Nous présentons des inégalités fonctionnelles pour les processus ponctuels. Nous prouvons une inégalité de Sobolev logarithmique modifiée, une inégalité de Stein et un théorème du moment quatrième sans terme de reste pour une classe de processus ponctuels qui contient les processus binomiaux et les processus de Poisson. Les preuves reposent sur des techniques inspirées de l'approche de Malliavin-Stein et du calcul avec l'opérateur $Gamma$ de Bakry-Émery. Pour mettre en œuvre ces techniques nous développons une analyse stochastique pour les processus ponctuels. Plus généralement, nous mettons au point une théorie d'analyse stochastique sans hypothèse de diffusion. Dans le cadre des processus de Poisson ponctuels, l'inégalité de Stein est généralisée pour étudier la convergence stable vers des limites conditionnellement gaussiennes. Nous appliquons ces résultats pour approcher des processus Gaussiens par des processus de Poisson composés et pour étudier des graphes aléatoires. Nous discutons d'inégalités de transport et de leur conséquence en termes de concentration de la mesure pour les processus binomiaux dont la taille de l'échantillon est aléatoire. Sur un espace métrique mesuré quelconque, nous présentons un développement de la concentration de la mesure qui prend en compte l'agrandissement parallèle d'ensembles disjoints. Cette concentration améliorée donne un contrôle de toutes les valeurs propres du Laplacien métrique. Nous discutons des liens de cette nouvelle notion avec une version de la courbure de Ricci qui fait intervenir le transport à plusieurs marginales / We present functional inequalities and limit theorems for point processes. We prove a modified logarithmic Sobolev inequalities, a Stein inequality and a exact fourth moment theorem for a large class of point processes including mixed binomial processes and Poisson point processes. The proofs of these inequalities are inspired by the Malliavin-Stein approach and the $Gamma$-calculus of Bakry-Emery. The implementation of these techniques requires a development of a stochastic analysis for point processes. As point processes are essentially discrete, we design a theory to study non-diffusive random objects. For Poisson point processes, we extend the Stein inequality to study stable convergence with respect to limits that are conditionally Gaussian. Applications to Poisson approximations of Gaussian processes and random geometry are given. We discuss transport inequalities for mixed binomial processes and their consequences in terms of concentration of measure. On a generic metric measured space, we present a refinement of the notion of concentration of measure that takes into account the parallel enlargement of distinct sets. We link this notion of improved concentration with the eigenvalues of the metric Laplacian and with a version of the Ricci curvature based on multi-marginal optimal transport

Au cours des 20 dernières années, la théorie du transport optimal s’est revelée être un outil efficace pour étudier le comportement asymptotique dans le cas des équations de diffusion, pour prouver des inégalités fonctionnelles et pour étendre des propriétés géométriques dans des espaces extrêmement généraux comme des espaces métriques mesurés, etc. La condition de courbure-dimension de la théorie Bakry-Emery apparaît comme la pierre angulaire de ces applications. Il suffit de penser au cas le plus simple et le plus important de la distance quadratique de Wasserstein W2 : la contraction du flux de chaleur en W2 caractérise les bornes inférieures uniformes pour la courbure de Ricci ; l’inégalité de Talagrand du transport, comparant W2 à l’entropie relative est impliquée et implique, par l’inégalité HWI, l’inégalité log-Sobolev ; les géodésiques de McCann dans l’espace de Wasserstein (P2(Rn),W2) permettent de prouver des propriétés fonctionnelles importantes comme la convexité, et des inégalités fonctionnelles standards telles que l’isopérymétrie, des propriétés de concentration de mesure, l’inégalité de Prékopa-Leindler et ainsi de suite. Néanmoins, le manque de régularité des plans minimisation nécessite des arguments d’analyse non lisse. Le problème de Schrödinger est un problème de minimisation de l’entropie avec des contraintes marginales et un processus de référence fixes. À partir de la théorie des grandes déviations, lorsque le processus de référence est le mouvement Brownien, sa valeur minimale A converge vers W2 lorsque la température est nulle. Les interpolations entropiques, solutions du problème de Schrödinger, sont caractérisées en termes de semigroupes de Markov, ce qui implique naturellement les calculs Γ2 et la condition de courbure-dimension. Datant des années 1930 et négligé pendant des décennies, le problème de Schrodinger connaît depuis ces dernières années une popularité croissante dans différents domaines, grâce à sa relation avec le transport optimal, à la regularité de ses solutions, et à d’autres propriétés performantes dans des calculs numériques. Le but de ce travail est double. D’abord, nous étudions certaines analogies entre le problème de Schrödinger et le transport optimal fournissant de nouvelles preuves de la formulation duale de Kantorovich et de celle, dynamique, de Benamou-Brenier pour le coût entropique A. Puis, en tant qu’application de ces connexions, nous dérivons certaines propriétés et inégalités fonctionnelles sous des conditions de courbure-dimension. En particulier, nous prouvons la concavité de l’entropie exponentielle le long des interpolations entropiques sous la condition de courbure-dimension CD(0, n) et la régularité du coût entropique le long du flot de la chaleur. Nous donnons également différentes preuves de l’inégalité variationnelle évolutionnaire pour A et de la contraction du flux de la chaleur en A, en retrouvant comme cas limite, les résultats classiques en W2, sous CD(κ,∞) et CD(0, n). Enfin, nous proposons une preuve simple de la propriété de concentration gaussienne via le problème de Schrödinger comme alternative aux arguments classiques tel que l’argument de Marton basé sur le transport optimal / In the past 20 years the optimal transport theory revealed to be an efficient tool to study the asymptotic behavior for diffusion equations, to prove functional inequalities, to extend geometrical properties in extremely general spaces like metric measure spaces, etc. The curvature-dimension of the Bakry-Émery theory appears