Cette thèse aborde le problème du calcul de manière fiable d'un champ de mouvement 3D, appelé flot de scène, à partir d'une paire d'images RGBD prises à des instants différents. Nous proposons un schéma d'estimation semi-rigide pour le calcul robuste du flot de scène, en prenant compte de l'information de couleur et de profondeur, et un cadre de minimisation alternée variationnelle pour récupérer les composantes rigides et non rigides du champ de mouvement 3D. Les tentatives précédentes pour estimer le flot de scène à partir des images RGBD étaient des extensions des approches de flux optique, et n'exploitaient pas totalement les données de profondeur, ou bien elles formulaient l'estimation dans l'espace 3D sans tenir compte de la semi-rigidité des scènes réelles. Nous démontrons que le flot de scène peut ^etre calculé de manière robuste et précise dans le domaine de l'image en reconstruisant un mouvement 3D cohérent avec la couleur et la profondeur, en encourageant une combinaison réglable entre rigidité locale et par morceaux. En outre, nous montrons que le calcul du champ de mouvement 3D peut être considéré comme un cas particulier d'un problème d'estimation plus général d'un champ de mouvements rigides à 6 dimensions. L'estimation du flot de scène est donc formulée comme la recherche d'un champ optimal de mouvements rigides. Nous montrons finalement que notre méthode permet d'obtenir des résultats comparables à l'état de l'art. / This thesis addresses the problem of reliably recovering a 3D motion field, or scene flow, from a temporal pair of RGBD images. We propose a semi-rigid estimation framework for the robust computation of scene flow, taking advantage of color and depth information, and an alternating variational minimization framework for recovering rigid and non-rigid components of the 3D motion field. Previous attempts to estimate scene flow from RGBD images have extended optical flow approaches without fully exploiting depth data or have formulated the estimation in 3D space disregarding the semi-rigidity of real scenes. We demonstrate that scene flow can be robustly and accurately computed in the image domain by solving for 3D motions consistent with color and depth, encouraging an adjustable combination between local and piecewise rigidity. Additionally, we show that solving for the 3D motion field can be seen as a specific case of a more general estimation problem of a 6D field of rigid motions. Accordingly, we formulate scene flow estimation as the search of an optimal field of twist motions achieving state-of-the-art results.STAR

L’imagerie de filtrage en polarisation est une technique populaire largement utilisée en optique pour le biomédical pour le sondage des tissus superficiels, pour le sondage de volumes plus profonds, mais aussi pour l’examen sélectif de volumes sub-surfaciques. Du fait de l’effet de ’mémoire de polarisation’ de la lumière polarisée, l’imagerie de filtrage en polarisation elliptique est sensible á des épaisseurs de tissus différentes, depuis la surface, accessible avec la polarisation linéaire, jusqu’á une épaisseur critique accessible par la polarisation circulaire. Nous nous concentrons sur des méthodes utilisant des combinaisons de polarisations elliptiques afin de sélectionner la portion de lumière ayant maintenu son état de polarisation et éliminer le fond pour un meilleur contraste avec de plus une information sur la profondeur. Avec ce type de filtrage, il est possible d’accéder á des profondeurs de tissus biologiques bien définies selon l’ellipticité de polarisation. De plus, ces travaux ont permis d’étendre la méthode á la spectroscopie pour quantifier la concentration en chromophores á une profondeur spécifique. Les méthodes développées ont été validées in vivo á l’aide d’expériences réalisées sur des anomalies de la peau et aussi sur le cortex exposé d’un rat anesthésié. Enfin, une étude préliminaire a été réalisée pour examiner la possibilité d’étendre la méthode á l’imagerie de 'speckle'. Des tests préliminaires réalises sur fantômes montrent l’influence de l’ellipticité de polarisation sur la formation et le comportement du speckle, ce qui offre la possibilité d’accéder á des informations sur le flux sanguin á des profondeurs spécifiques dans les tissus. / Polarization gating imaging is a popular and widely used imaging technique in biomedical optics to sense tissues, deeper volumes, and also selectively probe sub-superficial volumes. Due to the ‘polarization memory’ effect of polarized light, elliptical polarization gating allows access to tissue layers between those of accessible by linear or circular polarizations. As opposed to the conventional linearly polarized illumination, we focus on polarization gating methods that combine the use of elliptically polarized light to select polarization-maintaining photons and eliminate the background while providing superior contrast and depth information. With gating, it has also become possible to access user-defined depths (dependent on optical properties) in biological tissues with the use of images at different ellipticities. Furthermore, this investigation allowed the application of polarization gating in spectroscopy to selectively quantify the concentration of tissue chromophores at user-desired depths. Polarization gating methods have been validated and demonstrated with in vivo experiments on abnormalities of human skin (nevus, burn scar) and also on the exposed cortex of an anaesthetized rat. Finally, as a first step towards the use of coherent illumination, adding the concept of polarimetry to laser-speckle imaging was demonstrated. Preliminary tests on phantoms (solid and liquid) suggested evidence of the influence of polarization ellipticity on the formation and behaviour of speckles, which could pave the way for more insight in the study of blood flow in tissues.

