l'asservissement visuel 2D. Ce formalisme permet de bénéficier des images fournies par une ou plusieurs caméras, embarquées ou déportées, pour coordonner les mouvements d'un système robotique multi-bras. Il permet de plus d'exploiter la redondance de ce type de système pour prendre en compte des contraintes supplémentaires. Nous avons ainsi développé une stratégie de commande pour réaliser une tâche de manipulation coordonnée tout en évitant les butées articulaires et la perte des indices visuels. Afin d'aller plus loin et de tolérer les occultations, nous avons proposé des approches permettant de reconstruire la structure des objets manipulés et donc les indices visuels qui les caractérisent. Enfin, nous avons validé nos travaux en simulation et expérimentalement sur le robot PR2. / We address the problem of coordinating a dual arm robot using one or several cameras. After proposing an overview of the control techniques dedicated to this problem, we develop a formalism allowing to coordinate the motions of several arms thanks to multicameras image based visual servoing. Our approach allows to bene?t from the natural redundancy provided by the robotic system to take into account useful constraints such as joint limits and occlusions avoidance. We propose a strategy to deal with these tasks simultaneously. Finally, to make our control more robust with respect to image losses, we reconstruct the structure of the manipulated objects and the corresponding visual features. To validate our approach, we use the formalism to make the dual arm PR2 robot recap a pen. Simulations and experimental results are provided.

Several measurement campaigns took place at the ALOMAR observatory at Andøya, Northern Norway during July-November 2001 to validate ionospheric electron density and dry temperature profiles in the troposphere and lower stratosphere derived from radio occultation measurements of the low earth orbiter satellite CHAMP. For temperature sounding, three balloons are released around GPS satellite occultation events that occurred inbetween a distance of 200 km around Andøya. At altitudes of 7–20 km the CHAMP profile shows a positive mean deviation increasing with height by about 1.5-2 Kelvin/ 10 km overlayed with variations of ±1 K when compared to the radiosonde. Taking into account the previous and following radiosonde ascents the mean deviation seems to be of systematic nature due to the occultation principle or the retrieval algorithm and the variations are related to geographical variations of temperature and to the horizontal averaging by the radio occultation technique. During the period from mid July to mid August, four occultations for ionospheric soundings occurred. The values of the F2 layer calculated from the CHAMP derived electron density profiles are compared to the readings of the Alomar and Tromsø ionosondes for these times. Comparison shows that using the radio occultation technique electron densities of the maximum value layer are calculated inbetween the same order of magnitude as the ionosondes measurements, however, they overestimate it in the cases discussed here. / Zur Validierung von Elekronendichte- und Temperaturprofilen, abgeleitet aus Radiookkultationsmessungen von CHAMP wurden im Juli-November 2001 mehrere Messkampagnen am ALOMAR Institut auf Andøya, Nordnorwegen durchgeführt. Zur Temperatursondierung wurden drei aufeinanderfolgende Radiosonden um den Zeitpunkt von Okkultationsereignissen im Umkreis von weniger als 200 km gestartet. Das hier diskutierte Temperaturprofil von CHAMP zeigt im Höhenbereich 7-20 km eine mit der Höhe zunehmende positive Abweichung von ca. 1,5-2 K/10 km mit Variationen um ±1 K verglichen mit dem Temperaturprofil der zum Okkultationszeitpunkt fliegenden Radiosonde. Der Vergleich mit den vorhergehenden und nachfolgenden Sondierungen lässt darauf schließen, dass die mittlere Abweichung durch systematische Fehler des Okkultationsverfahrens oder den Retrieval-Algorithmus bedingt sind, die Variationen jedoch durch die örtliche Abweichung und die horizontale Mittelung des Messverfahrens. Während des Zeitraumes von Mitte Juli bis Mitte August ereigneten sich vier Okkultationen zur Sondierung der Ionosphäre. Von den abgeleiteten Elektronendichteprofilen werden jeweils die Werte der F2-Schicht mit den zur gleichen Zeit gemessenen Elektronendichten der Ionosonden auf Andøya und bei Tromsø verglichen. Der Vergleich zeigt, dass mit Hilfe der Radiookkultaktionstechnik die Elektronendichtewerte der F2-Schicht in der gleichen Größenordnung berechnet, in diesen konkreten Fällen jedoch überschätzt werden.