as the cornerstone of those applications. Just think to the easier and most important case of the quadratic Wasserstein distance W2: contraction of the heat flow in W2 characterizes uniform lower bounds for the Ricci curvature; the transport Talagrand inequality, comparing W2 to the relative entropy is implied and implies via the HWI inequality the log-Sobolev inequality; McCann geodesics in the Wasserstein space (P2(Rn),W2) allow to prove important functional properties like convexity, and standard functional inequalities, such as isoperimetry, measure concentration properties, the Prékopa Leindler inequality and so on. However the lack of regularity of optimal maps, requires non-smooth analysis arguments. The Schrödinger problem is an entropy minimization problem with marginal constraints and a fixed reference process. From the Large deviation theory, when the reference process is driven by the Brownian motion, its minimal value A converges to W2 when the temperature goes to zero. The entropic interpolations, solutions of the Schrödinger problem, are characterized in terms of Markov semigroups, hence computation along them naturally involves Γ2 computations and the curvature-dimension condition. Dating back to the 1930s, and neglected for decades, the Schrödinger problem recently enjoys an increasing popularity in different fields, thanks to this relation to optimal transport, smoothness of solutions and other well performing properties in numerical computations. The aim of this work is twofold. First we study some analogy between the Schrödinger problem and optimal transport providing new proofs of the dual Kantorovich and the dynamic Benamou-Brenier formulations for the entropic cost A. Secondly, as an application of these connections we derive some functional properties and inequalities under curvature-dimensions conditions. In particular, we prove the concavity of the exponential entropy along entropic interpolations under the curvature-dimension condition CD(0, n) and regularity of the entropic cost along the heat flow. We also give different proofs the Evolutionary Variational Inequality for A and contraction of the heat flow in A, recovering as a limit case the classical results in W2, under CD(κ,∞) and also in the flat dimensional case. Finally we propose an easy proof of the Gaussian concentration property via the Schrödinger problem as an alternative to classical arguments as the Marton argument which is based on optimal transport

We investigate stability for certain geometric and functional inequalities and address the regularity of the free boundary for a problem arising in optimal transport theory. More specifically, stability estimates are obtained for the relative isoperimetric inequality inside convex cones and the Gaussian log-Sobolev inequality for a two parameter family of functions. Thereafter, away from a ``small" singular set, local C^{1,\alpha} regularity of the free boundary is achieved in the optimal partial transport problem. Furthermore, a technique is developed and implemented for estimating the Hausdorff dimension of the singular set. We conclude with a corresponding regularity theory on Riemannian manifolds. / text

Le but principal de ce manuscrit est celui de présenter une nouvelle méthode d'interpolation entre des probabilités inspirée du problème de Schrödinger, problème de minimisation entropique ayant des liens très forts avec le transport optimal. À l'aide de solutions au problème de Schrödinger, nous obtenons un schéma d'approximation robuste jusqu'au deuxième ordre et différent de Brenier-McCann qui permet d'établir la formule de dérivation du deuxième ordre le long des géodésiques Wasserstein dans le cadre de espaces RCD* de dimension finie. Cette formule était inconnue même dans le cadre des espaces d'Alexandrov et nous en donnerons quelques applications. La démonstration utilise un ensemble remarquable de nouvelles propriétés pour les solutions au problème de Schrödinger dynamique :- une borne uniforme des densités le long des interpolations entropiques ;- la lipschitzianité uniforme des potentiels de Schrödinger ;- un contrôle L2 uniforme des accélérations. Ces outils sont indispensables pour explorer les informations géométriques encodées par les interpolations entropiques. Les techniques utilisées peuvent aussi être employées pour montrer que la solution visqueuse de l'équation d'Hamilton-Jacobi peut être récupérée à travers une méthode de « vanishing viscosity », comme dans le cas lisse.Dans tout le manuscrit, plusieurs remarques sur l'interprétation physique du problème de Schrödinger seront mises en lumière. Cela pourra aider le lecteur à mieux comprendre les motivations probabilistes et physiques du problème, ainsi qu'à les connecter avec la nature analytique et géométrique de la dissertation. / Main aim of this manuscript is to present a new interpolation technique for probability measures, which is strongly inspired by the Schrödinger problem, an entropy minimization problem deeply related to optimal transport. By means of the solutions to the Schrödinger problem, we build an efficient approximation scheme, robust up to the second order and different from Brenier-McCann's classical one. Such scheme allows us to prove the second order differentiation formula along geodesics in finite-dimensional RCD* spaces. This formula is new even in the context of Alexandrov spaces and we provide some applications.The proof relies on new, even in the smooth setting, estimates concerning entropic interpolations which we believe are interesting on their own. In particular we obtain:- equiboundedness of the densities along the entropic interpolations,- equi-Lipschitz continuity of the Schrödinger potentials,- a uniform weighted L2 control of the Hessian of such potentials. These tools are very useful in the investigation of the geometric information encoded in entropic interpolations. The techniques used in this work can be also used to show that the viscous solution of the Hamilton-Jacobi equation can be obtained via a vanishing viscosity method, in accordance with the smooth case. Throughout the whole manuscript, several remarks on the physical interpretation of the Schrödinger problem are pointed out. Hopefully, this will allow the reader to better understand the physical and probabilistic motivations of the problem as well as to connect them with the analytical and geometric nature of the dissertation.

