Les rejets d’argent (Ag) dans l’environnement liés à l’exploitation minière aux diverses applications industrielles (e.g. bijouterie, médecine, photographie, électronique et plus récemment les nanotechnologies) font de Ag un polluant historique et émergent, dont les transferts et les effets dans les milieux aquatiques sont largement sous-documentés. Ce travail présente un premier bilan des sources, du transfert et de la bioaccumulation de Ag dans le système fluvio-estuarien de la Gironde. Le continuum Lot-Garonne-Gironde, connu pour une pollution polymétallique (e.g. Cd, Zn) provenant du bassin de Decazeville, est un système modèle pour l’étude des transferts métalliques du continent à l’océan. Les enregistrements des signaux historiques (~50 ans) de Ag dans les sédiments du Lot en amont (Ag : 0,3 mg/kg) et en aval (Ag : jusqu’à 7 mg/kg) du bassin de Decazeville sont similaires à ceux de Cd, indiquant des sources et des processus de transport/dépôt communs liés à l’histoire minière et industrielle jusqu’en 1986. Le lessivage et l’érosion actuels des terrils provoquent localement des concentrations en Ag particulaire (AgP : 260 mg/kg) et dissous (AgD : 1260 ng/l) dans la rivière Riou-Mort qui sont 2 à 3 ordres de grandeur supérieures aux valeurs typiques. Malgré ces fortes concentrations, la contribution du Riou-Mort aux flux de Ag de la Garonne (AgD : 0,008 à 0,041 t/an ; AgP : 0,306 à 2,44 t/an ; 1999-2009) reste faible (AgP : <11% ; AgD : <6%). La Garonne transporte l’essentiel (63-83%) des apports en Ag à l’estuaire principalement sous forme particulaire (96±2%). La détermination du bruit de fond géochimique régional (AgP/ThP=0,026) a permis d’évaluer (i) la contribution naturelle (20% à 65%) aux flux totaux en AgP et (ii) les flux anthropiques spécifiques de AgP (15±10 g/km²/an et 0,24±0,16 g/hab/an) à l’échelle du bassin versant de la Garonne (La Réole). Dans l’estuaire salin, la désorption par les ions chlorures libère ~60% de AgP vers la colonne d’eau (addition), provoquant des concentrations maximales en AgD (6-8 ng/l) à salinité 15-25. La fraction en Ag désorbé correspond à la fraction potentiellement biodisponible ou réactive (i.e. extractible par HCl 1 M). Ainsi, les premières estimations des flux nets indiquent que l’export annuel de Ag vers le domaine côtier est à 50-80% lié à la phase dissoute (0,64 à 0,89 t/an en 2008 et 0,56 à 0,77 t/an en 2009). Bien que plus biodisponible sous forme ionique Ag+ (dominante en eau douce), l’accumulation de Ag dans les organismes estuariens (huîtres, crevettes et anguilles) reflète la pression d’exposition supérieure en eau saumâtre. L’exposition in situ d’anguilles européennes, espèce recommandée pour la biosurveillance du milieu dans le cadre de la Directive Cadre sur l’Eau, dans des cages à différents sites clé de l’estuaire pendant 3 mois, a mis en évidence les voies directes et trophiques de la contamination en Ag à des niveaux de contamination environnementaux. L’enregistrement historique de la contamination en Ag des huîtres de la Gironde (1979-2007, RNO, Ifremer) indique que le bassin de Decazeville a été la source majoritaire en Ag jusqu’en ~1988. Cependant, l’accumulation maximale de Ag dans ces bivalves après 1993 (de ~40 à plus de 100 mg/kg, poids sec) révèle une contribution croissante de sources additionnelles et contemporaines en Ag comme la photographie, l’ensemencement des nuages (30 à 63 kg/an) ou encore les rejets des eaux usées urbaines de Toulouse et de Bordeaux (42 et 57 kg/an). Ce travail constitue une base nécessaire à l’étude des rejets du cycle de Ag (y compris les nanoparticules) dans le milieu aquatique (quantification, transfert et toxicité) et des risques associés. / Silver (Ag) emissions into the environment from former mining activities and various industrial applications (e.g. jewellery, medicine, photography, electronic products and more recently nanotechnology) make Ag both a historic and an emergent pollutant for which information on its transfer and toxicity in aquatic system are scarce. This work provides a first assessment of Ag sources, transfer and bioaccumulation in the Gironde fluvial-estuarine system. The Lot-Garonne-Gironde River continuum, known for its polymetallic pollution (e.g. Cd, Zn) derived from the Decazeville basin, is a model system for studies on metal transfer from watersheds to the ocean. The relationship between historical records (~50 years) of Ag concentrations in sediment cores from the Lot River, upstream (Ag: 0.3 mg/kg) and downstream (Ag: up to 7 mg/kg) of the Decazeville basin and those of Cd constitutes evidence of a common source and transport/settlement processes due to industrial activities until 1986. High particulate Ag (AgP: 260 mg/kg) and