L'objectif général de cette thèse est d'appliquer une méthode d'optimisation polynomiale basée sur la théorie des moments à certains problèmes de vision artificielle. Ces problèmes sont en général non convexes et classiquement résolus à l'aide de méthodes d'optimisation locale. Ces techniques ne convergent généralement pas vers le minimum global et nécessitent de fournir une estimée initiale proche de la solution exacte. Les méthodes d'optimisation globale permettent d'éviter ces inconvénients. L'optimisation polynomiale basée sur la théorie des moments présente en outre l'avantage de prendre en compte des contraintes. Dans cette thèse nous étendrons cette méthode aux problèmes de minimisation d'une somme d'un grand nombre de fractions rationnelles. De plus, sous certaines hypothèses de "faible couplage" ou de "parcimonie" des variables du problème, nous montrerons qu'il est possible de considérer un nombre important de variables tout en conservant des temps de calcul raisonnables. Enfin nous appliquerons les méthodes proposées aux problèmes de vision par ordinateur suivants : minimisation des distorsions projectives induites par le processus de rectification d'images, estimation de la matrice fondamentale, reconstruction 3D multi-vues avec et sans distorsions radiales.

Nous présentons une approche de rendu à base d'images qui permet, à partir de photos, de naviguer librement et générer des points de vue quelconques dans des scènes urbaines. Les approches précédentes se basent sur un modèle géométrique complet et précis de la scène. La qualité des résultats produits par ces méthodes se dégrade lorsque la géométrie est approximative. Dans cette thèse, nous proposons une approximation basée sur l'image pour compenser le manque de précision de la géométrie. Dans une première approche, nous utilisons une déformation discontinue des photos guidée par des cartes de profondeur quasi-denses, ce qui produit de meilleurs résultats que le plaquage de texture utilisé par les méthodes précédentes, en particulier lorsque la géométrie est imprécise. Cette approche nécessite quelques indications utilisateur pour identifier les bordures d'occlusion dans les photos. Nous proposons ensuite une méthode entièrement automatique basée sur la même idée de déformation d'image. Cette méthode permet de traiter des scènes plus complexes avec un plus grand nombre de photos. Nous évitons l'intervention utilisateur en sur-segmentant les images d'entrées pour former des superpixels. Nous déformons chaque superpixel indépendamment en utilisant l'information de profondeur clairsemée. Nous proposons également un algorithme de synthèse de profondeur approximative pour traiter les zones de l'image où la géométrie n'est pas disponible. Nous comparons nos résultats à de nombreuses approches récentes et montrons que notre méthode permet une navigation virtuelle libre. Nous avons aussi étudié les défauts du rendu à base d'images d'un point de vue perceptif. Dans une première études controlées, nous avons évalué la perception des distorsions de perspective produites lorsqu'une seule image est projetée sur une géométrie planaire. Les données obtenues lors de cette étude nous ont permis de développer un modèle quantitatif permettant de prédire les distorsions perçues en fonction des paramètres de capture et de visualisation. Dans une autre étude nous comparons les défauts visuels produits par des transitions d'images douces ou abruptes. Nous avons déduit de cette étude des conseils pour choisir le meilleur compromis entre les deux types de transition. Ces deux études ont motivé des choix de conception de nos algorithmes de rendu à base d'images. Enfin, nous démontrons l'utilisation de notre approche pour la thérapie cognitive, ce qui représente la première application de réalité virtuelle à base d'images. Notre méthode permet de réduire considérablement le coût de modélisation 3D d'une scène de réalité virtuelle tout en produisant des visites virtuelles très réalistes.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse sont relatifs à l'extraction tridimensionnelle de bâtiments à partir d'images satellitaires optiques et RSO haute et très haute résolution. Une étude des effets géométriques liés à la projection des bâtiments dans les images optiques et RSO est tout d'abord menée. Dans le cadre de cette étude, la signature géométrique d'un bâtiment dans une image est définie. Elle correspond à l'ensemble des structures géométriques de l'image caractéristiques de la présence du bâtiment et peut être décrite, de manière équivalente, par un ensemble de régions ou de segments dans l'image. À l'issue de cette étude, des méthodes sont développées pour simuler la signature géométrique des bâtiments dans les images. Deux méthodes, qui s'appuient sur les méthodes de simulation précédemment établies, sont ensuite proposées pour l'extraction des bâtiments en monoscopie optique et RSO. Ces méthodes, dont les performances sont évaluées sur données simulées et sur données réelles, répondent aux exigences suivantes : - prise en compte de la complexité géométrique et radiométrique inhérente aux images de télédétection haute et très haute résolution en milieu urbain ; - applicabilité des approches développées aussi bien en imagerie optique que RSO, afin de faciliter leur mise en oeuvre dans un contexte multicapteur.