Cette thèse se concentre sur l'analyse de données présentées sous forme de mesures de probabilité sur R^d. L'objectif est alors de fournir une meilleure compréhension des outils statistiques usuels sur cet espace muni de la distance de Wasserstein. Une première notion naturelle est l'analyse statistique d'ordre un, consistant en l'étude de la moyenne de Fréchet (ou barycentre). En particulier, nous nous concentrons sur le cas de données (ou observations) discrètes échantillonnées à partir de mesures de probabilité absolument continues (a.c.) par rapport à la mesure de Lebesgue. Nous introduisons ainsi un estimateur du barycentre de mesures aléatoires, pénalisé par une fonction convexe, permettant ainsi d'imposer son a.c. Un autre estimateur est régularisé par l'ajout d'entropie lors du calcul de la distance de Wasserstein. Nous nous intéressons notamment au contrôle de la variance de ces estimateurs. Grâce à ces résultats, le principe de Goldenshluger et Lepski nous permet d'obtenir une calibration automatique des paramètres de régularisation. Nous appliquons ensuite ce travail au recalage de densités multivariées, notamment pour des données de cytométrie de flux. Nous proposons également un test d'adéquation de lois capable de comparer deux distributions multivariées, efficacement en terme de temps de calcul. Enfin, nous exécutons une analyse statistique d'ordre deux dans le but d'extraire les tendances géométriques globales d'un jeu de donnée, c'est-à-dire les principaux modes de variations. Pour cela nous proposons un algorithme permettant d'effectuer une analyse en composantes principales géodésiques dans l'espace de Wasserstein. / This thesis focuses on the analysis of data in the form of probability measures on R^d. The aim is to provide a better understanding of the usual statistical tools on this space endowed with the Wasserstein distance. The first order statistical analysis is a natural notion to consider, consisting of the study of the Fréchet mean (or barycentre). In particular, we focus on the case of discrete data (or observations) sampled from absolutely continuous probability measures (a.c.) with respect to the Lebesgue measure. We thus introduce an estimator of the barycenter of random measures, penalized by a convex function, making it possible to enforce its a.c. Another estimator is regularized by adding entropy when computing the Wasserstein distance. We are particularly interested in controlling the variance of these estimators. Thanks to these results, the principle of Goldenshluger and Lepski allows us to obtain an automatic calibration of the regularization parameters. We then apply this work to the registration of multivariate densities, especially for flow cytometry data. We also propose a test statistic that can compare two multivariate distributions, efficiently in terms of computational time. Finally, we perform a second-order statistical analysis to extract the global geometric tendency of a dataset, also called the main modes of variation. For that purpose, we propose algorithms allowing to carry out a geodesic principal components analysis in the space of Wasserstein.