dissolved Ag (AgD: 1,260 ng/l) concentrations in the Riou-Mort River were attributed to current leaching and erosion of slag heaps by rainwater. Those concentrations were 2 to 3 orders of magnitude greater than typical values in the Gironde watershed. However, the Riou-Mort River contribution to the Garonne River Ag fluxes (AgD: 0.008-0.041 t/a; AgP: 0.306-2.44 t/an; 1999-2009) remained low (AgP: <11%; AgD: <6%). The Garonne River provided the quasi totality (63-83%) of Ag inputs to the estuary, mainly in its particulate form (96±2%). The regional geochemical background (AgP/ThP=0.026) was useful to estimate (i) the natural contribution (20-65%) to total AgP fluxes and (ii) the anthropogenic specific fluxes of AgP (15±10 g/km²/a and 0.24±0.16 g/hab/a) in the Garonne watershed (La Réole). In the estuarine salinity, chloro-complexation desorbed ~60% of AgP, causing maximalum AgD concentrations (6-8 ng/l) at salinity 15-25 (addition to the dissolved phase). This quantity was similar to the potentially bioavailable or reactive fraction (i.e. extracted by HCl 1 M). The first estimations of net fluxes suggested that 50-80% of the Ag annual export to the coast occurred in the dissolved phase (0.64-0.89 t/a in 2008 and 0.56-0.77 t/a in 2009). Even if the ionic form Ag+ (the main form in freshwater) is considered as the most bioavailable form, Ag accumulation in estuarine organisms (oysters, shrimps and eels) reflected the higher exposition pressure in brackish water. In-situ caging of European Eels (recommended species for the biosurvey of aquatic systems; European Water Framework Directive) in key sites of the Gironde Estuary during 3 months, highlighted the direct and trophic pathways of Ag contamination at the environmental level. The historical record of Ag contamination of the Gironde Estuary oysters (1979-2007, French Mussel Watch, RNO) indicated that the Decazeville basin was a major Ag source until ~1988. However, the maximum Ag accumulation in oysters after 1993 (from ~40 to more than 100 mg/kg, dry weight) suggested an increasing contribution of additional and contemporary Ag sources like photography, cloud seeding (30-63 kg/a) or Toulouse and Bordeaux wastewater effluents (42-57 kg/a). This work is a basis for future work on Ag (including nanoparticles) cycles and related risks in aquatic systems (quantification, transfer and toxicity).

La protection des opérateurs et la surveillance des ambiances de travail en cas de mise en suspension d’aérosols radioactifs, dans un local ventilé d’une installation nucléaire, requièrent la connaissance de l’évolution spatio-temporelle de la concentration en particules, en tout point du local considéré. L’estimation précise de cette concentration a fait l’objet du développement de modèles spécifiques de transport et de dépôt d’aérosols dans un local ventilé, dans le cadre d’une thèse cofinancée par l’IRSN et EDF, en collaboration avec l’IMFT. Un formalisme eulérien de glissement est utilisé pour modéliser le transport des aérosols. Celui-ci est basé sur une unique équation de transport des concentrations en particules (« Diffusion-Inertia model »). L’étude spécifique du dépôt d’aérosols en parois a permis de développer un modèle de couche limite, qui consiste à déterminer précisément le flux de dépôt de particules en parois, quels que soient le régime de dépôt et l’orientation de la surface considérée. Les modèles de transport et de dépôt finalement retenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données de la littérature en géométries simples, puis sur la base de campagnes expérimentales de traçage dans des locaux ventilés d’environ 30 m&#179; et 1500 m&#179;. / When particulate radioactive contamination is likely to become airborne in a ventilated room, assessment of aerosol concentration in every point of this room is important, in order to ensure protection of operators and supervision of workspaces. Thus, a model of aerosol transport and deposition has been developed as part of a project started with IRSN, EDF and IMFT. A simplified eulerian model, called “diffusion-inertia model” is used for particle transport. It contains a single transport equation of aerosol concentration. The specific study of deposition on walls has permitted to develop a boundary condition approach, which determines precisely the particle flux towards the wall in the boundary layer, for any deposition regime and surface orientation.The final transport and deposition models retained have been implemented in a CFD code called Code_Saturne. These models have been validated according to literature data in simple geometries and tracing experiments in ventilated rooms, which have been carried out in 30 m&#179; and 1500 m&#179; laboratory rooms.