Le taux de matière organique (MO) d'un sol influence ses propriétés physico-chimiques et son activité biologique. La dynamique de cette MO, particulaire ou dissoute, influence également la concentration de CO2 atmosphérique et joue ainsi un rôle sur les changements climatiques. Une des réponses à la diminution du stock de carbone dans les sols est l'apport de matière organique exogène. Le carbone organique dissous, intervenant dans les principaux mécanismes de préservation et/ou dégradation de la matière organique du sol (MOS), n'est cependant que peu pris en compte lors de l'étude de ces apports exogènes. Le principal objectif de cette étude est de mieux caractériser les MOD présentes dans les horizons de surface d'un sol. Les eaux collectées par bougies poreuses sur quatre profondeurs (15 à 100 cm) proviennent de parcelles amendées en 2006 (150 t/ha de compost de déchets verts et bio-déchets) et de parcelles témoins sous prairie. Les eaux ont été caractérisées par l'intermédiaire des techniques analytiques globales et moléculaires (spectrofluorimétrie, chromatographie d'exclusion de taille, thermochimiolyse, CG/SM). Les résultats de cette étude ont mis en évidence pour les deux types de parcelles une variabilité de la MOD (taille et polarité) suivant la profondeur et la saison. Le suivi de la MOS/MOD, et plus particulièrement des composés lipidiques, a permis de confirmer la séquestration du carbone organique exogène. La caractérisation de la MOD s'avère ainsi être un indicateur de la qualité des sols. / Organic matter (OM) content influences soil physical and chemical properties and its microbial activity. OM, particulate or dissolved, plays a key role on climate changes. Exogenous organic matter amendments are used to tackle the various problems associated with the decrease in soil carbon content. Dissolved Organic Carbon (DOC), involved in main mechanisms of preservation and / or degradation of organic matter is however only scarcely taken into account in the study of such amendments. The main objective of this study was to better characterize the DOM present in the surface horizons of a soil. The percolating waters collected from 2006 amended plots (150 t/ha of green waste and bio-waste compost) and reference plots are characterized by global and molecular techniques (fluorescence spectroscopy, size exclusion chromatography, themochemolysis, GC/MS). Size and polarity of DOM molecules change depending on seasons and depths. These analyses reveal exogenous organic carbon sequestration. DOM study is thus part of the quality soil indexes.