L'apparition croissante de bactéries pathogènes multi-résistantes à la plupart des antibiotiques disponibles apparaît comme un problème mondial de santé publique. Malheureusement, un usage excessif à la fois en médecine humaine et animale a conduit à l’apparition de souches multi-résistantes à la plupart des antibiotiques disponibles sur le marché. Il est donc urgent de mieux comprendre les mécanismes mis en place par les bactéries pour résister aux antibiotiques afin de trouver des solutions pour combattre les souches multi-résistances.Dans ce contexte, le projet de la thèse vise à mieux comprendre les bases moléculaires de l’efflux actif de drogues chez Pseudomonas aeruginosa, qui est un des plus importants mécanismes utilisés par la bactérie pour lutter contre l’action de plusieurs antibiotiques. Les systèmes d’efflux forment des complexes protéiques situés dans la paroi de la bactérie et expulsent de manière active les antibiotiques avant même qu’ils aient pu atteindre leur cible intracellulaire, les rendant ainsi inactif.L’étude structurale se focalise sur le système RND (Resistance-Nodulation and cell Division) MexA-MexB-OprM qui est constitutivement exprimé chez la bactérie sauvage et est surexprimé chez les souches résistantes. Ce complexe tripartite est composé d'un transporteur inséré dans la membrane interne, d'une protéine canal insérée dans la membrane externe et d’une protéine adaptatrice périplasmique qui relie les deux autres protéines pour former un conduit étanche traversant le périplasme. En l’absence de la connaissance de la structure du complexe tripartite, l’objectif de la thèse a été de développer une stratégie originale pour reconstituer in vitro le complexe entier dans un environnement lipidique à partir des trois composants natifs produits séparément.L’assemblage du complexe tripartite est réalisé en mélangeant MexB et OprM en Nanodisque avec MexA mimant les deux bicouches lipidiques. La structure de ce complexe tripartite a été obtenu en combinant la cryo microscopie électronique et à l’approche dite ‘des particules isolées’. La structure tridimensionnelle du complexe calculée à une résolution inférieure à 4 Å a permis de construire un modèle atomique du complexe tripartite assemblé entre deux Nanodisques.Le complexe tripartite est composé d’un trimère d’OprM, d’un trimère de MexB et d’un hexamère de MexA entourant MexB et en interaction avec OprM. Ces données ont permis de résoudre la structure complète de MexA dans le complexe dont la partie N-terminale jusqu’alors inconnue car trop flexible et décrivent pour la première fois l’ancrage de MexA dans une membrane lipidique. Les changements conformationnels sont observés sur OprM et MexB lorsqu’ils sont engagés dans le complexe avec l’ouverture de l’extrémité périplasmique d’OprM et le basculement d’une boucle de MexB permettant d’établir un contact supplémentaire avec MexA.Pour replacer cette structure tripartite dans le cycle d’efflux de l’antibiotique, celle-ci décrit un état qui s’apparente probablement à un état au repos, sachant qu’aucun ligand spécifique n’a été ajouté au cours de l’assemblage. De plus, le complexe forme un canal ouvert à son extrémité extracellulaire, fournissant le conduit pour évacuer les drogues transportées par MexB qui utilise la force protomotrice comme source d’énergie.Ce travail ouvre la perspective à des études structurales d’autres états conformationnels du système d’efflux en condition « énergisé » pour compléter la compréhension du mécanisme du cycle d’efflux. Par ailleurs, la connaissance de cette première structure du complexe natif tripartite constitue le premier pas vers le