La tension interfaciale est une grandeur physico-chimique d'intérêt pour de nombreuses industries et notamment l'industrie pétrolière. Cette grandeur est l'un des paramètres qui permet d'optimiser le rendement d'un puits de pétrole. La difficulté liée à sa mesure dans les conditions réservoirs a amené à étudier les systèmes eau/tensioactif/huile par simulation moléculaire. Ce travail a permis de montrer que la Dynamique Particulaire Dissipative (DPD) était un outil adapté pour l’étude de systèmes eau/tensioactif/huile sous différents aspects, de la caractérisation de la structure des interfaces au calcul de la tension interfaciale. Cette thèse a permis la démonstration de l’influence non-négligeable de la variation des paramètres de la force harmonique, l’amplitude K et la distance d’équilibre r0 , sur le calcul de la tension interfaciale et sur la structure des interfaces à forte concentration en tensioactif. En effet, la structure des tensioactifs aux interfaces est le résultat d’une balance subtile entre les forces intra et inter moléculaire. L’étude d’une population modèle de tensioactifs non chargés a permis de montrer que la DPD reproduit bien l'évolution de la tension interfaciale en fonction de la concentration en tensioactif en solution et en fonction du coefficient de partage de tensioactifs modèles non chargés. Une méthodologie est proposée pour caractériser les systèmes contenant des interfaces et où la tension interfaciale est calculée.Des travaux prospectifs ont permis de montrer que la DPD permettait d'étudier des phénomènes liés à la tension interfaciale comme le mûrissement d'Ostwald dans les émulsions d'huile dans l'eau. Ces derniers travaux ouvrent la voie à l’étude d’autres systèmes d’intérêt pour le milieu pétrolier comme le décollement de gouttes de pétroles adsorbées sur des parois ou l’étude d’émulsions pétrolières. / The interfacial tension is a physical-chemical property that numerous industrial areas have an interest of especially the petroleum industry. This property is one of the many which helps to optimize production wells' rate of return. Measuring that property in reservoir's conditions (high pressure and temperature) is highly difficult and led to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. The difficulty to measure that specific physical-chemical property linked to the pressure and temperature conditions in the reservoirs led the scientists to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. This thesis establishes that the Dissipative Particle Dynamics (DPD) is able to study water/surfactant/oil systems. The study of the effect of the variation of the harmonic force's parameters, namely the force constant K and the equilibrium distance r0, demonstrated that their variation can heavily influence the interfacial tension computation. Actually, a subtle balance exists between the intra and inter-molecular interactions, which influences the local structure of the surfactants at the oil-water interface, modifies the interfacial tension and influences the interface stability. It was demonstrated that DPD reproduces the variation of interfacial tension with the bulk surfactant concentration and the effect of the variation of hydrophobicity of models of un-charged surfactants on interfacial tension by mean of their coefficient partition. We established a method to properly study systems containing interfaces where interfacial tension is computed. Prospective work showed that DPD was a good tool to study microscopic phenomenon which can be observed macroscopically like the Ostwald ripening in oil in water emulsions. This is a first step before studying others systems of interest for the petroleum industry such as oil/water emulsion or the adsorption of oil droplets on rock wall.