In the height range 10–30 km atmospheric gravity waves lead to periodic perturbations of the background temperature field in the order of 2-3 K, that are resolved in temperature profiles derived from radio occultation measurements. Due to the spherical symmetry assumption in the retrieval algorithm and the low horizontal resolution of the measurement damping in the amplitude and phase shift of the waves occurs leading to remarkable errors in the retrieved temperatures. The influence of the geometric wave parameters and the measurement geometry on plane gravity waves in the range 100-1000 km horizontal and 1-10 km vertical wavelength is investigated with a 2D model ranging ±1000 km around the tangent point and 10-50 km in height. The investigation shows, that with radio occultation measurements more than 90 % of the simulated waves can be resolved and more than 50% with amplitudes above 90%. But the geometrical parameters cannot be identified, since one signal can be attributed to different combinations of wave parameters and view angle. Even short waves with horizontal wavelengths below 200 km can be derived correctly in amplitude and phase if the vertical tilt is small or the view angle of the receiver satellite is in direction of the wave crests. / Atmosphärische Schwerewellen führen im Höhenbereich 10-30 km zu periodischen Störungendes Hintergrundtemperaturfeldes in der Größenordnung von 2-3 K, die in Temperaturprofilen aus Radiookkultationsmessungen aufgelöst werden. Aufgrund der sphärischen Symmetrieannahme im Retrievalverfahren und durch die niedrige horizontale Auflösung des Messverfahrens werden Phasenverschiebungen und Dämpfung der Amplitude verursacht, die zu beachtlichen Fehlern bei den abgeleiteten Temperaturen führen. Der Einfluss der geometrischen Wellenparameter und der Messgeometrie auf ebene Schwerewellen im Bereich 100-1000 km horizontale und 1-10 km vertikale Wellenlänge wird untersucht mit einem 2D-Modell, dass sich auf ein Gebiet von ±1000 km um den Tangentenpunkt und von 10-50 km in der Höhe erstreckt. Die Untersuchung zeigt, dass mit Radiookkultationsmessungen mehr als 90% der simulierten Wellen aufgelöst werden und mehr als 50% mit Amplituden oberhalb von 90% der ursprünglichen. Die geometrischen Parameter können jedoch nicht aus Einzelmessungen abgeleitet werden, da ein Signal zu verschiedenen Kombinationen von Wellenparametern und Sichtwinkel zugeordnet werden kann. Auch relativ kurze Wellen mit horizontalen Wellenlängen unterhalb von 200 km können korrekt in der Amplitude und Phase aufgelöst werden, falls die Neigung des Wellenvektors gegen die vertikale gering ist oder der Sichtwinkel des Empfängersatelliten in Richtung der Wellenberge ist.