développement de molécules capables de bloquer l’assemblage du complexe à des fins thérapeutiques. En effet, de telles molécules inhiberaient l’efflux actif et restauraient l’efficacité perdue des antibiotiques actuels. / The increasing appearance of multi-drug-resistant pathogenic bacteria to most available antibiotics is emerging as a global public health problem. Unfortunately, excessive use in both human and animal medicine has led to the emergence of multi-drug-resistant strains for most antibiotics available on the market. It is therefore urgent to better understand the underlying mechanisms by which bacteria resist to antibiotics to combat multi-resistance strains. In this context, this work aims at better understanding the molecular basis of active drug efflux in Pseudomonas aeruginosa, which is one of the most important mechanisms used by the bacterium to resist to several antibiotics. Efflux systems form protein complexes in the bacterial wall and actively expel antibiotics even before they reach their intracellular target, rendering them inactive. The structural study focuses on the MexA-MexB-OprM RND (Resistance-Nodulation and cell Division) system that is constitutively expressed in wild-type bacteria and is over-expressed in resistant strains. This tripartite complex is composed of a transporter inserted into the inner membrane, a channel protein inserted in the outer membrane and a periplasmic adapter protein that connects the other two proteins to form a sealed conduit through the periplasm. In the absence of knowledge of the structure of the tripartite complex, the aim of the thesis was to develop an original strategy to reconstitute the whole complex in vitro in a lipid environment from the three native components produced separately.The assembly of the tripartite complex is made by mixing MexA with MexB and OprM in Nanodisc mimicking the two lipid bilayers. The structure of this tripartite complex was obtained by combining cryo electron microscopy and the so-called 'isolated particles' approach. The three-dimensional structure of the complex, calculated at a resolution of less than 4 Å, was used to build an atomic model of the tripartite complex assembled between two Nanodiscs. The tripartite complex is composed of an OprM trimer, a MexB trimer and a MexA hexamer surrounding MexB and interacting with OprM. We solve the complete structure of MexA whose N-terminal part hitherto unknown because of a high flexibility and describe for the first time the anchoring of MexA in a lipid membrane. The conformational changes are observed on OprM and MexB when they are assembled in the complex with the opening of the periplasmic end of OprM and the spatial re-orientation of a MexB loop to establish additional contact with MexA.To integrate this tripartite structure into the antibiotic efflux cycle, it describes a state that is probably a resting state, knowing that no specific ligand was added during assembly. In addition, the complex forms an open channel at its extracellular end, providing the conduit to evacuate the drugs carried by MexB that uses the proton motive force as a source of energy. This work opens new perspective for structural studies of other conformational states of the efflux system in "energized" conditions to fulfill our understanding of the efflux cycle mechanism. Moreover, the knowledge of this first tripartite native complex structure constitutes the first step towards the development of molecules capable of blocking the assembly of the complex for therapeutic uses. Indeed, such molecules would inhibit active efflux and restore the lost efficiency of current antibiotics.