Dans cette thèse, nous étudions dans une première partie l'impact de la contrainte de sécurité en tatouage. Dans le contexte WOA (Watermarked contents Only Attack), un adversaire possède plusieurs contenus tatoués et cherche à estimer la clé secrète d'insertion afin d'accéder aux messages cachés. Une nouvelle manière de tatouer en étalement de spectre est présentée ici. Celle-ci est basée sur la construction de distributions circulaires dans le sous-espace secret de tatouage. Cette technique permet de minimiser la distorsion en moyenne provoquée par l'ajout de la marque dans le contexte WOA en utilisant l'algorithme d'optimisation des Hongrois et la théorie du transport. Nous vérifions ensuite qu'un tatouage sûr est utilisable en pratique en prenant comme exemple le tatouage d'images naturelles. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au cadre de l'estampillage d'oe uvres numériques permettant de tracer les redistributeurs de copies illégales. Les codes traçants utilisés sont ceux proposés par Gabor Tardos et sont résistants aux attaques de coalition, c'est-à-dire au groupement d'adversaires mettant en commun leurs contenus numériques afin de forger une version pirate. Puisque les techniques de tatouage permettent l'insertion de codes traçants dans un contenu numérique, nous avons conçu une attaque "au pire cas" qui dépend du niveau de sécurité et qui permet, pour les adversaires, de baisser leur accusation. Nous montrons que pour le cas particulier de l'estampillage un tatouage sûr sera plus efficace qu'un tatouage non-sûr (à robustesse équivalente). Finalement, une implantation des codes traçants dans un contenu vidéo utilisant des méthodes sûres par étalement de spectre est proposée. Nous montrons alors l'efficacité de l'accusation des adversaires dans ce cadre pratique. / In this thesis, we first study the constraint of security in watermarking. In the WOA (Watermarked contents Only Attack) framework, an adversary owns several marked contents and try to estimate the secret key used for embedding in order to have access to the hidden messages. We present a new mean for spread-spectrum watermarking based on circular distributions in the private watermarking subspace. Thanks to this technique, we are able to minimise the distortion (on expectation) caused by the watermark in the WOA framework using the Hungarian optimisation method and the transportation theory. Then, we show that secure watermarking can be used in practical works with the example of still image watermarking. In the second part, we are interested about the problem of active fingerprinting which allows to trace re-distributors of illegal copies of a numerical content. The codes we use here are the ones proposed by Gabor Tardos. These codes are resistant against collusion attacks e.g. a group of malicious users who forges a new content by mixing their copies. Since watermarking techniques allow the embedding of these codes in numerical contents, a new worst case attack taking into account the security level of the watermarking system is proposed to reduce the accusation rate of the coalition. We show that secure watermarking is more efficient that insecure one (with similar robustness) for fingerprinting application. Finally, traitor tracing codes are implemented on video sequences by using spread-spectrum techniques in order to demonstrate that the accusation of adversaries is practically possible.

L'un des challenges majeurs de la cosmologie moderne réside en la nature même de la matière et de l'énergie noire. La matière noire peut être directement tracée à travers son effet gravitationnel sur les formes des galaxies. La mission Euclid de l'Agence Spatiale Européenne fournira précisément des données à cette fin. L'exploitation de telles données requiert une modélisation précise de la Fonction d'Étalement du Point (FEP) de l'instrument d'observation, ce qui constitue l'objectif de cette thèse.Nous avons développé des méthodes non-paramétriques permettant d'estimer de manière fiable la FEP sur l'ensemble du champ de vue d'un instrument, à partir d'images non résolues d'étoiles, ceci en tenant compte du bruit, d'un possible sous-échantillonnage des observations et de la variabilité spatiale de la FEP. Ce travail tire avantage d'outils et concepts mathématiques modernes parmi lesquelles la parcimonie. Une extension importante de ce travail serait de prendre en compte la dépendance en longueur d'onde de la FEP. / One of the biggest challenges of modern cosmology is to gain a more precise knowledge of the dark energy and the dark matter nature. Fortunately, the dark matter can be traced directly through its gravitational effect on galaxies shapes. The European Spatial Agency Euclid mission will precisely provide data for such a purpose. A critical step is analyzing these data will be to accurately model the instrument Point Spread Function (PSF), which the focus of this thesis.We developed non parametric methods to reliably estimate the PSFs across an instrument field-of-view, based on unresolved stars images and accounting for noise, undersampling and PSFs spatial variability. At the core of these contributions, modern mathematical tools and concepts such as sparsity. An important extension of this work will be to account for the PSFs wavelength dependency.

Cette thèse porte sur le problème de transport optimal incompressible, un problème introduit par Brenier à la fin des années 80 dans le but de décrire l’évolution d’un fluide incompressible et non-visqueux de façon lagrangienne, ou autrement dit en fixant l’état initial et l’état final de ce fluide, et en minimisant une certaine fonctionnelle sur un ensemble de dynamiques admissibles. Ce manuscrit contient deux parties.Dans la première, on étudie la dépendance du problème de transport optimal incompressible par rapport aux données. Plus précisément, on étudie la dépendance du champ de pression (le multiplicateur de Lagrange associé à la contrainte d’incompressibilité) par rapport à la mesure γ prescrivant l’état initial et l’état final du fluide. On montre au Chapitre 2 par des méthodes variationnelles que le gradient de la pression, en tant qu’élément d’un espace proche du dual des fonctions C^1, dépend de γ de façon hölderienne pour la distance de Monge-Kantorovic. En contrepartie, on montre au Chapitre 4 que pour tout r > 1, le champ de pression dans l'espace de Lebesgue L^r_t L^1_x ne peut pas être une fonction lipschitzienne de γ. Ce résultat est lié au caractère mal-posé de l’équation d’Euler cinétique, une équation cinétique s’interprétant comme l’équation d’optimalité dans le problème