This thesis serves to provide a conceptual mission design for a Titan-orbiting stellar occultation mission. Titan has a significant atmosphere much like Earth's. An improved understanding of Titan's atmosphere could provide valuable information about the evolution of Earth's climate. Titan's atmosphere is known to be in a state of superrotation, wherein the atmosphere rotates significantly faster than the surface beneath. The details of the creation and sustainment of this extreme state on Titan in terms of angular momentum exchange remain unknown despite current theories and models. These unknowns, alongside inconsistencies between current models with observations from the Cassini mission, call for an urgent need for Titan atmospheric observations able to resolve atmospheric waves. The science objectives driving the mission design include maximizing the number of measurements, the latitude versus longitude coverage, the latitude versus local solar time coverage, and the mission duration. These measurement needs can be met by a Titan orbiter utilizing a refractive stellar occultation technique. Refractive stellar occultation observes starlight bending through an atmosphere as stars set behind a body. The observed bending profile can be inverted to infer density, temperature, and pressure profiles. This research uses Systems Tool Kit (STK) as a simulation tool to predict measurement coverage for various orbits. The orbital radius was determined to be the driving independent variable which set all other design variables, including the orbital plane which was uniquely selected for a given orbital radius to maximize the number of occultations. The results of this study show that a lower orbital radius is desired as this produces the best combination of measurement number and distribution. This orbital plane should be closely aligned with the Milky Way galactic plane to see the most stars occult. For the lowest sustainable orbital altitude, Low Titan Orbit (LTO) at 1200 km, the orbital plane should be nearly polar to maximize the number of occultations and latitude coverage. The optimal orbit selection (defined by orbital elements a = 3775 km, e = 0, i = 85 degrees, Ω = 87 degrees, ω = 0 degrees, and ν = 0 degrees) for a single satellite can produce nearly 400 stellar occultation opportunities per orbit and provide full latitude versus longitude coverage. A single satellite shows gaps in latitude versus local solar time coverage at mid-latitudes normal to the satellite ground track which may inhibit the diagnosis of the angular momentum flux associated with thermal tides. If necessary, a second satellite in an orbit orthogonal to the first is suggested to close coverage gaps to provide full local time coverage over a Titan day. The optimal orbit selection of this second satellite (defined by orbital elements a = 3775 km, e = 0, i = 5.3 degrees, Ω = 5.9 degrees, ω = 0 degrees, and ν = 0 degrees) provides an additional 343 occultation opportunities per orbit and increases latitude versus local solar time coverage by a factor of 1.5. The understanding of Titan's Earth-like atmosphere could provide insight into climate evolution here on Earth. This concept proposes a novel approach to improving this understanding. / Master of Science / This thesis serves to provide a conceptual mission design for a Titan-orbiting stellar occultation mission. Titan, one of Saturn's 82 moons, has a significant atmosphere much like Earth's. An improved understanding of Titan's atmosphere could provide valuable information about the evolution of Earth's climate. Titan's atmosphere is known to be in a state of superrotation, wherein the atmosphere rotates significantly faster than the surface beneath. The details of the creation and sustainment of this extreme state on Titan remain unknown despite current theories and models. These unknowns, alongside inconsistencies between current models with observations from the Cassini mission, call for an urgent need for Titan atmospheric observation. The science objectives driving the mission design include maximizing the number of measurements, the latitude versus longitude coverage, the latitude versus local solar time coverage (on a 24-hour scale), and the mission duration. These measurement needs can be met by a Titan orbiter utilizing a refractive stellar occultation technique. Refractive stellar occultation observes starlight bending through an atmosphere as stars set behind a body. The observed bending profile can be inverted to infer density, temperature, and pressure profiles. This research uses a simulation tool to predict measurement coverage for various orbits. The radius of the orbit was determined to be the driving independent variable which set all other design variables, including the orbital plane which was uniquely selected for a given orbital radius to maximize the number of occultations. The results of this study show that a lower orbital radius is desired as this produces the best combination of measurement number and distribution. This orbital plane should be closely aligned with the Milky Way galactic plane to see the most stars occult. For the lowest sustainable orbital altitude, Low Titan Orbit (LTO) at 1200 km, the orbital plane should be nearly polar to maximize the number of occultations and latitude coverage. The optimal orbit selection for a single satellite can produce nearly 400 stellar occultation opportunities per orbit and provide full latitude versus longitude coverage. A single satellite shows gaps in latitude versus local solar time coverage at mid-latitudes normal to the satellite ground track which may inhibit the diagnosis of atmospheric waves tied to Titan's night and day cycle. If necessary, a second satellite in an orbit orthogonal to the first is suggested to close coverage gaps to provide full local time coverage over a Titan day. The optimal orbit selection of this second satellite provides an additional 343 occultation opportunities per orbit and increases latitude versus local solar time coverage by a factor of 1.5. The understanding of Titan's Earth-like atmosphere could provide insight into climate evolution here on Earth. This concept proposes a novel approach to improving this understanding.

