En mammographie numérique, il existe deux approches pour évaluer la qualité de l'image. Dans la première approche, une méthode visuelle basée sur un observateur humain permet la détectabilité des lésions en radiographie mammographique. Malheureusement, cette approche de qualité nécessite d'importantes ressources humaines et du temps lors de son implémentation, et elle est affectée par la variabilité inter‐évaluateurs. Dans une deuxième approche, des paramètres objectifs et indépendants de l'observateur humain, présentant une relation avec la résolution et le contraste de l'image, sont utilisés pour une évaluation de la performance des détecteurs. Cependant, il n'existe pas de relation directe entre ces paramètres et la détectabilité des lésions. Une méthode permettant d'avoir une approche de la qualité de l'image, à la fois indépendante de facteurs humains et présentant une relation directe avec la détectabilité des lésions, permettrait d'utiliser l'équipement mammographique de manière optimale. Ce travail de thèse présente le développement d'une telle méthode, consistant à générer par ordinateur des images virtuelles à partir d'un modèle « Source à rayons X/Détecteur numérique », qui prend en compte les valeurs mesurées de la MTF et du NPS des équipements mammographiques en conditions cliniques d'utilisation. De par les résultats obtenus dans notre travail, nous avons contribué à établir le lien entre les caractéristiques physiques des détecteurs et la qualité clinique de l'image dans les conditions habituelles d'exposition. De plus, nous suggérons que notre modèle de création d'images virtuelles puisse être utilisé pour déterminer rapidement les conditions optimales en mammographie. Il s'agit, en effet, d'un aspect essentiel à considérer pour la radioprotection des patientes, particulièrement dans le cadre du dépistage de masse organisé, et qui est habituellement un processus expérimental long et fastidieux à mettre en oeuvre.

En mammographie numérique, il existe deux approches pour évaluer la qualité de l'image. Dans la première approche, une méthode visuelle basée sur un observateur humain permet la détectabilité des lésions en radiographie mammographique. Malheureusement, cette approche de qualité nécessite d'importantes ressources humaines et du temps lors de son implémentation, et elle est affectée par la variabilité inter-évaluateurs. Dans une deuxième approche, des paramètres objectifs et indépendants de l'observateur humain, présentant une relation avec la résolution et le contraste de l'image (MTF et NPS), sont utilisés pour une évaluation de la performance des détecteurs. Cependant, il n'existe pas de relation directe entre ces paramètres et la détectabilité des lésions. Une méthode permettant d'avoir une approche de la qualité de l'image, à la fois indépendante de facteurs humains et présentant une relation directe avec la détectabilité des lésions, permettrait d'utiliser l'équipement mammographique de manière optimale. Ce travail de thèse présente le développement d'une telle méthode, consistant à générer par ordinateur des images virtuelles à partir d'un modèle « Source à rayons X/Détecteur numérique », qui prend en compte les valeurs mesurées de la MTF et du NPS des équipements mammographiques en conditions cliniques d'utilisation. De par les résultats obtenus dans notre travail, nous avons contribué à établir le lien entre les caractéristiques physiques des détecteurs et la qualité clinique de l'image dans les conditions habituelles d'exposition. De plus, nous suggérons que notre modèle de création d'images virtuelles puisse être utilisé pour déterminer rapidement les conditions optimales en mammographie. Il s'agit, en effet, d'un aspect essentiel à considérer pour la radioprotection des patientes, particulièrement dans le cadre du dépistage de masse organisé, et qui est habituellement un processus expérimental long et fastidieux à mettre en oeuvre.