Ce travail de thèse porte sur la quantification de la diazotrophie et son influence sur les cycles biogéochimiques dans l'océan de surface Pacifique tropical sud-ouest, une région particulièrement sous-échantillonnée à ce jour. Les objectifs de ce travail étaient (1) de quantifier la fixation de N2 et identifier les principaux acteurs de la diazotrophie dans cette région, (2) d’évaluer l'influence de la fixation de N2 sur la production primaire et sur l'export de carbone, (3) d’identifier les voies de transfert de l’azote fixé dans la chaine trophique planctonique.Il a été mis en évidence que la région du Pacifique tropical sud-ouest était un hot spot de fixation de N2. A l'ouest, les eaux oligotrophes des archipels Mélanésiens présentaient des taux de fixation de N2 élevés et la communauté diazotrophe était dominée par Trichodesmium. A l'est, les eaux ultra-oligotrophes de la gyre du Pacifique sud présentaient des taux de fixation de N2 plus faibles et la communauté diazotrophe était dominée par les UCYN-B.Des bilans d'azote montrent que la fixation de N2 contribuait à plus de 90 % des apports d'azote nouveau dans la couche euphotique, et soutenait donc la quasi intégralité de la production primaire nouvelle. L'étude des voies de transfert de l'azote fixé montre qu’entre 7 et 15 % de la fixation de N2 totale était transféré vers les organismes non-diazotrophes.Ces travaux de thèse démontrent que la diazotrophie soutient la pompe biologique dans l'océan Pacifique tropical sud-ouest, et qu'elle peut jouer un rôle déterminant dans la structure des communautés planctoniques et les cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote dans les régions oligotrophes. / This PhD thesis focuses on the quantification of diazotrophy and its influence on biogeochemical cycles in the western tropical South Pacific Ocean, a critically under-sampled region so far. The aim of this work is to (1) quantify N2 fixation and identify the main contributors of diazotrophy in this region, (2) assess the influence of N2 fixation on primary production and carbon export, (3) identify transfer pathways of the fixed nitrogen in the planktonic food web.We have found that the western tropical South Pacific Ocean was a hotspot of N2 fixation. In the western part, the oligotrophic waters of the Melanesian archipelago presented high N2 fixation rates and diazotrophes were dominated by Trichodesmium. In the eastern part, the ultra-oligotrophic waters of the South Pacific gyre presented lower N2 fixation rates, and diazotrophs were dominated by UCYN-B.The nitrogen budgets show that N2 fixation contributed to more than 90 % of the of new nitrogen input in the photic layer. The study of the transfer pathways of the fixed nitrogen has shown that 7 to 15 % of total N2 fixation was transferred to non-diazotrophs.This PhD thesis indicates that diazotrophy sustains the biological pump in the western tropical South Pacific Ocean, and can have a critical influence in the planktonic community structure and in biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in oligotrophic regions.

Dans cette thèse nous intéressons à la conception d'un robot mobile capable d’analyser le comportement et le mouvement d’une personne en environnement intérieur et encombré, par exemple le domicile d’une personne âgée. Plus précisément, notre objectif est de doter le robot des capacités de perception visuelle de la posture humaine de façon à mieux maîtriser certaines situations qui nécessitent de comprendre l’intention des personnes avec lesquelles le robot interagit, ou encore de détecter des situations à risques comme les chutes ou encore d’analyser les capacités motrices des personnes dont il a la garde. Le suivi de la posture dans un environnement dynamique et encombré relève plusieurs défis notamment l'apprentissage en continue du fond de la scène et l'extraction la silhouette qui peut être partiellement observable lorsque la personne est dans des endroits occultés. Ces difficultés rendent le suivi de la posture une tâche difficile. La majorité des méthodes existantes, supposent que la scène est statique et la personne est toujours visible en entier. Ces approches ne sont pas adaptées pour fonctionner dans des conditions réelles. Nous proposons, dans cette thèse, un nouveau système de suivi capable de suivre la posture de la personne dans ces conditions réelles. Notre approche utilise une grille d'occupation avec un modèle de Markov caché pour apprendre en continu l'évolution de la scène et d'extraire la silhouette, ensuite un algorithme de filtrage particulaire hiérarchique est utilisé pour reconstruire la posture. Nous proposons aussi un nouvel algorithme de gestion d'occlusion capable d'identifier et d'exclure les parties du corps cachées du processus de l'estimation de la pose. Finalement, nous avons proposé une base de données contenant des images RGB-D avec la vérité-terrain dans le but d'établir une nouvelle référence pour l'évaluation des systèmes de capture de mouvement dans un environnement réel avec occlusions. La vérité-terrain est obtenue à partir d'un