La thèse, dont le sujet est "Modélisation de la propagation électromagnétique en milieux à gradient d'indice basée sur les faisceaux gaussiens - Application à la propagation en atmosphère réaliste et à la radio-occultation entre satellites" a été commencée le 2 décembre 2013, au Département ÉlectroMagnétisme et Radar (DEMR) de l'Onera de Toulouse et avec le laboratoire LAPLACE de l'Université Paul Sabatier. Elle est co-financée par l'ONERA et par la Région Midi-Pyrénées. L'encadrement a été assuré par Jérôme Sokoloff (Laplace/UPS, directeur de thèse), Alexandre Chabory (ENAC, co-directeur) et Vincent Fabbro (ONERA). L'École Doctorale est l' "École Doctorale Génie Électrique, Électronique, Télécommunications : du système au nanosystème". Le faisceau gaussien a été principalement utilisé dans la recherche scientifique afin d'étudier les systèmes optiques tels que les lasers. Des études plus rares et plus récentes ont proposé de l'utiliser pour modéliser la propagation des ondes sismiques. Ses propriétés spatiales et spectrales ont amené certains auteurs à étudier son utilisation dans des modèles de propagation atmosphériques. Cette thèse a consisté à développer un modèle, appelé GBAR (Gaussian Beam for Atmospheric Refraction), de propagation troposphérique réaliste et déterministe en utilisant le formalisme des faisceaux gaussiens. La démarche adoptée a consisté à reprendre les équations fondamentales introduites par Cerveny et Popov décrivant de façon itérative la propagation d'un faisceau gaussien en milieu inhomogène, sous hypothèse de haute fréquence (modèle asymptotique). De nouvelles équations ont été développées à partir d'elles pour obtenir une description analytique de la propagation d'un faisceau gaussien dans un milieu troposphérique décrit par les variations spatiales de l'indice de réfraction. L'hypothèse de base pour l'obtention de la formulation analytique est que le gradient de l'indice de réfraction peut être considéré vertical et constant au voisinage du faisceau. Les équations analytiques pour la description de la propagation d'un seul faisceau ont ensuite été étendues à la modélisation d'un champ quelconque dans un milieu troposphérique pouvant contenir de fortes variations du gradient d'indice, y compris des inversions de gradient. Ceci a été réalisé en couplant les équations analytiques avec la procédure de décomposition multi-faisceaux développée dans sa thèse pas Alexandre Chabory. Le modèle GBAR a été validé dans des milieux troposphériques réalistes issus de simulations du modèle météo méso-échelle WRF (Weather Research and Forecasting). Dans un troisième temps, le modèle a été utilisé pour simuler des inversions de données de radio-occultation. Des outils existent pour fournir un modèle d'interprétation de ces données pour estimer les propriétés physiques de l'atmosphère à partir des mesures en phase, amplitude, Doppler et délai des signaux GNSS transmis entre satellites en orbite autour de la Terre / The subject of this PhD thesis is " Electromagnetic propagation modeling in inhomogeneous media with refractive index gradients based on Gaussian beams - Application to realistic atmospheric propagation and radio occultation between satellites ". The study started on december 2nd, 2013 at the DEMR (Département Électromagnétisme et Radar) department of the ONERA research laboratory, in Toulouse, France. It was funded both by the ONERA and Région Midi-Pyrénées. It was supervised by Jérôme Sokoloff (LAPLACE/UPS, thesis director), Alexandre Chabory (ENAC, thesis co-director) and Vincent Fabbro (ONERA). The doctoral school was "École Doctorale Génie Électrique, Électronique, Télécommunications : du système au nanosystème ". The Gaussian beam was mostly used in scientific investigations to study optical systems such as lasers. Rarer and more recent works suggested the use of the Gaussian beam formalism in order to model the propagation of seismic waves. The properties of the Gaussian beam also led some authors to develop models for atmospheric propagation. In this thesis a model based on Gaussian beams called GBAR (Gaussian Beam for Atmospheric Refraction) was developped for tropospheric propagation in realistic and deterministic conditions. The scientific approach consisted in rewritting the