Deux méthodes d’assistance opératoire, pour le positionnement du composant glénoïdien d’une prothèse d’épaule, sont explorées. Elles ont pour dénominateur commun une reconstruction 3D première de la glène pathologique à implanter. Une approche essentiellement clinique, avec des travaux d’application pratique, est proposée pour la technologie des Patients Specific Implants (PSI), dont l’utilisation en orthopédie est croissante. Une approche davantage technologique est ensuite proposée, de type Réalité Augmentée, jusqu’à maintenant encore inexploitée dans le champ de la chirurgie orthopédique. La faisabilité de cette approche, les conditions d’emploi des technologies inhérentes, ont été étudiées. En amont, un nouveau type d’information pour implémenter, sur le support connecté (lunettes électroniques), l’application de réalité, est proposé, avec la modélisation mathématique par régression linéaire multiple d’une glène normale. L’objectif secondaire est d’obtenir une banque de données dites de glènes génériques normales, pouvant servir de référence à la reconstitution d’une glène pathologique à traiter, après un processus de morphing. / In this thesis, two methods of operating assistance for the positioning of the glenoid component of a shoulder prosthesis, are addressed. They have in common a preliminary 3D reconstruction of the pathological glenoid to implant. A main clinical approach, with practice studies, is proposed for the Patient Specific Implants technology, which is currently used in orthopaedics. Then a main prospective and technological approach is proposed with the Augmented Reality, while it is so far untapped in the field of orthopaedic surgery. The feasibility of this last technology, as well as the tools and the manual for its use, were studied. Upstream, a new type of information to implement the augmented reality connected application support is offered, with mathematical modeling by multiple linear regression of a normal glenoid. The second goal is to build a normal generic glenoids database. It can be used as reference to the reconstruction of a pathological glenoid to treat, after a morphing process step.

Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que l'ostéoporose, qui est un problème majeur de santé publique et, est un facteur de risque important de fractures notamment la Fracture de l'Extrémité Supérieure du Fémur (FESF), il est essentiel d’aborder ces problématiques en trois dimensions (3D) pour fournir au praticien un outil de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. De plus, la visualisation en 3D de l'anatomie joue un rôle important dans le domaine de la chirurgie orthopédique guidée (assistée par ordinateur). En préopératoire, pour la planification chirurgicale ou la conception de prothèses sur mesure, en per opératoire, pour assister le chirurgien durant l'acte chirurgical et enfin en postopératoire pour le suivi. La reconstruction de modèles anatomiques en 3D peut être réalisée par l'utilisation de techniques d'imagerie 3D directes telles que la tomodensitométrie. Cependant, l'utilisation d'une telle imagerie est limitée à des procédures complexes en raison des contraintes imposées par le coût, la disponibilité et les risques de radiation pour le patient. Ainsi, l'alternative à ce type d'imagerie 3D est de développer des méthodes de reconstruction 3D qui s'appuient uniquement sur quelques radiographies 2D. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une technique permettant de reconstruire de façon automatique une surface 3D du fémur proximal à partir d'un nombre restreint de radiographies. Les études précédentes sur la reconstruction de surface ont généralement besoin de connaissances supplémentaires comme l'utilisation d'un modèle générique ou statistique 3D de la forme à reconstruire. La méthode décrite dans cette thèse nécessite seulement les coordonnées 3D de points calculées à partir de quelques paires de clichés radiographiques. Deux approches sont proposées. La première méthode repose sur la mise en correspondance de contours extraits de paires de radiographies et sur un modèle mathématique basé sur le principe de la stéréovision pour le calcul d'un nuage de points 3D. La deuxième technique utilise les résultats de l’approche précédente ainsi que des points extraits d’un autre fémur pour améliorer la précision au niveau de certaines régions sensibles choisies par l’opérateur. La reconstruction du modèle surfacique à partir des nuages de points obtenus par les deux techniques est obtenue par un maillage basé sur l'équation de Poisson. Un recalage 3D/3D est effectué entre le nuage de points calculé et le nuage de points extrait du modèle générique connu ("Gold Standard" obtenu avec des coupes CT-Scan) du même fémur proximal afin de pouvoir comparer la surface reconstruite à un modèle "vérité terrain" et ainsi estimer la précision de la méthode. / To understand and diagnose pathologies such as osteoporosis, which is considered as a major public health issue and, an important risk factor of fractures in particular the proximal femur fracture. The classical tools of diagnosis are mainly based on the analysis of X-rays photographs. These techniques have shown many limitations to carry out the key information for the physician. Through the last decade the 3D visualization of anatomy demonstrated the effectiveness for analysis and diagnosis, particularly for the guided orthopedic surgery (computer