Dans cette thèse nous étudions le fait de localiser complètement un objet connu par vision artificielle, en utilisant une caméra monoculaire, ce qui constitue un problème majeur dans des domaines comme la robotique. Une attention particulière est ici portée sur des applications de robotique spatiale, dans le but de concevoir un système de localisation visuelle pour des opérations de rendez-vous spatial autonome. Deux composantes principales du problème sont abordées: celle de la localisation initiale de l'objet ciblé, puis celle du suivi de cet objet image par image, donnant la pose complète entre la caméra et l'objet, connaissant le modèle 3D de l'objet. Pour la détection, l'estimation de pose est basée sur une segmentation de l'objet en mouvement et sur une procédure probabiliste d'appariement et d'alignement basée contours de vues synthétiques de l'objet avec une séquence d'images initiales. Pour la phase de suivi, l'estimation de pose repose sur un algorithme de suivi basé modèle 3D, pour lequel nous proposons trois différents types de primitives visuelles, dans l'idée de décrire l'objet considéré par ses contours, sa silhouette et par un ensemble de points d'intérêts. L'intégrité du système de localisation est elle évaluée en propageant l'incertitude sur les primitives visuelles. Cette incertitude est par ailleurs utilisée au sein d'un filtre de Kalman linéaire sur les paramètres de vitesse. Des tests qualitatifs et quantitatifs ont été réalisés, sur des données synthétiques et réelles, avec notamment des conditions d'image difficiles, montrant ainsi l'efficacité et les avantages des différentes contributions proposées, et leur conformité avec un contexte de rendez vous spatial. / In this thesis, we address the issue of fully localizing a known object through computer vision, using a monocular camera, what is a central problem in robotics. A particular attention is here paid on space robotics applications, with the aims of providing a unified visual localization system for autonomous navigation purposes for space rendezvous and proximity operations. Two main challenges of the problem are tackled: initially detecting the targeted object and then tracking it frame-by-frame, providing the complete pose between the camera and the object, knowing the 3D CAD model of the object. For detection, the pose estimation process is based on the segmentation of the moving object and on an efficient probabilistic edge-based matching and alignment procedure of a set of synthetic views of the object with a sequence of initial images. For the tracking phase, pose estimation is handled through a 3D model-based tracking algorithm, for which we propose three different types of visual features, pertinently representing the object with its edges, its silhouette and with a set of interest points. The reliability of the localization process is evaluated by propagating the uncertainty from the errors of the visual features. This uncertainty besides feeds a linear Kalman filter on the camera velocity parameters. Qualitative and quantitative experiments have been performed on various synthetic and real data, with challenging imaging conditions, showing the efficiency and the benefits of the different contributions, and their compliance with space rendezvous applications.

Le travail de thèse que nous présentons s’articule autour de l’utilisation de caméras motorisées à trois degrés de liberté, également appelées caméras PTZ. Ces caméras peuvent être pilotées suivant deux angles. L’angle de panorama (θ) permet une rotation autour d’un axe vertical et l’angle de tangage (ϕ) permet une rotation autour d’un axe horizontal. Si, théoriquement, ces caméras permettent donc une vue omnidirectionnelle, elles limitent le plus souvent la rotation suivant l’angle de panorama mais surtout suivant l’angle de tangage. En plus du pilotage des rotations, ces caméras permettent également de contrôler la distance focale permettant ainsi un degré de liberté supplémentaire. Par rapport à d’autres modèles, les caméras PTZ permettent de construire un panorama - représentation étendue d’une scène construite à partir d’une collection d’image - de très grande résolution. La première étape dans la construction d’un panorama est l’acquisition des différentes prises de vue. A cet effet, nous avons réalisé une étude théorique permettant une couverture optimale de la sphère à partir de surfaces rectangulaires en limitant les zones de recouvrement. Cette étude nous permet de calculer une trajectoire optimale de la caméra et de limiter le nombre de prises de vues nécessaires à la représentation de la scène. Nous proposons également différents traitements permettant d’améliorer sensiblement le rendu et de corriger la plupart des défauts liés à l’assemblage d’une collection d’images acquises avec des paramètres de prises de vue différents. Une part importante de notre travail a été consacrée au recalage automatique d’images en temps réel, c’est à dire que chaque étapes est effectuée en moins de 40ms pour permettre le traitement de 25 images par seconde. La technologie que nous avons développée permet d’obtenir un recalage particulièrement précis avec un temps d’exécution de l’ordre de 4ms (AMD1.8MHz). Enfin, nous proposons deux applications de suivi d’objets en mouvement directement issues de nos travaux de recherche. La première associe une caméra PTZ à un miroir sphérique. L’association de ces deux éléments permet de détecter tout objet en mouvement dans la scène puis de se focaliser sur l’un d’eux. Dans le cadre de cette application, nous proposons un algorithme de calibrage automatique de l’ensemble caméra et miroir. La deuxième application n’exploite que la caméra PTZ et permet la segmentation et le suivi des objets dans la scène pendant le mouvement de la caméra. Par rapport aux applications classiques de suivi de cible en mouvement avec une caméra PTZ, notre approche se différencie par le fait que réalisons une segmentation fine des objets permettant leur classification. / The thesis considers the of use motorized cameras with 3 degrees of freedom which are commonly called PTZ cameras. The orientation of such cameras is controlled according to two angles: the panorama angle (θ) describes the degree of rotation around on vertical axis and the tilt angle (ϕ) refers to rotation along a meridian line. Theoretically, these cameras can cover an omnidirectional field of vision of 4psr. Generally, the panorama angle and especially the tilt angle are limited for such cameras. In addition to control of the orientation of the camera, it is also possible to control focal distance, thus allowing an additional degree of freedom. Compared to other material, PTZ cameras thus allow one to build a panorama of very high resolution. A panorama is a wide representation of a scene built starting from a collection of images. The first stage in the construction of a panorama is the acquisition of the various images. To this end, we made a theoretical study to determine the optimal paving of the sphere with rectangular surfaces to minimize the number of zones of recovery. This study enables us to calculate an optimal trajectory of the camera and to limit the number of images necessary to the representation of the scene. We also propose various processing techniques which appreciably improve the rendering of the mosaic image and correct the majority of the defaults related to the assembly of a collection of images which were acquired with differing image capture parameters. A significant part of our work was used to the automatic image registration in real time, i.e. lower than 40ms. The technology that we developed makes it possible to obtain a particularly precise image registration with an computation time about 4ms (AMD1.8MHz). Our research leads directly to two proposed applications for the tracking of moving objects. The first involves the use of a PTZ camera and a spherical mirror. The combination of these two elements makes it possible to detect any motion object in the scene and to then to focus itself on one of them. Within the framework of this application, we propose an automatic algorithm of calibration of the system. The second application exploits only PTZ camera and allows the segmentation and the tracking of the objects in the scene during the movement of the camera. Compared to the traditional applications of motion detection with a PTZ camera, our approach is different by the fact that it compute a precise segmentation of the objects allowing their classification.