système de capture de mouvement à base de marqueur de haute précision avec huit caméras infrarouges. L'ensemble des données est disponible en ligne. La deuxième contribution de cette thèse, est le développement d'une méthode de localisation visuelle à partir d'une caméra du type RGB-D montée sur un robot qui se déplace dans un environnement dynamique. En effet, le système de capture de mouvement que nous avons développé doit équiper un robot se déplaçant dans une scène. Ainsi, l'estimation de mouvement du robot est importante pour garantir une extraction de silhouette correcte pour le suivi. La difficulté majeure de la localisation d'une caméra dans un environnement dynamique, est que les objets mobiles de la scène induisent un mouvement supplémentaire qui génère des pixels aberrants. Ces pixels doivent être exclus du processus de l'estimation du mouvement de la caméra. Nous proposons ainsi une extension de la méthode de localisation dense basée sur le flux optique pour isoler les pixels aberrants en utilisant l'algorithme de RANSAC. / In this thesis we are interested in designing a mobile robot able to analyze the behavior and movement of a a person in indoor and cluttered environment. Our goal is to equip the robot by visual perception capabilities of the human posture to better analyze situations that require understanding of person with which the robot interacts, or detect risk situations such as falls or analyze motor skills of the person. Motion capture in a dynamic and crowded environment raises multiple challenges such as learning the background of the environment and extracting the silhouette that can be partially observable when the person is in hidden places. These difficulties make motion capture difficult. Most of existing methods assume that the scene is static and the person is always fully visible by the camera. These approaches are not able to work in such realistic conditions. In this thesis, We propose a new motion capture system capable of tracking a person in realistic world conditions. Our approach uses a 3D occupancy grid with a hidden Markov model to continuously learn the changing background of the scene and to extract silhouette of the person, then a hierarchical particle filtering algorithm is used to reconstruct the posture. We propose a novel occlusion management algorithm able to identify and discards hidden body parts of the person from process of the pose estimation. We also proposed a new database containing RGBD images with ground truth data in order to establish a new benchmark for the assessment of motion capture systems in a real environment with occlusions. The ground truth is obtained from a motion capture system based on high-precision marker with eight infrared cameras. All data is available online. The second contribution of this thesis is the development of a new visual odometry method to localize an RGB-D camera mounted on a robot moving in a dynamic environment. The major difficulty of the localization in a dynamic environment, is that mobile objects in the scene induce additional movement that generates outliers pixels. These pixels should be excluded from the camera motion estimation process in order to produce accurate and precise localization. We thus propose an extension of the dense localization method based on the optical flow method to remove outliers pixels using the RANSAC algorithm.

Dans le domaine du contrôle non-destructif par ultrasons l’utilisation de sondes ultrasonores pouvant fonctionner en continue à des températures à minima de 300°C serait d’un grand intérêt. Par exemple, cela pourrait concerner le contrôle de santé de structures de l’industrie nucléaire ou pétrolière. Plus fondamentalement, de telles sondes pourraient être également utilisées pour caractériser le comportement mécanique d’une large gamme de matériaux soumis à des stress thermiques et réaliser par exemple le suivi de l’endommagement et de vieillissement de ces matériaux. Or, commercialement il n’existe pas de sondes ultrasonores pouvant fonctionner à de telles températures, cela reste du domaine de la recherche.Une sonde ultrasonore est constituée de 3 éléments principaux : le dos, l’élément actif et la face avant. Des éléments actifs pouvant fonctionner à des températures très élevées existent, citons à titre d’exemple le LiNb03 (température de curie de 1350°C). Toutefois dans l’objectif d’obtenir des sondes ultrasonores performantes à hautes températures il est nécessaire d’optimiser les propriétés et également le couplage acoustique de chacun des trois constituants de la sonde. Le dos est un élément important qui, par atténuation de l’onde émise en face arrière de l’élément actif, permet de contrôler la bande passante et la sensibilité des sondes.Le présent travail de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de composites particulaires métalliques utilisés comme dos de sondes ultrasonores destinées à fonctionner à hautes températures. Les composites sont réalisés par pressage uni-axial d’une poudre servant de matrice et d’une deuxième de diffuseur. Durant ce travail exploratoire