aided). In preoperative, for the surgical planning or the design of prostheses, in per operative, to assist the surgeon during the surgical act and finally in postoperative for the monitoring. It is also essential to provide the practitioner with a 3D tool for the diagnosis and analysis of the osteoporosis and the fracture risk. Reconstruction of 3D anatomical models can be achieved by the use of direct 3D imaging modalities such as Computed Tomography. However, such technique is limited to complex procedures because of the constraints imposed by cost, availability and risk of radiation to the patient. Thus, the alternative to this kind of 3D imaging is to develop methods for 3D reconstruction which are based only on few 2D radiographs. The main objective of this work is to propose a tool able to reconstruct automatically a 3D surface of the proximal femur from a limited number of X-ray images. Previous studies on the reconstruction of surfaces usually need additional knowledge such as the use of a 3D generic or statistical model of the shape to be reconstructed. The method described in this thesis requires only the 3D coordinates of points calculated from a few pairs of radiographs. Two approaches are proposed. The first method is based on the matching of extracted contours from pairs of radiographs and on a mathematical model based on the principle of the stereovision for the calculation of a 3D point cloud. The second technique uses the results of the previous method as well as new points, chosen by an operator from another proximal femur to improve accuracy at sensitive areas. The reconstruction of the surface model from this cloud of points is obtained by a meshing based on the Poisson's equation. A 3D/3D registration is made between the cloud of the calculated points and the cloud of the extracted points from the generic model ("Gold Standard" obtained with CT-Scan) of the same proximal femur in order to compare the reconstructed surface with a model "ground truth" and thus estimate the accuracy of the method.

L’objectif de cette thèse CIFRE est d’étudier et de tirer parti des derniers appareils mobiles du marché pour générer des 3D des pièces observées. De nous jours, ces appareils intègrent un grand nombre de capteurs, tel que des capteurs inertiels, des cameras RGB, et depuis peu, des capteurs de profondeur. Sans compter la présence de l’écran tactile qui offre une interface pour interagir avec l’utilisateur. Un cas d’usage typique de ces modèles 3D est la génération de plans d’intérieur, ou de fichiers CAO 3D (conception assistée par ordinateur) appliques a l’industrie du bâtiment. Le modèle permet d’esquisser les travaux de rénovation d’un appartement, ou d’évaluer la fidélité d’un chantier en cours avec le modèle initial. Pour le secteur de l’immobilier, la génération automatique de plans et modèles 3D peut faciliter le calcul de la surface habitable et permet de proposer des visites virtuelles a d’éventuels acquéreurs. Concernant le grand public, ces modèles 3D peuvent être intégrés a des jeux en réalité mixte afin d’offrir une expérience encore plus immersive, ou pour des applications de réalité augmentée, telles que la décoration d’intérieur. La thèse a trois contributions principales. Nous commençons par montrer comment le problème classique de détection des points de fuite dans une image, peut être revisite pour tirer parti de l’utilisation de données inertielles. Nous proposons un algorithme simple et efficace de détection de points de fuite reposant sur l’utilisation du vecteur gravite obtenu via ces données. Un nouveau jeu de données contenant des photos avec des données inertielles est présenté pour l’évaluation d’algorithmes d’estimation de points de fuite et encourager les travaux ultérieurs dans cette direction. Dans une deuxième contribution, nous explorons les approches d’odométrie visuelle de l’état de l’art qui exploitent des capteurs de profondeur. Localiser l’appareil mobile en temps réel est fondamental pour envisager des applications reposant sur la réalité augmentée. Nous proposons une comparaison d’algorithmes existants développés en grande partie pour ordinateur de bureau, afin d’étudier si leur utilisation sur un appareil mobile est envisageable. Pour chaque approche considérée, nous évaluons la précision de la localisation et les performances en temps de calcul sur mobile. Enfin, nous présentons une preuve de concept d’application permettant de générer le plan d’une pièce, en utilisant une tablette du projet Tango, équipée d’un capteur RGB-D. Notre algorithme effectue un traitement incrémental des données 3D acquises au cours de l’observation de la pièce considérée. Nous montrons comment notre approche utilise les indications de l’utilisateur pour corriger pendant la capture le modèle de la pièce. / Room layout generation is the problem of generating a drawing or a digital model of an existing room from a set of measurements such as laser data or images. The generation of floor plans can find application in the building industry to assess the quality and the correctness of an ongoing construction w.r.t. the initial model, or to quickly sketch the renovation of an apartment. Real estate industry can rely on automatic generation of floor plans to ease the process of checking the livable surface and to propose virtual visits to prospective customers. As for the general public, the room layout can be integrated into mixed