Certaines arythmies cardiaques (comme la fibrillation atriale) peuvent être traitées par des ablations intracardiaques qui consistent à bruler les substrats endocardiaques spécifiques. Des lésions non-transmurales sont responsables des récidives d'arythmies. A ce jour, la profondeur de la lésion à l'intérieur de l'endocarde ne peut pas être déterminée avec précision durant les procédures. Ce travail exploratoire est basé sur la caractérisation de tissus biologiques (in vitro) dans la gamme des micro-ondes. Pour évaluer la profondeur de la brulure, une technique de réflexion avec une sonde coaxiale en contact avec les tissus est utilisée. Les mesures ont été réalisées sur une large gamme de fréquences (100 MHz à 6 GHz). La variation relative du coefficient de réflexion est étudiée afin de déterminer la profondeur de la brulure du tissu. Une évolution du signal est observée en fonction de la profondeur de brulure. La détermination de la profondeur de brulure du tissu dans un milieu liquide est alors possible. / Cardiac arrhythmia substrates may be treated by intracardiac ablations which consist in burning specific atrial or ventricular endocardial substrates. Created lesions which are not transmural may be responsible for arrhythmia recurrences. To date, the depth of the lesion inside the endocardium can't be assessed accurately during the procedures. Our experimental work has focused on microwave characterization of biological tissues (in vitro) to assess the burn depth. Using a reflection technique with a coaxial probe in contact with tissues, measurements were made over a wide frequency range (100 MHz to 6 GHz). The measured reflection coefficient is known to be directly related to the dielectric properties of the tissues. We therefore measured the relative variation of the reflection of the tissue. In order to determine the burn depth of the tissue, the imaginary part of the relative variation is studied as a function of the real part of the relative variation for each frequency. Thus, we observe an evolution of the signal as a function of the burn depth. The determination of the tissue burned depth in a liquid medium is possible.

Les clones de visage 3D peuvent être utilisés dans de nombreux domaines tels que l'interaction homme-machine et comme prétraitement dans des applications telles que l'analyse de l'émotion. Toutefois, ces clones doivent avoir la forme du visage bien modélisée tout en conservant les spécificités des individus et ils doivent être sémantiques. Un clone est sémantique quand on connaît la position des différentes parties du visage (yeux, nez ...). Dans notre technique, nous utilisons un capteur RVB-Z pour obtenir les spécificités des individus et un modèle déformable de visage 3D pour marquer la forme du visage. Pour la reconstruction de la forme, nous inversons le processus utilisé classiquement. En effet, nous réalisons d'abord le fitting puis la fusion de données. Pour chaque trame de profondeur, nous gardons les parties appropriées de données appelées patchs de forme. Selon le positionnement de ces patchs, nous fusionnons les données du capteur ou les données du modèle déformable de visage 3D. Pour la reconstruction de la texture, nous utilisons des patchs de forme et de texture pour préserver les caractéristiques de la personne. Ils sont détectés à partir des cartes de profondeur du capteur. Les tests que nous avons effectués montrent la robustesse et la précision de notre méthode. / 3D face clones can be used in many areas such as Human-Computer Interaction and as pretreatment in applications such as emotion analysis. However, such clones should have well-modeled facial shape while keeping the specificities of individuals and they should be semantic. A clone is semantic when we know the position of the different parts of the face (eyes, nose...). In our technique, we use a RGB-D sensor to get the specificities of individuals and 3D Morphable Face Model to mark facial shape. For the reconstruction of the shape, we reverse the process classically used. Indeed, we first perform fitting and then data fusion. For each depth frame, we keep the suitable parts of data called patches. Depending on the location, we merge either sensor data or 3D Morphable Face Model data. For the reconstruction of the texture, we use shape and texture patches to preserve the person's characteristics. They are detected using the depth frames of a RGB-D sensor. The tests we perform show the robustness and the accuracy of our method.