L’objectif de ces travaux de recherche est d’étudier les méthodes d’évaluation de laqualité des images biométriques multimodales sur des échantillons acquis de manièrenon contrainte. De nombreuses s études ont noté l’importance de la qualité del’échantillon pour un système de reconnaissance ou un algorithme de comparaison,puisque la performance du système biométrique est intrinsèquement dépendant dela qualité des images de l’échantillon. Dès lors, la nécessité d’évaluer la qualitédes échantillons biométriques pour plusieurs modalités (empreintes digitales, iris,visage, etc.) est devenue primordiale notamment avec l’apparition de systèmesbiométriques multimodaux de haute précision.Après une introduction présentant un historique de la biométrie et des préceptesliés à la qualité des échantillons biométriques, nous présentons le concept d’évaluationde la qualité des échantillons pour plusieurs modalités. Les normes de qualitéISO / CEI récemment établies pour les empreintes digitales, l’iris et le visage sontprésentées. De plus, des approches d’évaluation de la qualité des échantillons conçuesspécifiquement pour les empreintes digitales avec et sans contact, pour l’iris(dont une image est capturée en proche infrarouge et dans le domaine visible),ainsi que le visage sont étudiées. Finalement, des techniques d’évaluation des performancesdes mesures de qualité des échantillons biométriques sont égalementétudiées.Sur la base des conclusions formulées suite à l’étude des solutions algorithmiques portant sur l’évaluation de la qualité des échantillons biométriques, nous proposonsun cadre commun pour l’évaluation de la qualité d’image biométrique pourplusieurs modalité. Après avoir étudié les attributs de qualité basés sur l’image parmodalité biométrique, nous examinons quelle intersection existe pour l’ensembledes modalités. Ensuite, nous sélectionnons et redéfinissons les attributs de qualitébasés sur l’image qui sont les plus importants afin de définir un cadre commun.Afin de relier ces attributs de qualité aux vrais échantillons biométriques,nous développons une nouvelle base de données de qualité d’image biométriquemulti-modalité qui contient des images échantillons de haute qualité et des imagesdégradées pour l’empreinte digitale acquise sans contact, l’iris (dont l’acquisitionest réalisée dans le spectre visible) et le visage. Les types de dégradation appliquéssont liés aux attributs de qualité qui sont communs aux diverses modalitéset qui sont basés sur l’image. Un autre aspect important du cadre commun proposéest la qualité de l’image et ses applications en biométrie. Nous avons d’abordintroduit et classifié les métriques de qualité d’image existantes, puis effectué unbref aperçu des métriques de qualité d’image sans référence, qui peuvent être appliquéespour l’évaluation de la qualité des échantillons biométriques. De plus, nousétudions comment les mesures de qualité d’image sans référence ont été utiliséespour l’évaluation de la qualité des empreintes digitales, de l’iris et des modalitésbiométriques du visage.Des expériences pour l’évaluation de la performance des métriques de qualitéd’image sans référence sur les images de visage et de l’iris sont effectuées. Lesrésultats expérimentaux indiquent qu’il existe plusieurs métriques qui peuventévaluer la qualité des échantillons biométriques de l’iris et du visage avec un fortcoefficient de correlation. La méthode obtenant les meilleurs résultats en termede performance est ré-entrainée sur des images d’empreintes digitales, ce qui permetd’augmenter significativement les performances du système de reconnaissancebiométrique.À travers le travail réalisé dans cette thèse, nous avons démontré l’applicabilitédes métriques de qualité d’image sans référence pour l’évaluation d’échantillonsbiométriques multi-modalité non contraints. / The aim of this research is to investigate multi-modality biometric image qualityassessment methods for unconstrained samples. Studies of biometrics noted thesignificance of sample quality for a recognition system or a comparison algorithmbecause the performance of the biometric system depends mainly on the qualityof the sample images. The need to assess the quality of multi-modality biometricsamples is increased with the requirement of a high accuracy multi-modalitybiometric systems.Following an introduction and background in biometrics and biometric samplequality, we introduce the concept of biometric sample quality assessment for multiplemodalities. Recently established ISO/IEC quality standards for fingerprint,iris, and face are presented. In addition, sample quality assessment approacheswhich are designed specific for contact-based and contactless fingerprint, nearinfrared-based iris and visible wavelength iris, as well as face are surveyed. Followingthe survey, approaches for the performance evaluation of biometric samplequality assessment methods are also investigated.Based on the knowledge gathered from the biometric sample quality assessmentchallenges, we propose a common framework for the assessment of multi-modalitybiometric image quality. We review the previous classification of image-basedquality attributes for a single biometric modality and investigate what are the commonimage-based attributes for multi-modality. Then we select and re-define themost important