de transport optimal incompressible, à laquelle le Chapitre 3 de cette thèse est dédié.Dans une seconde partie, on s’intéresse à la régularisation entropique du problème de transport optimal incompressible, introduit par Arnaudon, Cruzeiro, Léonard et Zambrini en 2017 sous le nom de problème de Brödinger. On prouve au Chapitre 5 que comme dans le cas du transport optimal incompressible, on peut associer à toute solution un champ scalaire de pression agissant comme multiplicateur de Lagrange pour la contrainte d’incompressibilité. On montre ensuite au Chapitre 6 que lorsque le paramètre de régularisation tend vers zéro, le problème de Brödinger converge vers le problème de transport optimal incompressible au sens de la Γ-convergence, et avec convergence des champs de pression. Ce dernier chapitre est issu d'un travail effectué en collaboration avec L. Monsaingeon. / This thesis focuses on Incompressible Optimal Transport, a minimization problem introduced by Brenier in the late 80's, aiming at describing the evolution of an incompressible and inviscid fluid in a Lagrangian way , i.e. by prescribing the state of the fluid at the initial and final times and by minimizing some functional among the set of admissible dynamics. This text is divided into two parts.In the first part, we study the dependence of this optimization problem with respect to the data. More precisely, we analyse the dependence of the pressure field, the Lagrange multiplier corresponding to the incompressibility constraint, with respect to the endpoint conditions, described by a probability measure γ determining the state of the fluid at the initial and final times. We show in Chapter 2 by purely variational methods that the gradient of the pressure field, as an element of a space that is close to the dual of C^1, is a Hölder continuous function of γ for the Monge-Kantorovic distance. On the other hand, we prove in Chapter 4 that for all r>1 the pressure field, as an element of L^r_t L^1_x, cannot be a Lipschitz continuous function of γ for the Monge-Kantorovic distance. This last statement is linked to an ill-posedness result proved in Chapter 3 for the so-called kinetic Euler equation, a kinetic PDE interpreted as the optimality equation of the Incompressible Optimal Transport problem.In the second part, we are interested in the entropic regularization of the Incompressible Optimal Transport problem: the so-called Brödinger problem, introduced by Arnaudon, Cruzeiro, Léonard and Zambrini in 2017. On the one hand, we prove in Chapter 5 that similarly to what happens in the Incompressible Optimal Transport case, to a solution always corresponds a scalar pressure field acting as the Lagrange multiplier for the incompressibility constraint. On the other hand, we prove in Chapter 6 that when the diffusivity coefficient tends to zero, the Brödinger problem converges towards the Incompressible Optimal Transport problem in the sense of Gamma-convergence, and with convergence of the pressure fields. The results of Chapter 6 come from a joint work with L. Monsaingeon.

Cette thèse s’attaque au problème de la synthèse de texture par l’exemple en utilisant des modèles stochastiques locaux de patchs pour générer de nouvelles images. La synthèse de texture par l’exemple a pour but de générer à partir d’un échantillon de texture de nouvelles images qui sont perceptuellement équivalentes à celle de départ. Les méthodes peuvent se regrouper en deux catégories: les méthodes paramétriques et les non paramétriques à base de patchs. Le premier groupe a pour but de caractériser une image de texture à partir d’un ensemble de statistiques qui définissent un processus stochastique sous-jacent. Les résultats visuels de ces méthodes sont satisfaisants, mais seulement pour un groupe réduit de types de texture. La synthèse pour des images de textures ayant des structures très contrastées peut échouer. La deuxième catégorie d’algorithme découpe, puis recolle de manière consistante des voisinages locaux de l’image de départ pour générer de nouvelles configurations plausibles de ces voisinages (ou patchs). Les résultats visuels de ces méthodes sont impressionnants. Néanmoins, on observe souvent des répétitions verbatim de grandes parties de l’image d’entrée qui du coup peuvent être reproduites plusieurs fois. De plus, ces algorithmes peuvent diverger, reproduisant de façon itérative une partie de l’image de l’entrée en négligeant le reste. La première partie de cette thèse présente une approche combinant des idées des deux catégories de méthodes, sous le nom de synthèse localement Gaussienne. On préserve dans cette nouvelle méthode les aspects positifs de chaque approche: la capacité d’innover des méthodes paramétriques, et la capacité de générer des textures fortement structurées des méthodes non paramétriques à base de patchs. Pour ce faire, on construit un modèle Gaussien multidimensionnel des auto-similarités d’une image de texture. Ainsi, on obtient des résultats qui sont visuellement supérieurs à ceux obtenus avec les méthodes paramétriques et qui sont comparables à ceux obtenus avec les méthodes non-paramétriques à base de patchs tout en utilisant une paramétrization locale de l’image. La thèse s’attache aussi à résoudre une autre difficulté des méthodes à base de patchs: le choix de la taille du patch. Afin de réduire significativement cette dépendance, on propose une extension multi échelle de la méthode. Les méthodes à bases de patchs supposent une étape de recollement. En effet, les patchs de l’image synthétisée se superposent entre eux, il faut donc gérer le recollement dans ces zones. La première approche qu’on a considérée consiste à prendre en compte cette contrainte de superposition dans la modélisation des patchs. Les expériences montrent que cela est satisfaisant pour des images de textures périodiques ou pseudo-périodiques et qu’en conséquence l’étape de recollement peut être supprimée pour ces textures. Cependant, pour des images de textures plus complexes ce n’est pas le cas, ce qui nous a menée à suggérer une nouvelle méthode de recollement inspirée du transport optimal. Cette thèse conclut avec une étude complète de l’état de l’art en génération d’images de textures naturelles. L’étude que nous présentons montre que, malgré les progrès considérables des méthodes de synthèse à base d’exemples proposées dans la vaste littérature, et même en les combinant astucieusement, celles-ci sont encore incapables d’émuler des textures complexes et non stationnaires. / This dissertation contributes to the problem of exemplar based texture synthesis by introducing the use of