reality games to provide a better immersiveness experience, or used in other related augmented reality applications such room redecoration. The goal of this industrial thesis (CIFRE) is to investigate and take advantage of the state-of-the art mobile devices in order to automate the process of generating room layouts. Nowadays, modern mobile devices usually come a wide range of sensors, such as inertial motion unit (IMU), RGB cameras and, more recently, depth cameras. Moreover, tactile touchscreens offer a natural and simple way to interact with the user, thus favoring the development of interactive applications, in which the user can be part of the processing loop. This work aims at exploiting the richness of such devices to address the room layout generation problem. The thesis has three major contributions. We first show how the classic problem of detecting vanishing points in an image can benefit from an a-priori given by the IMU sensor. We propose a simple and effective algorithm for detecting vanishing points relying on the gravity vector estimated by the IMU. A new public dataset containing images and the relevant IMU data is introduced to help assessing vanishing point algorithms and foster further studies in the field. As a second contribution, we explored the state of-the-art of real-time localization and map optimization algorithms for RGB-D sensors. Real-time localization is a fundamental task to enable augmented reality applications, and thus it is a critical component when designing interactive applications. We propose an evaluation of existing algorithms for the common desktop set-up in order to be employed on a mobile device. For each considered method, we assess the accuracy of the localization as well as the computational performances when ported on a mobile device. Finally, we present a proof of concept of application able to generate the room layout relying on a Project Tango tablet equipped with an RGB-D sensor. In particular, we propose an algorithm that incrementally processes and fuses the 3D data provided by the sensor in order to obtain the layout of the room. We show how our algorithm can rely on the user interactions in order to correct the generated 3D model during the acquisition process.

La reconstruction précise d’une scène 3D à partir de plusieurs caméras offre un contenu synthétique 3D à destination de nombreuses applications telles que le divertissement, la télévision et la production cinématographique. Cette thèse propose une nouvelle approche pour la reconstruction 3D multi-vues basée sur l’enveloppe visuelle et la stéréovision multi-oculaire. Cette approche nécessite en entrée l’enveloppe visuelle et plusieurs jeux d’images rectifiées issues de différentes unités multiscopiques constituées chacune de plusieurs caméras alignées et équidistantes. Nos contributions se situent à différents niveaux. Le premier est notre méthode de stéréovision multi-oculaire qui est fondée sur un nouvel échantillonnage de l’espace scénique et fournit une carte de matérialité exprimant la probabilité pour chaque point d’échantillonnage 3D d’appartenir à la surface visible par l’unité multiscopique. Le second est l’hybridation de cette méthode avec les informations issues de l’enveloppe visuelle et le troisième est la chaîne de reconstruction basée sur la fusion des différentes enveloppes creusées tout en gérant les informations contradictoires qui peuvent exister. Les résultats confirment : i) l’efficacité de l’utilisation de la carte de matérialité pour traiter les problèmes qui se produisent souvent dans la stéréovision, en particulier pour les régions partiellementoccultées ; ii) l’avantage de la fusion des méthodes de l’enveloppe visuelle et de la stéréovision multi-oculaire pour générer un modèle 3D précis de la scène. / Accurate reconstruction of a 3D scene from multiple cameras offers 3D synthetic content tobe used in many applications such as entertainment, TV, and cinema production. This thesisis placed in the context of the RECOVER3D collaborative project, which aims is to provideefficient and quality innovative solutions to 3D acquisition of actors. The RECOVER3Dacquisition system is composed of several tens of synchronized cameras scattered aroundthe observed scene within a chromakey studio in order to build the visual hull, with severalgroups laid as multiscopic units dedicated to multi-baseline stereovision. A multiscopic unitis defined as a set of aligned and evenly distributed cameras. This thesis proposes a novelframework for multi-view 3D reconstruction relying on both multi-baseline stereovision andvisual hull. This method’s inputs are a visual hull and several sets of multi-baseline views.For each such view set, a multi-baseline stereovision method yields a surface which is usedto carve the visual hull. Carved visual hulls from different view sets are then fused iterativelyto deliver the intended 3D model. Furthermore, we propose a framework for multi-baselinestereo-vision which provides upon the Disparity Space (DS), a materiality map expressingthe probability for 3D sample points to lie on a visible surface. The results confirm i) theefficient of using the materiality map to deal with commonly occurring problems in multibaselinestereovision in particular for semi or partially occluded regions, ii) the benefit ofmerging visual hull and multi-baseline stereovision methods to produce 3D objects modelswith high precision.