Nous nous étudions ici le problème d'Euler avec surface libre sur un fond non plat et dans un régime fortement non linéaire où l'hypothèse de faible amplitude de l'équation de KdV n'est pas vérifiée. On sait que, pour un tel régime, une généralisation de l'équation de KdV peut être dérivée et justifiée lorsque le fond est plat. Nous généralisons ici ces résultats en proposant une nouvelle classe d'équations prenant en compte des topographies variables. Nous démontrons également que ces nouveaux modèles sont bien posés. Nous les étudions aussi numériquement. Ensuite, nous améliorons quelques résultats sur l'existence des équations de Green-Naghdi (GN) dans le cas 1D. Dans le cas de 2D, nous dérivons et étudions un nouveau système de la même précision que les équations de GN usuelles, mais avec un meilleur comportement mathématique. / We study here the water-waves problem for uneven bottoms in a highly nonlinear regime where the small amplitude assumption of the KdV equation is enforced. It is known, that for such regimes, a generalization of the KdV equation can be derived and justified when the bottom is flat. We generalize here this result with a new class of equations taking into account variable bottom topographies. We also demonstrate that these new models are well-posed. We then proceed to study them numerically and compare their behavior with the Boussinesq equations over uneven bottoms. Regimes with stronger nonlinearities than the KdV/Boussinesq regime are then investigated. In particular, a variable coefficient generalization of a Camassa-Holm type equation is derived and justified. Wealso study the Green-Naghdi equations that are commonly used in coastal oceanography todescribe the propagation of large amplitude surface waves. We improve previous results on the well posedness of these equations in the case of one dimensional surface waves. In the $2D$ case, we derive and study a new system of the same accuracy as the standard $2D $ Green-Naghdi equations, but with better mathematical behavior.

Les technologies de relief tridimensionnel (3D) ont récemment reçu un nouvel attrait. Lesraisons potentielles sont que ces technologies peuvent fournir une expérience visuelle plusriche et plus immersive. En effet, un observateur peut extraire les disparités binoculairesprésentées entre les vues gauche et droite, pour retrouver plus efficacement la profondeur dela scène visuelle observée, et ainsi, trouver une nouvelle dimension dans le contenu.Cependant, tandis que la valeur de la profondeur est plutôt bien appréciée, un certain nombrede problèmes qui impactent la qualité de l’expérience dans les représentations 3D ont étéidentifiés. L’objective de cette thèse est d’étudier les principaux facteurs qui affectent laqualité de l’expérience en stéréoscopie dans le but de fournir des méthodes qui pourraientaméliorer l’utilisation des systèmes stéréoscopiques. Trois aspects majeurs de la qualité del’expérience sont adressés : (1) les sources et causes de la fatigue visuelle, (2) les distorsionsperceptives et (3) l’amélioration de la qualité de l’expérience en 3D au travers de l’adaptationdu contenu visuel. Pour étudier la fatigue visuelle, les mouvements de vergence étaientmesurés à la fois avec un écran 3D et avec un système à double écran qui permettaient laprésentation de stimuli avec les informations de disparité et de flou présentés en congruencecomme en incongruence. L’effet de la stéréoscopie sur les mouvements de vergence a étéétudié dans le but de tester si la mesure oculaire pouvait être utilisée comme indicateur defatigue visuelle. Le sujet suivant étudiait la consistance de la perception des formes 3Dstéréoscopiques en fonction de distances virtuelles induites par la disparité et par le signald’accommodation. Le rôle de la taille de la pupille et de la profondeur de champ enstéréoscopie étaient étudiés par la manipulation de la taille de la pupille avec deux conditionsd’illumination contrôlée. Finalement, l’amélioration de la perception de la forme 3D estquestionnée au travers de l’adaptation du contenu visuel en fonction de la mesure de seuilsperceptifs individuels pour des stimuli se déplaçant en profondeur. / Stereoscopic 3-Dimensional (S3D) technology has recently received growing attraction,potentially because it provides a more informative and more immersive visual experience.Indeed, the viewer may extract the binocular disparities displayed between the left and theright views, more efficiently retrieve the depth of the observed visual scene, and thus, givevisual content another dimension. However, while the additional value of depth is ratherappreciated, a number of problems have been raised that impact the Quality of Experience(QoE) in S3D representations. The objective of this thesis is to investigate the main factorsaffecting QoE in stereopsis in order to provide guidelines towards the improvement andfurther use of stereoscopic systems. Three main aspects of QoE in S3D are addressed: (1) thesources and causes of visual fatigue, (2) the perceptual distortions arising in S3D and, (3) theimprovement of S3D QoE through content adaptation. To study visual fatigue in S3D,vergence eye movements were measured both in S3D display and in dual-screen display thatenables the presentation of matched disparity and defocus stimuli. The effect of stereopsis onvergence movements was studied so as to test whether vergence tracking can be used asindicator of visual fatigue. The next topic investigated the consistency in stereoscopic 3Dshape perception as a function of vergence distance and accommodation distance. The role ofthe pupil size and the depth of focus in S3D were evaluated by manipulating the pupilaperture with two controlled lighting conditions. Finally, the improvement of 3D shapeperception is addressed through content adaptation according to individual perceptionthresholds measurement for motion-in-depth stimuli.