local Gaussian patch models to generate new texture images. Exemplar based texture synthesis is the process of generating, from an input texture sample, new texture images that are perceptually equivalent to the input. There are roughly two main categories of algorithms: the statistics based methods and the non parametric patch based methods. The first one aims to characterize a given texture sample by estimating a set of statistics which will define an underlying stochastic process. The results of this kind of methods are satisfying but only on a small group of textures, failing when important structures are visible in the input provided. The second category methods reorganize local neighborhoods from the input sample in a consistent way creating new texture images. These methods return impressive visual results. Nevertheless, they often yield verbatim copies of large parts of the input sample. Furthermore, they can diverge, starting to reproduce iteratively one part of the input sample and neglecting the rest of it, thus growing ``garbage''. In this thesis we propose a technique combining ideas from the statistic based methods and from the non parametric patch based methods. We call it the locally Gaussian method. The method keeps the positive aspects of both categories: the innovation capacity of the parametric methods and the ability to synthesize highly structured textures of the non parametric methods. To this aim, the self-similarities of a given input texture are modeled with conditional multivariate Gaussian distributions in the patch space. In general, the results that we obtain are visually superior to those obtained with statistic based methods while using local parametric models. On the other hand, our results are comparable to the visual results obtained with the non parametric patch based methods. This dissertation addresses another weakness of all patch based methods. They are strongly dependent on the patch size used, which is decided manually. It is therefore crucial to fix a correct patch size for each synthesis. Since texture images have, in general, details at different scales, we decided to extend the method to a multiscale approach which reduces the strong dependency of the method on the patch size. Patch based methods involve a stitching step. Indeed, the patches used for the synthesis process overlap each other. This overlap must be taken into account to avoid any transition artifact from patch to patch. Our first attempt to deal with it was to consider directly the overlap constraints in the local parametric model. The experiments show that for periodic and pseudo-periodic textures, considering these constraints in the parametrization is enough to avoid the stitching step. Nevertheless, for more complex textures it is not enough, and this led us to suggest a new stitching technique inspired by optimal transport and midway histogram equalization.This thesis ends with an extensive analysis of the generation of several natural textures. This study shows that, in spite of remarkable progress for local textures, the methods proposed in the extensive literature of exemplar based texture synthesis still are incapable of dealing with complex and non-stationary textures.

Das Studium von Transportmechanismen in komplexen Organismen stellt eine zentrale Herausforderung dar, nicht nur in medizinischen und biologischen Disziplinen, sondern auch zunehmend in der Physik und Netzwerktheorie. Insbesondere sind bionisch inspirierte Designprinzipien zunehmend relevant, da sie zuverlässige Lösungsansätze zu verschiedenen theoretischen und technischen Problemen bieten. Herausstechend sind dabei vaskuläre Netzwerke in Säugetieren, deren Entwicklung auffällig stark auf Selbstorganisation beruhen und die korrekte Verteilung von Sauerstoff, Wasser, Blut oder Ähnlichem erlaubt. Dies wird erreicht durch ein komplexes biochemisches Signalsystem, welches an makroskopische Stimulationen, wie z. B. Reibung und Stress, gekoppelt ist. Die Morphogenese solcher Flussnetzwerke ist allerdings noch anderen Restriktionen unterworfen, da diese räumlich eingebettete Objekte darstellen. Sie sind als solche signifikant beschränkter in ihrer Skalierbarkeitund Dynamik. Diese Dissertation addressiert daher relevante Fragestellungen zur Charakterisierung von Netzwerken und der Morphogenesesimulationen von drei-dimensional eingebetteten Netzwerken Die Schlüsselmechanismen auf die wir uns hier konzentrieren sind Flussfluktuationen, Interaktionen zwischen Paarstrukturen und die Aufnahme von Nährstoffen. Zu Beginn zeigen wir, wie sich konventionelle Ansätze zu Flussfluktuationen als allgemeine Einparametermodelle darstellen lassen. Wir demonstrieren damit den kontinuierlichen Übergang zu zunehmend vernetzten Strukturen und indizieren Topologieabhängigkeiten der Plexus in Anbetracht dieses Übergangs. Darauf aufbauend formulieren wir ein neues Adaptationsmodell für ineinander verwobene Gefäßnetzwerke wie sie auch in der Leber, Bauchspeicheldrüse oder Niere vorkommen. Wir diskutieren anhand dieser Strukturen lokale Wechselwirkungen von dreidimensionalen Netzwerken. Dadurch können wir zeigen, dass repulsiv gekoppelte Netzwerke fluktuationsinduzierte Vernetzungen auflösen und attraktive Kopplungen einen neuen Mechanismus zur Erzeugung eben jener darstellen. Als nächstes verallgemeinern wir die Murray Regel für solch komplexe Wechselwirkungen und Fluktuationen. Die daraus abgeleiteten Relationen nutzen wir zur Regression der Modellparameter und testen diese an den Gefäßnetzwerken der Leber. Weiterhin verallgemeinern wir konventionelle Transportmodelle für die Nährstoffaufnahme in beliebigem Gewebe und testen diese in Morphogenesemodellen gegen die bekannten Ansätze zur Dissipationsminimierung. Hier zeigen sich komplexe Übergänge zwischen vernetzten Strukturen und unkonventionelles Phasenverhalten. Allerdings indizieren die Ergebnisse Widersprüche zu echten Kapillargefäßen und wir vermuten Adaptationsmethoden ohne Gefäßgrößenänderung als wahrscheinlicheren Mechanismus. Im Ausblick schlagen wir auf unseren Ergebnissen aufbauende Folgemodelle vor, welche die Modellierung komplexer Transportprozesse zwischen verschränkten Gefäßnetzwerken zum Ziel haben.:Introduction 1 1.1 Complex networks in biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Flow networks in mammals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Network morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Modelling flow network adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Metrics for biological flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Scaling in spatial networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Redundancy of flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1 Spatial embedding in metabolic costs models . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Characterizing three-dimensional reticulated networks . . . . . . 17 1.3.3 Optimal design for metabolite uptake . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Theory and Methods 23 2.1 Basic principles and mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.1 Mathematical basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Linear equation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Dynamical systems and optimization . . . . . . . . . . . . . . 25 Graph theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Basic hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Momentum and mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Diffusion-Advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Flow in a thin channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.3 Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Complex transport problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Taylor dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Flow-driven pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Metabolic cost functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Adaptation and topological transitions . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Results 43 3.1 On single network adaptation with fluctuating flow patterns . . . . . . 43 3.1.1 Incorporating flow fluctuations: Noisy, uncorrelated sink patterns 44 3.1.2 Fluctuation induced nullity transitions . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.3 Finite size effects and topological saturation limits . . . . . . . 52 3.2 On geometric coupling between intertwined networks . . . . . . . . . . 55 3.2.1 Power law model of interacting multilayer networks . . . . . . . 55 3.2.2 Adaptation dynamics of intertwined vessel systems . . . . . . . 57 x 3.2.3 Repulsive coupling induced nullity breakdown . . . . . . . . . . 59 3.2.4 Attractive coupling induced nullity onset . . . . . . . . . . . . 66 3.3 On generalizing and applying geometric laws to complex transport networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1 Generalizing Murray’s law for complex flow networks . . . . . . 73 Murray’s law for fluctuating flows . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Murray’s Law for extended metabolic costs models . . . . . . . 77 3.3.2 Interpolating model parameters for intertwined networks . . . . 78 Testing ideal Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.3 Identifying geometrical fingerprints in the liver lobule . . . . . . 85 3.4 On the optimization of metabolite uptake in complex flow networks . . 91 3.4.1 Metabolite transport in thin channel systems . . . . . . . . . . . 91 On single channel solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 On detailed absorption rate models . . . . . . . . . . . . . . . . 93 On linear network solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 On the uptake in spanning tree and reticulated networks . . . . 97 3.4.2 Optimizing metabolite uptake in shear-stress driven systems . . 100 Link-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Volume-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4 Discussion and Outlook 119 4.1 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.1 Metabolite transport in the liver lobule . . . . . . . . . . . . . . 124 Expansion of the Ostrenko model . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Complex multi transport probems in biology . . . . . . . . . . . 127 4.3.2 Absorption rate optimization and microscopic elimination models 128 Appendix A More on coupled intertwined networks 131 A.1 Coupling of Diamond lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.2 Coupling of Laves Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B More on metabolite uptake adaptation 139 B.1 Deriving dynamical systems from demand-supply relationships . . . . . 139 B.2 Microscopic uptake models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 B.2.1 Detailed uptake estimation in single layer systems . . . . . . . . 142 B.2.2 Detailed uptake estimation in liver sinusoids . . . . . . . . . . . 143 B.3 Metabolite uptake in three-dimensional plexi . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.1 Link-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.2 Volume-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bibliography 155 / Understanding the transport of fluid in complex organisms has proven to be a key challenge not only in the medical and biological sciences, but in physics and network theory as well. This is even more so as biologically-inspired design principles have been increasing in popularity, reliably generating solutions to common theoretical and technical problems. On that note, vascular networks in mammalian organs display a magnificent level of self-organization, allowing them to develop and mature, yet miraculously orchestrate the correct transport of oxygen, water, blood etc. This is achieved by a dedicated biochemical feedback system, which is coupled to macroscopic stimuli, such as mechanical stresses. Another important constraint for the morphogenesis of flow networks is their environment, as these networks are spatially embedded. They are therefore exposed to significant constraints with regards to their scalability and dynamical behavior, which are not yet well understood. This thesis addresses the current challenges of network characterization and morphogenesis modeling for three-dimensional embedded networks. In order to derive proper maturation mechanisms, we propose a set of toy models for the creation of non-planar, entangled and reticulated networks. The key mechanisms we focus on in this thesis are flow fluctuation, coupling of pairing structures and metabolite uptake. We show that in accordance with previous theoretical approaches, fluctuation induced nullity can be formulated as a single parameter problem. We demonstrate that the reticulation transition follows a logarithmic law and find plexi with certain topologies to have limited nullity transitions, rendering such plexi intrinsically wasteful in terms of fluctuation generated reticulation. Moreover, we formulate a new coupling model for entangled adapting networks as an approach for vasculature found in the liver lobules, pancreas, kidneys etc. We discuss a model based on local, distance-dependent interactions between pairs of three-dimensional network skeletons. In doing so we