La microscopie à force atomique (AFM) est un outil de caractérisation d’échantillons tant organiques qu’inorganiques d’intérêt en physique, en biologie et en métallurgie. Le champ d’investigation de la microscopie AFM reste néanmoins restreint à l’étude des propriétés surfaciques des échantillons et la caractérisation sub-surfacique à l’échelle nanométrique n’est pas envisageable au-delà de la nano-indentation. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux techniques de sonde locale complémentaires pour l’investigation volumique haute résolution.La première technique proposée est la microscopie de champ proche ultrasonore (MS-AFM), mise en place et exploitée en collaboration avec Dr. L. Tétard de l’Université Centrale de Floride. Cette technique fournie des informations localisées en profondeur en utilisant des ondes acoustiques dans la gamme de fréquences du MHz. Une étude complète de l’influence des paramètres de fréquences a été réalisée sur des échantillons de calibration et a permis de valider un modèle d’interprétation numérique. Cette technique ultrasonore, non invasive, a été appliquée à la caractérisation de vésicules lipidiques au sein de bactéries lors d’une collaboration avec les Pr. A. Dazzi et M.-J. Virolle, de l’Université Paris Sud Orsay. Un couplage a été réalisé avec la microscopie AFM infra-rouge (AFM-IR). Cette étude a démontré le potentiel d’investigation et d’analyse volumique et chimique d’échantillons biologiques.La seconde technique étudiée est la microscopie micro-onde (SMM), développée en collaboration avec la société Keysight. Cette technique, tout comme la microscopie acoustique, est non invasive et conduit à une caractérisation physico-chimique basée sur l’interaction de micro-ondes (0.2-16 GHz) avec la matière. Dans le cas de métaux, un lien entre la fréquence et la profondeur d’investigation a été mis en évidence. Cette technique a été appliquée à l’étude de la diffusion d’élément chimique léger au sein de métaux et à la mesure des propriétés mécaniques des matériaux. L’ensemble de ces résultats ouvre un nouveau champ d’investigation de la tomographie 3D dans l’analyse volumique à l’échelle nanométrique que ce soit dans le domaine de la biologie ou de la métallurgie. / The atomic force microscope (AFM) is a powerful tool for the characterization of organic and inorganic materials of interest in physics, biology and metallurgy. However, conventional scanning probe microscopy techniques are limited to the probing surface properties, while the subsurface analysis remains difficult beyond nanoindentation methods. Thus, the present thesis is focused on two novel complementary scanning probe techniques for high-resolution volumetric investigation that were develop to tackle this persisting challenge in nanometrology. The first technique considered, called Mode Synthesizing Atomic Force Microscopy (MSAFM), has been exploited in collaboration with Dr. Laurene Tetard of University of Central Florida to explore the volume of materials with high spatial resolution by means of mechanical actuation of the tip and the sample with acoustic waves of frequencies in the MHz range. A comprehensive study of the impact of the frequency parameters on the performance of subsurface imaging has been conducted through the use of calibrated samples and led to the validation of a numerical model for quantitative interpretation. Furthermore, this non-invasive technique has been utilized to locate lipid vesicles inside bacteria (in collaboration with Pr. A. Dazzi and M.