image-based quality attributes for the common framework. In order to link these quality attributes to the real biometric samples, we develop anew multi-modality biometric image quality database which has both high qualitysample images and degraded images for contactless fingerprint, visible wavelengthiris, and face modalities. The degradation types are based on the selected commonimage-based quality attributes. Another important aspect in the proposed commonframework is the image quality metrics and their applications in biometrics. Wefirst introduce and classify the existing image quality metrics and then conducteda brief survey of no-reference image quality metrics, which can be applied to biometricsample quality assessment. Plus, we investigate how no-reference imagequality metrics have been used for the quality assessment for fingerprint, iris, andface biometric modalities.The experiments for the performance evaluation of no-reference image qualitymetrics for visible wavelength face and iris modalities are conducted. The experimentalresults indicate that there are several no-reference image quality metricsthat can assess the quality of both iris and face biometric samples. Lastly, we optimizethe best metric by re-training it. The re-trained image quality metric canprovide better recognition performance than the original. Through the work carriedout in this thesis we have shown the applicability of no-reference image qualitymetrics for the assessment of unconstrained multi-modality biometric samples.

Traditionnellement, lorsqu'il s'agit de générer des images à haute résolution (HR) à partir d'images à basse résolution (LR), les méthodes proposées jusqu'à maintenant se sont principalement concentrées sur les techniques de super-résolution qui visent à récupérer l'image la plus probable à partir d'une image de basse qualité. En procédant de cette manière, on ignore le fait qu'il existe généralement de nombreuses versions valides d'images HR qui correspondent à une image LR donnée. L'objectif de ce travail est d'obtenir différentes versions d'images HR à partir d'une même image LR en utilisant un modèle adversarial génératif. On aborde ce problème sous deux angles différents. D'abord, on utilise des méthodes de super résolution, où en plus de l'image LR, le générateur peut être paramétré par une variable latente afin de produire différentes variations potentielles de l'image. Un tel conditionnement permet de moduler le générateur entre la récupération de l'image la plus proche de la vérité terrain et de variété d'images possibles. Les résultats démontrent notre supériorité en termes de reconstruction et de variété d'images hallucinées plausible par rapport à d'autres méthodes de l'état de l'art. La deuxième approche s'appuie sur les travaux de traduction d'image à image, en proposant une nouvelle approche où le modèle est conditionné sur une version LR du cible. Plus précisément, notre approche vise à transférer les détails fins d'une image source HR pour les adapter la structure générale, selon la version LR de celle-ci. On génère donc des images HR qui partagent les caractéristiques distinctives de l'image HR et qui correspond à l'image LR de la cible lors de la réduction d'échelle. Cette méthode diffère des méthodes précédentes qui se concentrent plutôt sur la traduction d'un style d'image donné en un contenu cible. Les résultats qualitatifs et quantitatifs démontrent des améliorations en termes de qualité visuelle, de diversité et de couverture par rapport aux méthodes de pointe telles que Stargan-v2. / Traditionally, when it comes to generating high-resolution (HR) images from a low-resolution (LR) images, the methods proposed so far have mainly focused on super-resolution techniques that aim at recovering the most probable image from low-quality image. Doing so ignores the fact that there are usually many valid versions of HR images that match a given LR image. The objective of this work is to obtain different versions of HR images from the same LR image using a generative adversarial model. We approach this problem from two different angles. First, we use super-resolution methods, where in addition to the LR image, the generator can be parameterized by a latent variable to produce different potential variations of the image. Such a conditioning allows to modulate the generator between retrieving the closest image to the ground truth and a variety of possible images. The results demonstrate our superiority in terms of reconstruction and variety of plausible hallucinated images compared to other state-of-the-art methods. The second approach builds on the work of image-to-image translation, by proposing a new approach where the model is conditioned on a LR version of the target. More precisely, our approach aims at transferring the fine details of an HR source image to fit the general structure, according to the LR version of it. We therefore generate HR images that share the distinctive features of the HR image and match the LR image of the target during downscaling. This method differs from previous methods that focus instead on translating a given image style into target content. Qualitative and quantitative results demonstrate improvements in visual quality, diversity, and coverage over state-of-the-art methods such as Stargan-v2.