Le principe d’invariance par rapport à la causalité est au coeur d’approches notables telles que la minimisation du risque invariant (IRM) qui cherchent à résoudre les échecs de généralisation hors distribution (OOD). Malgré la théorie prometteuse, les approches basées sur le principe d’invariance échouent dans les tâches de classification courantes, où les caractéristiques invariantes (causales) capturent toutes les informations sur l’étiquette. Ces échecs sont-ils dus à l’incapacité des méthodes à capter l’invariance ? Ou le principe d’invariance lui-même est-il insuffisant ? Pour répondre à ces questions, nous réexaminons les hypothèses fondamentales dans les tâches de régression linéaire, où il a été démontré que les approches basées sur l’invariance généralisent de manière prouvée l’OOD. Contrairement aux tâches de régression linéaire, nous montrons que pour les tâches de classification linéaire, nous avons besoin de restrictions beaucoup plus fortes sur les changements de distribution, sinon la généralisation OOD est impossible. De plus, même avec des restrictions appropriées sur les changements de distribution en place, nous montrons que le principe d’invariance seul est insuffisant. Nous prouvons qu’une forme de contrainte de goulot d’étranglement d’information avec l’invariance aide à résoudre les échecs clés lorsque les caractéristiques invariantes capturent toutes les informations sur l’étiquette et conservent également le succès existant lorsqu’elles ne le font pas. Nous proposons une approche qui combine ces deux principes et démontre son efficacité sur des tests unitaires linéaires et sur divers jeux de données réelles de grande dimension. / The invariance principle from causality is at the heart of notable approaches such as invariant risk minimization (IRM) that seek to address out-of-distribution (OOD) generalization failures. Despite the promising theory, invariance principle-based approaches fail in common classification tasks, where invariant (causal) features capture all the information about the label. Are these failures due to the methods failing to capture the invariance? Or is the invariance principle itself insufficient? To answer these questions, we revisit the fundamental assumptions in linear regression tasks, where invariance-based approaches were shown to provably generalize OOD. In contrast to the linear regression tasks, we show that for linear classification tasks we need much stronger restrictions on the distribution shifts, or otherwise OOD generalization is impossible. Furthermore, even with appropriate restrictions on distribution shifts in place, we show that the invariance principle alone is insufficient. We prove that a form of the information bottleneck constraint along with invariance helps address the key failures when invariant features capture all the information about the label and also retains the existing success when they do not. We propose an approach that combines both these principles and demonstrate its effectiveness on linear unit tests and on various high-dimensional real datasets.