-J. Virolle of Université Paris Sud, Orsay). Furthermore, we have combined this ultrasonic approach with infra-red microscopy, to add chemical speciation aimed at identifying the subsurface features, which represents a great advance for volume and chemical characterization of biological samples. The second technique considered is the Scanning Microwave Microscopy, which was developed in collaboration with Keysight society. Similar to acoustic-based microscopy, this non-invasive technique provided physical and chemical characterizations based on the interaction of micro-waves radiations with the matter (with frequency ranging from 0.2 and 16 GHz). Particularly, for metallic samples we performed volumetric characterization based on the skin effect of the materials. On the other hand, we have used this technique to analyze the diffusion of light chemical elements in metals and measured the effect of changes in mechanical properties of materials on their conductivity.Overall, these results constitute a new line of research involving non-destructive subsurface high resolution analysis by means of the AFM of great potential for several fields of research.

L'environnement sous-marin compliqué et la pauvre vision sous-marine font le robot câblé sous-marin super-mini-à peine pour être contrôlés. Traditionnellement, la méthode de contrôle manuelle par les opérateurs est adoptée par cette sorte de robots. Malheureusement, les robots peuvent à peine travailler normalement dans ces circonstances pratiques. Donc, pour surmonter ces manques et améliorer les capacités de ces robots câblés sous-marins, ce papier propose plusieurs améliorations, en incluant le design de système, le design de contrôleur de mouvement, la reconnaissance d'obstacle en trois dimensions et les technologies de reconstruction de sentier en trois dimensions etc. (1) Super-mini sous-marins de conception système de robot: plusieurs programmes d'amélioration et d'idées de conception importants sont étudiés pour la super-mini robot sous-marin (2) La conception du contrôleur de mouvement du robot sous-marin dans des circonstances compliquées est étudiée. Un nouveau réseau de neurones adaptatif coulissantes contrôleur de mode avec le contrôleur paramètre équilibrée est proposé. Basé sur la théorie de la gestion adaptative floue contrôleur de mode coulissant , un algorithme amélioré est également proposé et appliqué à l'robot sous-marin. (3) Recherche de reconstructions d'environnement sous-marines en trois dimensions : les algorithmes et les expériences de reconstructions d'environnement sous-marines sont enquêtés. L'algorithme de traitement d'image de DT-MRI et la théorie de reconstructions d'obstacle en trois dimensions sont adoptés et améliorés pour l'application du robot sous-marin. / The complicated underwater environment and the poor underwater vision make super-mini underwater cable robot hardly to be controlled. Traditionally, the manual control method by operators is adopted by this kind of robots. Unfortunately, the robots can hardly work normally in these practical circumstances. Therefore, to overcome these shortcomings and improve the abilities of these underwater cable robots, this paper proposes several improvements, including the system design, the motion controller design, three dimensional obstacle recognition and three dimensional path reconstruction technologies etc. The details are displayed as follow: (1) Super-mini underwater robot system design: several improvement schemes and important design ideas are investigated for the super-mini underwater robot.(2) Super-mini robot motion controller design: The motion controller design of underwater robot in complicated circumstance is investigated. A new adaptive neural network sliding mode controller with balanced parameter controller (ANNSMB) is proposed. Based on the theory of adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC), an improved algorithm is also proposed and applied to the underwater robot. (3)Research of three dimensional underwater environment reconstructions: The algorithms and the experiments of underwater environment reconstructions are investigated. DT-MRI image processing algorithm and the theory of three dimensional obstacle reconstructions are adopted and improved for the application of the underwater robot. (4) The super-mini underwater robot path planning algorithms are investigated.