Cette thèse est consacrée à la résolution de problèmes d'analyse non linéaire multivoque dans lesquels plusieurs variables interagissent. Le problème générique est modélisé par une inclusion vis-à-vis d'une somme d'opérateurs monotones sur un espace hilbertien produit. Notre objectif est de concevoir des nouveaux algorithmes pour résoudre ce problème sous divers jeux d'hypothèses sur les opérateurs impliqués et d'étudier le comportement asymptotique des méthodes élaborées. Une propriété commune aux algorithmes est le fait qu'ils procèdent par éclatement en ceci que les opérateurs monotones et, le cas échéant, les opérateurs linéaires constitutifs du modèle agissent indépendamment au sein de chaque itération. Nous abordons en particulier le cas où les opérateurs monotones sont des sous-différentiels de fonctions convexes, ce qui débouche sur de nouveaux algorithmes de minimisation. Les méthodes proposées unifient et dépassent largement l'état de l'art. Elles sont appliquées aux inclusions monotones composites en dualité, aux problèmes d'équilibre, au traitement du signal et de l'image, à la théorie des jeux, à la théorie du trafic, aux équations d'évolution, aux problèmes de meilleure approximation et à la décomposition de domaine dans les équations aux dérivées partielles.

La solution de nombreux problèmes de restauration et de reconstruction d'images se ramène à celle de la minimisation d'un critère pénalisé qui prend en compte conjointement les observations et les informations préalables. Ce travail de thèse s'intéresse à la minimisation des critères pénalisés préservant les discontinuités des images. Nous discutons des aspects algorithmiques dans le cas de problèmes de grande taille. Il est possible de tirer parti de la structure des critères pénalisés pour la mise en oeuvre algorithmique du problème de minimisation. Ainsi, des algorithmes d'optimisation semi-quadratiques (SQ) convergents exploitant la forme analytique des critères pénalisés ont été utilisés. Cependant, ces algorithmes SQ sont généralement lourds à manipuler pour les problèmes de grande taille. L'utilisation de versions approchées des algorithmes SQ a alors été proposée. On peut également envisager d'employer des algorithmes du gradient conjugué non linéaire GCNL+SQ1D utilisant une approche SQ scalaire pour la recherche du pas. En revanche, plusieurs questions liées à la convergence de ces différentes structures algorithmiques sont restées sans réponses jusqu'à présent. Nos contributions consistent à:<br />- Démontrer la convergence des algorithmes SQ approchés et GCNL+SQ1D.<br />- Etablir des liens forts entre les algorithmes SQ approchés et GCNL+SQ1D. <br />- Illustrer expérimentalement en déconvolution d'images le fait que les algorithmes SQ approchés et GCNL+SQ1D sont préférables aux algorithmes SQ exacts.<br />- Appliquer l'approche pénalisée à un problème de déconvolution d'images en contrôle non destructif par ultrasons.

Le problème d'estimer une fonction de plusieurs variables à partir d'une observation corrompue surgit dans de nombreux domaines d'ingénierie. Par exemple, en imagerie médicale cette tâche a attiré une attention particulière et a, même, motivé l'introduction de nouveaux concepts qui ont trouvé des applications dans de nombreux autres domaines. Cet intérêt est principalement du au fait que l'analyse des données médicales est souvent effectuée dans des conditions difficiles car on doit faire face au bruit, au faible contraste et aux transformations indésirables inhérents aux systèmes d'acquisition. D'autre part , le concept de parcimonie a eu un fort impact sur la reconstruction et la restauration d'images au cours des deux dernières décennies. La parcimonie stipule que certains signaux et images ont des représentations impliquant seulement quelques coefficients non nuls. Cela est avéré être vérifiable dans de nombreux problèmes pratiques. La thèse introduit de nouvelles constructions d'a priori de parcimonie dans le cas des ondelettes et de la variation totale. Ces constructions utilisent une notion d'anisotopie généralisée qui permet de regrouper des variables ayant des comportements similaires : ces comportement peuvent peut être liée à la régularité de la fonction, au sens physique des variables ou bien au modèle d'observation. Nous utilisons ces constructions pour l'estimation non-paramétriques de fonctions. Dans le cas des ondelettes, nous montrons l'optimalité de l'approche sur les espaces fonctionnelles habituels avant de présenter quelques exemples d’applications en débruitage de séquences d'images, de données spectrales et hyper-spectrales, écoulements incompressibles ou encore des images ultrasonores. En suite, nous modélisons un problème déconvolution de données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle comme un problème de minimisation faisant apparaître un a priori de variation totale structuré en espace-temps. Nous adaptons une généralisation de l'éclatement explicite-implicite pour trouver une solution au problème de minimisation. / The problem of estimating a multivariate function from corrupted observations arises throughout many areas of engineering. For instance, in the particular field of medical signal and image processing, this task has attracted special attention and even triggered new concepts and notions that have found applications in many other fields. This interest is mainly due to the fact that the medical data analysis pipeline is often carried out in challenging conditions, since one has to deal with noise, low contrast and undesirable transformations operated by acquisition systems. On the other hand, the concept of sparsity had a tremendous impact on data reconstruction and restoration in the last two decades. Sparsity stipulates that some signals and images have representations involving only a few non-zero coefficients. The present PhD dissertation introduces new constructions of sparsity priors for wavelets and total variation. These construction harness notions of generalized anisotropy that enables grouping variables into sub-sets having similar behaviour; this behaviour can be related to the regularity of the unknown function, the physical meaning of the variables or the observation model. We use these constructions for non-parametric estimation of multivariate functions. In the case of wavelet thresholding, we show the optimality of the procedure over usual functional spaces before presenting some applications on denoising of image sequence, spectral and hyperspectral data, incompressible flows and ultrasound images. Afterwards, we study the problem of retrieving activity patterns from functional Magnetic Resonance Imaging data without incorporating priors on the timing, durations and atlas-based spatial structure of the activation. We model this challenge as a spatio-temporal deconvolution problem. We propose the corresponding variational formulation and we adapt the generalized forward-backward splitting algorithm to solve it.