The feasibility of a radiance assimilation using a multi-layered snow physical model to estimate snow physical parameters is studied.The work is divided in five parts.The first two chapters are dedicated to the literature review. In the third chapter, experimental work was conducted in the alpine snow to estimate snow correlation (for microwave emission modelling) using near-infrared digital photography. We made microwave radiometric and near-infrared reflectance measurements of snow slabs under different experimental conditions. We used an empirical relation to link near-infrared reflectance of snow to the specific surface area (SSA), and converted the SSA into the correlation length. From the measurements of snow radiances at 21 and 35 GHz, we derived the microwave scattering coefficient by inverting two coupled radiative transfer models (RTM) (the sandwich and six-flux model).The correlation lengths found are in the same range as those determined in the literature using cold laboratory work.The technique shows great potential in the determination of the snow correlation length under field conditions. In the fourth chapter, the performance of the ensemble Kalman filter (EnKF) for snow water equivalent (SWE) estimation is assessed by assimilating synthetic microwave observations at Ground Based Microwave Radiometer (GBMR-7) frequencies (18.7, 23.8, 36.5, 89 vertical and horizontal polarization) into a snow physics model, CROCUS. CROCUS has a realistic stratigraphic and ice layer modelling scheme. This work builds on previous methods that used snow physics model with limited number of layers. Data assimilation methods require accurate predictions of the brightness temperature (Tb) emitted by the snowpack. It has been shown that the accuracy of RTMs is sensitive to the stratigraphic representation of the snowpack. However, as the stratigraphic fidelity increases, the number of layers increases, as does the number of state variables estimated in the assimilation. One goal of the present study is to investigate whether passive microwave measurements can be used in a radiance assimilation (RA) scheme to characterize a more realistic stratigraphy.The EnKF run was performed with an ensemble size of 20 using artificially biased meteorological forcing data.The snow model was given biased precipitation to represent systematic errors introduced in modelling, yet the EnKF was still able to recover the"true" value of SWE with a seasonally-integrated RMSE of only 1.2 cm (8.1%).The RA was also able to extract the grain size profile at much higher dimensionality which shows that the many-to-one problem of SWE-Tb relationship can be overcome by assimilation, even when the grain size profile varies constantly with depth.The last chapter was on the validation of the data assimilation system using a point-scale radiance observations from the CLPX-1 GBMR-7. We first predicted snow radiance by coupling the snow model CROCUS to the snow emission model (MEMLS). Significant improvement of Tb simulation was achieved for the late February window for all three frequencies.The range of the underestimation of the polarization difference is between 25% and 75%. We then assimilated all six channels measurements of the GBMR-7.The filter was able to accurately retrieve the SWE for periods of time when the Tb measurements were available.The results show that RA using EnKF with a multi-layered snow model can be used to determine snow physical parameters even with a biased precipitation forcing.

La probabilité et la causalité sont deux outils indispensables à la prise en compte des situations de risque social. Lesrelations causales sont le fondement des représentations à partir desquelles on peut évaluer le risque et concevoirdes actions de prévention, de mitigation ou d'indemnisation. La probabilité permet de quantifier cette évaluation et de calibrer ces actions. Dès lors, il semble non seulement naturel, mais nécessaire d'expliciter la place de la causalité et de la probabilité dans la définition d'un problème de décision en situation de risque social. C'est l'objet de cette thèse.Un tour d'horizon de la terminologie du risque et des logiques d'intervention publique dans différentes catégories de risque social nous permettent de mieux comprendre la notion et les problèmes soulevés par sa représentation. Nous approfondissons notre analyse dans le cas de la sûreté nucléaire, en examinant en détail les méthodes et doctrinesdéveloppées dans ce domaine et leur évolution au cours du temps, ce qui nous conduit à formuler différentesobservations au sujet des évaluations de risque et de sûreté.En généralisant la notion d'intervention dans les réseaux bayésiens, nous développons une forme de réseau bayésien causal qui répond à nos besoins. Nous parvenons, par son biais, à une définition du risque qui semble pertinente pour un grand nombre de situations. Nous proposons ensuite des applications simples de ce modèle à certains aspects de l'accident de Fukushima et d'autres problèmes de sûreté nucléaire. Outre certains enseignements spécifiques, ceci nous amène à souligner la nécessité d'une démarche systématique d'identification des incertitudes dans ce domaine.Étendu en direction de la théorie de la décision, notre outil débouche naturellement sur un modèle de décision dynamique dans lequel les actes causent les conséquences et sont causalement liés entre eux. Il apporte en outre une interprétation causale au cadre conceptuel de Savage et permet d'en résoudre certains paradoxes et clarifier certains aspects. Il conduit enfin à envisager la question de l'ambigüité comme incertitude concernant la structure causale d'un problème de décision, ce qui correspond à une vision courante du principe de précaution.