find unprecedented delay and breakdown of the fluctuation induced nullity transition for repulsive interactions. In addition we find a new nullity transition emerging for attractive coupling. Next, we study how flow fluctuations and complex metabolic costs can be incorporated into Murray’s Law. Utilizing this law for interpolation, we are able to derive order of magnitude estimation for the parameters in liver networks, suggesting fluctuation driven adaptation to be the dominant factor. We also conclude that attractive coupling is a reasonable mechanism to account for the maintenance of entangled structures. We test optimal metabolite uptake in Kirchhoff networks by evaluating the impact of solute uptake driven dynamics relative to wall-shear stress driven adaptation. Here, we find that a nullity transition emerges in case of a dominant metabolite uptake machinery. In addition to that, we find re-entrant behavior in case of high absorption rates and discover a complex interaction between shear-stress generation and feedback. Nevertheless, we conclude that metabolite uptake optimization is not likely to occur due to radial adaptation alone. We suggest areas for further studies, which should consider absorption rate variation in order to account for realistic uptake profiles. In our outlook, we suggest a complex morphogenesis model for intertwined networks based on the results of this thesis.:Introduction 1 1.1 Complex networks in biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Flow networks in mammals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Network morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Modelling flow network adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Metrics for biological flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Scaling in spatial networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Redundancy of flow networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1 Spatial embedding in metabolic costs models . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Characterizing three-dimensional reticulated networks . . . . . . 17 1.3.3 Optimal design for metabolite uptake . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Theory and Methods 23 2.1 Basic principles and mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.1 Mathematical basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Linear equation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Dynamical systems and optimization . . . . . . . . . . . . . . 25 Graph theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Basic hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Momentum and mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Diffusion-Advection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Flow in a thin channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.3 Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Complex transport problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Taylor dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Flow-driven pruning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Metabolic cost functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Adaptation and topological transitions . . . . . . . . . . . . . . 40 3 Results 43 3.1 On single network adaptation with fluctuating flow patterns . . . . . . 43 3.1.1 Incorporating flow fluctuations: Noisy, uncorrelated sink patterns 44 3.1.2 Fluctuation induced nullity transitions . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.3 Finite size effects and topological saturation limits . . . . . . . 52 3.2 On geometric coupling between intertwined networks . . . . . . . . . . 55 3.2.1 Power law model of interacting multilayer networks . . . . . . . 55 3.2.2 Adaptation dynamics of intertwined vessel systems . . . . . . . 57 x 3.2.3 Repulsive coupling induced nullity breakdown . . . . . . . . . . 59 3.2.4 Attractive coupling induced nullity onset . . . . . . . . . . . . 66 3.3 On generalizing and applying geometric laws to complex transport networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1 Generalizing Murray’s law for complex flow networks . . . . . . 73 Murray’s law for fluctuating flows . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Murray’s Law for extended metabolic costs models . . . . . . . 77 3.3.2 Interpolating model parameters for intertwined networks . . . . 78 Testing ideal Kirchhoff networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.3 Identifying geometrical fingerprints in the liver lobule . . . . . . 85 3.4 On the optimization of metabolite uptake in complex flow networks . . 91 3.4.1 Metabolite transport in thin channel systems . . . . . . . . . . . 91 On single channel solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 On detailed absorption rate models . . . . . . . . . . . . . . . . 93 On linear network solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 On the uptake in spanning tree and reticulated networks . . . . 97 3.4.2 Optimizing metabolite uptake in shear-stress driven systems . . 100 Link-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Volume-wise supply-demand model . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4 Discussion and Outlook 119 4.1 Summary of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.1 Metabolite transport in the liver lobule . . . . . . . . . . . . . . 124 Expansion of the Ostrenko model . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Complex multi transport probems in biology . . . . . . . . . . . 127 4.3.2 Absorption rate optimization and microscopic elimination models 128 Appendix A More on coupled intertwined networks 131 A.1 Coupling of Diamond lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.1.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 A.2 Coupling of Laves Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.1 Repulsive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.2 Attractive coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B More on metabolite uptake adaptation 139 B.1 Deriving dynamical systems from demand-supply relationships . . . . . 139 B.2 Microscopic uptake models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 B.2.1 Detailed uptake estimation in single layer systems . . . . . . . . 142 B.2.2 Detailed uptake estimation in liver sinusoids . . . . . . . . . . . 143 B.3 Metabolite uptake in three-dimensional plexi . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.1 Link-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.3.2 Volume-wise demand adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Bibliography 155