fundamental equations introduced by Cerveny and Popov describing iteratively the propagation of a Gaussian beam in inhomogeneous media, under the high-frequency assumption (asymptotic model). New equations were derived from them in order to get analytical equations of the propagation of a Gaussian beam in inhomogeneous media described by the variations of the refractive index. The basic assumption under to get the analytical equations is to consider that the refractive index gradient is vertical and constant around the beam axis. The analytical equations that describe the propagation of a Gaussian beam were extended to model the propagation of an arbitrary field in a tropospheric medium with strong variations and inversions of the refractive index. This was done by coupling the analytical equations with the multibeam expansion procedure developped by Alexandre Chabory in his PhD thesis. The GBAR model was validated in tropospheric conditions, using refractive index grids from the WRF (Weather Research and Forecasting) mesoscale meteorological model. In the third and final phase, the GBAR model was used to simulate Radio Occultation data inversions. Tools exist to allow for interpretations of Radio Occultation data in order to estimate the physical properties of the atmosphere from measured phased, amplitude, Doppler shift and delay of GNSS signals transmitted between satellites orbiting around the Earth

Les problèmes de visibilité sont centraux pour bien des applications en synthèse d'images. Les exemples les plus classiques sont le calcul de vue, les limites d'ombres, la visibilité mutuelle de paires de points, etc. Nous présentons tout d'abord une étude théorique des propriétés de visibilité tridimensionnelle dans l'espace des rayons lumineux. Nous regroupons les rayons qui voient le même objet, ce qui définit le complexe de visibilité 3D. Les frontières de ces groupes de rayons décrivent les événements visuels de la scène (limites d'ombres, apparition d'objets lors du déplacement d'un observateur, etc.). Nous simplifions le complexe de visibilité en un graphe de l'espace des droites que nous appelons le squelette de visibilité. Les événements visuels sont les arcs de ce graphe, et notre algorithme de construction évite le traitement complexe des ensembles 1D de droites correspondants. Nous calculons uniquement les extrémités (droites à 0 degré de liberté) de ces ensembles, et les événements visuels sont déduits topologiquement grâce à un catalogue d'adjacences. Notre implémentation montre que le squelette est plus robuste, plus général et plus efficace que les structures antérieures. Nous avons appliqué le squelette de visibilité à la simulation de l'éclairage, où il permet des calculs plus précis de manière plus rapide. Nous avons également développé un précalcul pour l'affichage de scènes très complexes. Nous calculons l'ensemble des objets potentiellement visibles depuis un volume de l'espace. Notre méthode est la première qui prend en compte l'occultation due à la conjonction de plusieurs bloqueurs dans ce contexte. Nos tests d'occultation sont effectués grâce à des projections étendues sur des plans, ce qui les rend simples, efficaces et robustes. Nous proposons enfin un vaste tour d'horizon des travaux sur la visibilité dans différents domaines.

Cette thèse est consacrée au problème d'appariement visuel. Les problèmes de la robustesse et la précision sont considérés. Le problème des occultations partielles est traité à l'aide de la statistique robuste. Deux méthodes sont décrites. Une basée sur la régression robuste, et une autre basée sur la localisation robuste. Des expérimentations valident ces deux méthodes. Le problème de l'appariement précise est aussi considéré. Basé sur l'hypothèse de régularité locale, le décalage local peut être estimé à l'aide d'un masque de convolution entre deux fenêtres d'images sous une translation. Pour le cas non translationnel, une estimation de déformation des fenêtres d'images est faite de manière robuste, suivi d'une estimation de décalage local. Des expérimentations valident cette méthode d'appariement précis. Appariement visuel, étant un problème majeur en vision, est loin d'être résolu. Nous espérons que ce mémoire apporte des contributions à ce problème difficile.