nous avons mis au point un protocole de fabrication qui nous a permis de réaliser des composites d’étain/sn ayant des propriétés acoustiques intéressantes (atténuation et impédance). Pour caractériser nos échantillons un banc de spectroscopie ultrasonore a été spécifiquement mis en œuvre / In the field of ultrasonic non-destructive testing, the use of ultrasonic transducer which can operate continuously at temperatures of at least 300 ° C. would be of great interest. For example, this could concern the health control of structures in the nuclear or petroleum industry. More fundamentally, such probes could also be used to characterize the mechanical behavior of a wide range of materials subjected to thermal stresses and, for example, to monitor the damage and aging of these materials. However, commercially, there are no ultrasonic probes that can operate at such temperatures, but this is still a research area.An ultrasonic probe consists of 3 main elements: the back, the active element and the front face. Active elements which can operate at very high temperatures exist, for example LiNbO 3 (curie temperature of 1350 ° C.). However, in order to obtain high-performance ultrasonic probes at high temperatures, it is necessary to optimize the properties and also the acoustic coupling of each of the three components of the probe. The back is an important element which, by attenuation of the wave emitted on the back of the active elements, allows to control the bandwidth and the sensitivity of the probes.The present thesis deals with the realization and characterization of metallic particulate composites used as backs of ultrasonic probes intended to operate at high temperatures. The composites are produced by uni-axial pressing of a matrix powder and a second diffuser. During this exploratory work, we developed a manufacturing protocol that allowed us to produce tin / sn composites with interesting acoustic properties (attenuation and impedance). To characterize our samples a bench of ultrasonic spectroscopy has been specifically implemented

Le modèle physique masses interactions est puissant pour la simulation de comportements dynamiques très divers et pour la production de mouvements expressifs, riches et d'une grande complexité. En revanche, une difficulté inhérente à ce type de formalisme pour la production d'images animées réside dans le fait que les masses ponctuelles n'ont pas de spatialité ; il est donc difficile de produire des séquences d'images animées par le rendu direct des masses ponctuelles décrivant le mouvement. D'une manière générale, il est donc nécessaire de développer des méthodes qui étendent la spatialité de ces masses ponctuelles pour compléter la chaîne de production d'images animées par modèle physique particulaire. Une méthode, proposée par le laboratoire ICA, répond à ce type de problématique en permettant d'étendre la spatialité des masses ponctuelles en considérant l'interaction physique entre ces masses et un milieu. Il s'agit d'une métaphore du procédé physique de la gravure. Celle ci a permis de produire des images animées convaincantes de divers phénomènes visuels. Nous présentons dans ce document un élargissement de cette méthode notamment au cas 3D, ainsi qu'à de nouveaux comportements. De plus, l'algorithme de cette méthode a été parallélisé, ce qui nous a permis d'obtenir des simulations calculées en temps réel en utilisant la puissance actuelle des cartes graphiques. Afin de maitriser au mieux les possibilités de la méthode, nous avons développé un logiciel comprenant une interface graphique manipulable et interactive permettant de modéliser avec aisance différents comportements. Cette méthode a été intégrée dans des installations interactives artistiques multi-sensorielles fournissant un comportement dynamique riche et configurable, tout en permettant une interaction en temps réel avec le spectateur. / Mass – Interaction physical modeling is a powerful formalism for the simulation of various dynamic behaviors and for the production of expressive, rich and complex motions. However, there is an inherent matter of this type of formalism for animation production, which resides on the fact that masses have no spatiality. Thus, it is difficult to produce animation sequences directly from rendering mass point describing the movement. It is then necessary to develop methods that extend the masses spatiality in order to complete the animation process. ICA Laboratory addressed the problem with a method based on the physical simulation of interaction between these masses and a dynamic milieu, according to the metaphor of engraving. We present in this document an extension of this method notably towards 3D and other effects. Besides, the parallel implementation on Graphic Cards (GPU) allowed obtaining real time simulation. An interactive graphical interface was also developed to facilitate the creation of different models. We used this process in multi-sensory interactive art installations for its rich and dynamic ability to create shape from motion and interact in real time with spectators.