L'utilisation d'un projecteur dans différentes applications et environnements soulève la nécessité d'adapter et de contrôler l'image affichée en fonction des conditions d'affichage. L'image affichée par exemple dans un environnement éclairé peut apparaître avec des couleurs saturées et un contraste atténué. De même, son apparence peut être affectée par la réflectance et la géométrie de l'écran sur lequel l'image est projetée. Dans ce mémoire, nous proposons une approche pour contrôler l'apparence de l'image affichée par la modélisation des différents facteurs affectants son affichage. Cette approche est basée sur le modèle de formation de l'image perçue et la constance de couleur entre les images observées. L'approche proposée unifie la compensation des effets de la lumière ambiante et de la réflectance de l'écran. Nous argumentons que le modèle proposé est plus général que certains modèles de compensation utilisés pour la constance de couleurs. L'approche proposée estime l'illuminant de l'environnement d'affichage et l'illuminant cible, la réflectance de l'écran utilisé ainsi que la réflectance de l'écran cible. Une opération complémentaire pour la compensation de contraste est dérivée de la loi de Weber. Cette compensation permet d'adapter le contraste de l'image affichée conformément à l'intensité de la lumière ambiante. L'approche proposée est vérifiée expérimentalement dans des environnements éclairés et en utilisant des écrans non blancs. Elle permet de camoufler l'effet de l'écran utilisé dans l'affichage et de simuler les effets d'autres écrans cibles. Notre approche peut être utile dans certains domaines tels que le camouflage et la simulation pour des applications d'art visuel et performatif.

La manipulation robotique d'une sonde échographique a été un important sujet de recherche depuis plusieurs années. Plus particulièrement, des méthodes d'asservissement visuel guidé par échographie ont été développées pour accomplir différentes tâches, telles que la compensation de mouvement, le maintien de la visibilité d'une structure pendant la téléopération, ou le suivi d'un instrument chirurgical. Cependant, en raison de la nature des images échographiques, garantir une bonne qualité d'image durant l'acquisition est un problème difficile, qui a jusqu'ici été très peu abordé. Cette thèse traite du contrôle de la qualité des images échographiques acquises par une sonde robotisée. La qualité du signal acoustique au sein de l'image est représentée par une carte de confiance, qui est ensuite utilisée comme signal d'entrée d'une loi de commande permettant d'optimiser le positionnement de la sonde échographique. Une commande hybride est également proposée pour optimiser la fenêtre acoustique pour une cible anatomique qui est détectée dans l'image. L'approche proposée est illustrée dans le cas d'un scénario de télé-échographie, où le contrôle de la sonde est partagé entre la machine et le téléopérateur. / The robotic guidance of an ultrasound probe has been extensively studied as a way to assist sonographers in performing an exam. In particular, ultrasound-based visual servoing methods have been developed to fulfill various tasks, such as compensating for physiological motion, maintaining the visibility of an anatomic target during teleoperation, or tracking a surgical instrument. However, due to the specific nature of ultrasound images, guaranteeing a good image quality during the procedure remains an unaddressed challenge. This thesis deals with the control of ultrasound image quality for a robot-held ultrasound probe. The ultrasound signal quality within the image is represented by a confidence map, which is used to design a servo control law for optimizing the placement of the ultrasound probe. A control fusion is also proposed to optimize the acoustic window for a specific anatomical target which is tracked in the ultrasound images. The method is illustrated in a teleoperation scenario, where the control is shared between the automatic controller and a human operator.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Nous présentons deux composants optiques transformant un faisceau gaussien en un faisceau transversal magnétique de plus petit ordre (faisceau laser TM₀₁ ) Si un tel faisceau est focalisé avec un objectif de grande ouverture numérique (NA > 0.9), la théorie prévoit l'apparition d'un spot focal parfaitement circulaire, de taille inférieure à celle du spot que l'on aurait obtenu avec un faisceau gaussien. On s'attend donc en intégrant ce mode dans un microscope de haute résolution (de fluorescence à excitation deux photons), à augmenter les performances de ce dernier (résolution, contraste). Les deux composants sont construits sur la base de quatre lames demionde placées dans une mosaïque, suivies d'une lame introduisant un déphasage de [pi]. Le premier composant est constitué de cristal liquide, et le second de lames de quartz cristallin.