L'oculométrie est un ensemble de techniques dédié à enregistrer et analyser les mouvements oculaires. Dans cette thèse, je présente l'étude, la conception et la mise en œuvre d'un système oculométrique numérique, non-intrusif permettant d'analyser les mouvements oculaires en temps réel avec une webcam à distance et sans lumière infra-rouge. Dans le cadre de la réalisation, le système oculométrique proposé se compose de quatre modules: l'extraction des caractéristiques, la détection et le suivi des yeux, l'analyse de la variété des mouvements des yeux à partir des images et l'estimation du regard par l'apprentissage. Nos contributions reposent sur le développement des méthodes autour de ces quatre modules: la première réalise une méthode hybride pour détecter et suivre les yeux en temps réel à partir des techniques du filtre particulaire, du modèle à formes actives et des cartes des yeux (EyeMap); la seconde réalise l'extraction des caractéristiques à partir de l'image des yeux en utilisant les techniques des motifs binaires locaux; la troisième méthode classifie les mouvements oculaires selon la variété générée par le Laplacian Eigenmaps et forme un ensemble de données d'apprentissage; enfin, la quatrième méthode calcul la position du regard à partir de cet ensemble d'apprentissage. Nous proposons également deux méthodes d'estimation:une méthode de la régression par le processus gaussien et un apprentissage semi-supervisé et une méthode de la catégorisation par la classification spectrale (spectral clustering). Il en résulte un système complet, générique et économique pour les applications diverses dans le domaine de l'oculométrie. / Gaze tracker offers a powerful tool for diverse study fields, in particular eye movement analysis. In this thesis, we present a new appearance-based real-time gaze tracking system with only a remote webcam and without infra-red illumination. Our proposed gaze tracking model has four components: eye localization, eye feature extraction, eye manifold learning and gaze estimation. Our research focuses on the development of methods on each component of the system. Firstly, we propose a hybrid method to localize in real time the eye region in the frames captured by the webcam. The eye can be detected by Active Shape Model and EyeMap in the first frame where eye occurs. Then the eye can be tracked through a stochastic method, particle filter. Secondly, we employ the Center-Symmetric Local Binary Patterns for the detected eye region, which has been divided into blocs, in order to get the eye features. Thirdly, we introduce manifold learning technique, such as Laplacian Eigen-maps, to learn different eye movements by a set of eye images collected. This unsupervised learning helps to construct an automatic and correct calibration phase. In the end, as for the gaze estimation, we propose two models: a semi-supervised Gaussian Process Regression prediction model to estimate the coordinates of eye direction; and a prediction model by spectral clustering to classify different eye movements. Our system with 5-points calibration can not only reduce the run-time cost, but also estimate the gaze accurately. Our experimental results show that our gaze tracking model has less constraints from the hardware settings and it can be applied efficiently in different real-time applications.

La géolocalisation indoor en temps réel a largement été étudiée ces dernières années, et de nombreuses applications y sont associées. Une estimation en temps différé de la trajectoire présente également un certain intérêt. La géolocalisation indoor en temps différé permet par exemple de développer des approches de type crowdsourcing qui tirent profit d'un grand nombre d'utilisateurs afin de récolter un grand nombre de mesures : la connaissance du trajet d'un utilisateur muni d'un smartphone permet par exemple d'alimenter une carte de fréquentation du bâtiment. Estimer la trajectoire de cet utilisateur ne nécessite pas de traitement en temps réel et peut s'effectuer en temps différé ce qui offre deux avantages. D'abord, l'approche temps réel estime une position courante uniquement avec les mesures présentes et passées, alors que l'approche temps différé permet d'avoir accès à l'ensemble des mesures et permet d'obtenir une trajectoire estimée plus régulière et plus précise qu'en temps réel. Par ailleurs, cette estimation peut se faire sur un serveur et n'a pas besoin d'être portée par un smartphone comme c'est le cas en temps réel, ce qui permet d'utiliser une puissance de calcul et un volume mémoire plus importants. L'objet de ces travaux de thèse est de proposer une estimation de la trajectoire d'un individu se déplaçant avec un smartphone recevant des mesures de puissance wifi ou bluetooth (RSS) et enregistrant des mesures inertielles (IMU). En premier lieu, sans la connaissance de la position des murs de la carte, un modèle paramétrique est proposé, basé sur un modèle de propagation d'onde adaptatif pour les mesures RSS ainsi que sur une modélisation par morceaux de la trajectoire inertielle, issue des mesures IMU. Les résultats obtenus en temps différé ont une moyenne d'erreur de 6.2m contre 12.5men temps réel. En second lieu, l'information des contraintes de déplacement induites par la présence des murs du bâtiment est ajoutée et permet d'affiner l'estimation de la trajectoire avec une technique particulaire, comme il est couramment utilisé dans la littérature. Cette seconde approche a permis de développer un lisseur particulaire ainsi qu'un estimateur du maximum a posteriori par l'algorithme de Viterbi. D'autres heuristiques numériques ont été présentées. Une première heuristique ajuste le modèle d'état de l'utilisateur, qui est initialement uniquement basé sur les mesures IMU, à partir du modèle paramétrique développé sans les murs. Une seconde heuristique met en œuvre plusieurs réalisations d'un filtre particulaire et définit deux scores basés sur les mesures RSS et sur la continuité de la trajectoire. Les scores permettent de sélectionner la meilleure réalisation du filtre. Un algorithme global, regroupant l'ensemble de ces approche permet d'obtenir une erreur moyenne de 3.6m contre 5.8m en temps réel. Enfin, un modèle d'apprentissage statistique basé sur des forêts aléatoires a permis de distinguer les trajectoires qui ont été correctement estimées en fonction d'un faible nombre de variables, en prévision d'une application au crowdsourcing. / Real time indoor geolocalization has recently been widely studied, and has many applications. Off-line (post-processing) trajectory estimation also presents some interest. Off-line indoor geolocalization makes it possible for instance to develop crowdsourcing approaches that take advantage of a large number of users to collect a large number of measurements: knowing the trajectory of a smartphone user makes it possible for instance to feed an attendance map. Estimating this trajectory does not need to be performed in real-time and can be performed off-line, two main benefits. Firstly, the real-time approach estimates a current position using present and past measurements only, when the off-line approach has access to the whole measurements, and makes it possible to obtain an estimated trajectory that is smoother and more accurate than with a real-time approach. Secondly, this estimation can be done on a server and does not need to be implemented in the smartphone as it is the case in the real-time approach, with the consequence that more computing power and size memory are available. The objective of this PhD is to provide an off-line estimation of the trajectory of a smartphone user receiving signal strength (RSS) of wifi or bluetooth measurements and collecting inertial measurements (IMU). In the beginning, without the floorplan of the building, a parametric model is proposed, based on an adaptive pathloss model for RSS measurements and on a piecewise parametrization for the inertial trajectory, obtained with IMU measurements. Results are an average error of 6.2mfor the off-line estimation against 12.5m for the real-time estimation. Then, information on displacement constraints induced by the walls is considered, that makes it possible to adjust the estimated trajectory by using a particle technique as often done in the state-of-the-art. With this second approach we developped a particle smoother and a maximum a posteriori estimator using the Viterbi algorithm. Other numerical heuristics have been introduced. A first heuristic makes use of the parametric model developed without the floorplan to adjust the state model of the user which was originally based on IMUalone. A second heuristic proposes to performseveral realization of a particle filter and to define two score functions based on RSS and on the continuity of the estimated trajectory. The scores are then used to select the best realization of the particle filter as the estimated trajectory. A global algorithm, which uses all of the aforementioned approaches, leads to an error of 3.6m against 5.8m in real-time. Lastly, a statistical machine learning model produced with random forests makes it possible to distinguish the correct estimated trajectories by only using few variables to be used in a crowdsourcing framework.

La navigation inertielle grâce aux capteurs intégrés dans les smartphones permet d’assurer une géolocalisation continue même en absence de signal GNSS. Ces capteurs bas coût délivrent néanmoins des mesures bruitées qui engendrent une dérive de la trajectoire. La technique PDR qui est une technique de navigation inertielle par détection de pas souffre de deux limites principales. La première est l’estimation de la longueur de pas car cette dernière dépend des caractéristiques physiques de chaque utilisateur, et la seconde est le résultat d’une dérive angulaire combinée avec un biais lié au portage du capteur à la main. Dans le contexte du projet HAPPYHAND, ce travail s’intéresse à l’exploitation de la carte pour corriger ces différentes erreurs. Un réseau de navigation topologique est exploité pour corriger à la fois les erreurs angulaires et calibrer le modèle de longueur de pas. Ce modèle est ensuite augmenté par un processus de mise à jour de position par détection de points d’intérêt. / Smartphone navigation using the low-cost embedded sensors in off the shelf smartphones can provide a continuous solution in GNSS-denied environments. The most widely adopted approach is Pedestrian Dead Reckoning (PDR) that uses acceleration and angular velocity to estimate the user’s position. Yet, consumer grade sensors deliver noisy measurements that may result into a drift in the estimated trajectory. One major challenge is to estimate accurately step length information since it depends on physiological features that are specific to each user. In addition, angular biases are more likely to be introduced in the orientation estimation process with handheld devices. This is mainly due to the high degree of freedom of hand motion. In the context of a national project called HAPPYHAND, the main goal of this work is to exploit map information as far as possible in order to mitigate the previous inherent limitations to the PDR approach. First, a topological network extracted from the map is proposed in order to correct the angular errors and calibrate the step length model. Second, context awareness is adopted in order to provide regular and frequent position updates thanks to a point of interest online detection scheme.