Cette thèse présente un nouveau type de système optique, un imageur à grandissement localisé. L'idée derrière ce dernier est de modifier en temps réel la distorsion à l'aide d'un composant optique actif qui est positionné loin des pupilles pour permettre de modifier chaque champ local de façon individuelle. Avec la bonne déformation de la surface active, on peut alors créer des zones de l'image avec un grandissement augmenté. De plus, si l'on désire conserver le champ de vue total constant, il est possible d'y parvenir en combinant ces zones d'intérêt à des zones de redressement où le grandissement est diminué. Pour bien comprendre comment se comportent ces systèmes avec beaucoup de distorsion, une analyse des erreurs de surface est d'abord présentée. On y conclut que ces lentilles ont des particularités qui compliquent leur conception et leur tolérancement. On obtient lors de cette analyse une équation reliant le déplacement dans le plan image en fonction des défauts de fabrication sur la surface frontale. De cette équation, on comprend qu'un des paramètres importants lors du tolérancement de ces systèmes est la longueur focale locale, définie comme étant la dérivée de la position dans le plan image par rapport à l'angle du champ de vue. Cela permet de conclure que dans la conception de ce type de lentilles, des tolérances plus serrées doivent être choisies dans certaines parties de la surface, contrairement à un critère de qualité unique partout sur la surface comme la norme actuelle le propose. Ensuite, à partir de ces résultats du déplacement dans le plan image par rapport à une erreur donnée, un concept d'imageur à grandissement localisé est développé. Tout d'abord, les équations de base pour ce type d'imageur sont obtenues. On peut y conclure qu'en première approximation, c'est le produit de la courbure z" sur la surface déformable par la distance L0 entre la surface et la pupille d'entrée du reste de l'imageur qui détermine le rapport de grandissement local que l'on peut obtenir. De ces équations, on définit également des limites fondamentales sur l'amplitude que le composant déformable doit produire et sur le f/# qui conserve la qualité d'image à un niveau acceptable. À partir de ces résultats, des simulations à l'aide du logiciel ZEMAX sont effectuées, confirmant ainsi les paramètres obtenus mathématiquement. Ces simulations conduisent finalement à un prototype expérimental utilisant un miroir déformable ferrofluidique comme surface active. Avec une distance focale originale de f0 = 12.5 mm et une distance Lo = 220 mm, des résultats expérimentaux avec un système pouvant produire des rapports de grandissement supérieurs à 3 dans une zone d'intérêt sont présentés et analysés. Bref, s'il est possible de vaincre les limites fondamentales, cet imageur à grandissement localisé a le potentiel de révolutionner certains domaines d'imagerie grâce à ses capacités originales en conception optique.

Les particularités des lentilles panoramiques font de leur caractérisation un défi. Pour les applications de vision, une connaissance de la distorsion est essentielle pour produire des vues naturelles. Aussi, toutes les directions étant importantes, la qualité de l'image doit être uniforme sur tout le champ de vue. Nous avons donc développé un banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Avec des cibles référencées, nous avons obtenu avec rapidité et facilité les profils de distorsion, ce qui a permis de calculer la résolution instantanée linéaire sur tout le champ de vue. Également, des cibles inclinées ont été utilisées pour déterminer la fréquence spatiale où la MTF est de 50% en fonction de l'angle dans le champ de vue. À l'aide de deux caméras, nous avons testé deux lentilles panomorphes et deux lentilles fisheyes pour lesquelles nous avons calculé la résolution instantanée et les courbes de MTF et comparé certains résultats à des simulations.

L'étude du système nerveux ne peut se faire sans une étude structurale et fonctionnelle de la centaine de milliards de neurones qui le composent. Avec le développement des marqueurs fluorescents à la fin du 20e siècle, la microscopie optique est devenue le meilleur compromis entre les analyses structurale (haute résolution spatiale) et fonctionnelle (cellules vivantes, haute sélectivité). Il est cependant bien connu, et ce, depuis la fin du 19e siècle, que les microscopes optiques sont limités par la diffraction de la lumière à une résolution de 200 nm environ ; il est donc impossible de discriminer la plupart des sous-structures cellulaires avec ces modalités. Il a fallu attendre les années 1990 pour voir apparaître des techniques d'imagerie optique permettant de « franchir la limite de diffraction » ; les microscopes STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) ou STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) ont notamment permis d'attendre une résolution de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Cependant, la résolution spatiale des techniques d'« hyperrésolution » est souvent obtenue au détriment des autres performances des microscopes : dépendance vis-à-vis des marqueurs fluorescents, résolution temporelle limitée, photodommages, systèmes optiques complexes, . . . L'objectif de nos travaux est donc de proposer des solutions simples et implantables dans des microscopes optiques par balayage laser existants, qui permettraient d'en augmenter la résolution transversale en faisant peu de compromis sur leurs autres caractéristiques techniques. Dans cette thèse, nous proposons d'augmenter la résolution des microscopes optiques par balayage laser en modifiant le patron d'illumination utilisé. Nous avons abordé le problème de deux façons : une approche directe permettant de réduire le volume d'excitation en remplaçant le faisceau gaussien utilisé dans les microscopes conventionnels par le mode transverse magnétique TM01 de polarisation radiale ; et une approche indirecte basée sur deux excitations successives de l'échantillon avec un faisceau gaussien et un faisceau « sombre » ayant un minimum d'intensité au centre. Avec cette dernière approche, entièrement compatible avec les systèmes commerciaux, nous avons augmenté la résolution des microscopes confocaux d'un facteur 2 en faisant pour seul compromis la double excitation de l'échantillon. / The nervous system cannot be analyzed without structural and functional observations of its hundred of billions of neurons. Since the discovery of fluorescent probes, at the end of the 20th century, optical microscopes became the best trade-off between structural (high resolution) and functional (live cells, high selectivity) analysis. However, it is well known, since the end of the 19th century, that the resolution of a focusing light microscope is limited by diffraction to about 200 nm; most of sub-cellular compartments cannot be discriminate with those modalities. We had to wait the end of the 90th, to witness the development of novel microscopy techniques "breaking the diffraction barrier"; STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) and STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) achieved spatial resolution of about 10 nm. However, most of those "superresolution" techniques are probe dependent (PALM/ STORM), or require high power laser and a complete modification of the microscope (STED). The goal of this thesis is to develop novel, low-power, and retrofittable "superresolution" procedures in laser scanning microscopy without limiting the specifications of conventional modalities (probe dependency, photodommage, simplicity, temporal resolution, . . . ). In this thesis, we propose to increase the resolution of laser scanning microscopes by structuring the illumination. The issue is tackled in two different ways: a direct approach where the excitation volume is reduced by changing the Gaussian beam used in conventional systems into a radially polarized transverse magnetic TM01 beam, and an indirect approach based on two successive illuminations of the sample with a Gaussian beam and a "dark" beam having a minimum of intensity at its center. With the later approach, we doubled the spatial resolution of confocal microscopes while keeping the specifications of the conventional systems except from doubling the temporal resolution.