Cette thèse traite de la problématique de l'analyse automatique de tracés manuscrits réalisés à mains levée, à caractère géométrique et acquis en ligne. Lorsque l'on analyse un tracé en ligne, on peut le faire selon plusieurs angles. Comme pour les tracés hors ligne, on peu s'atteler à reconnaitre la forme produite. Mais le caractère en ligne de l'acquisition permet également d'autres niveaux d'analyse, comme l'analyse de la procédure utilisée par le dessinateur lors de la production de son dessin. Nous avons dans le cadre de ce travail élaboré des outils permettant de telles analyses de la production de tracé. Dans une première partie nous traitons des pré traitements à effectuer sur le tracé afin de pouvoir procéder aux analyses spatio-graphique et procédurale. Ces pré traitements sont le filtrage, la segmentation mixte à base d'arcs de cercles et de segments de droite, la sélection des points d'intérêt ainsi que l'identification de la nature de ces points. La seconde partie concerne l'analyse visuo-spatiale. Nous abordons alors deux aspects: la question de la reconnaissance des formes et celle de l'évaluation automatique de leur qualité. Notre contribution consiste en une méthode de reconnaissance basée sur l'apparence utilisant des descripteurs locaux. La dernière partie traite de l'analyse procédurale. Nous proposons une méthode d'extraction et de modélisation de la procédure mise en œuvre lors du dessin d'une forme. Nous montrons comment en utilisant cette modélisation, nous pouvons non seulement déterminer la procédure favorite d'un utilisateur mais également reconnaitre un dessinateur par l'analyse de sa procédure. / This thesis handles the problem of the automatic analysis of online hand drawn geometric sketches. An online sketch can be analysed according to several points of view. As for offline sketching, we can try to recognize the produced shape. However, online sketching allows other levels of analysis. For example the analysis of the behavior of the drawer during the production of the sketch. In this thesis, we have tried to develop tools allowing a multi level analysis, including both shape and behavior analysis. The first part of our work deals with the pre treatments that must be performed on the sketch in order to allow upper level analysis. Those pre treatments are filtering, mixed segmentation and feature points detection and labelisation. In the second part, we approach shape analysis in two aspects: shape recognition and evaluation. We have developed a appearance based method which use local descriptors to allows both recognition and evaluation of the quality of a produced shape compared to the model . in the last part we propose a method for drawer's behavior extraction and modeling. Then we show how we can not only determine the favorite procedure of a drawer but also recognize the drawer by analyzing his behavior.

La délimitation précise du contour des lésions pigmentées sur des images est une première étape importante pour le diagnostic assisté par ordinateur du mélanome. Cette thèse présente une nouvelle approche de la détection automatique du contour des lésions pigmentaires sur des images couleurs ou multispectrales de la peau. Nous présentons d'abord la notion de minimisation d'énergie par coupes de graphes en terme de Maxima A-Posteriori d'un champ de Markov. Après un rapide état de l'art, nous étudions l'influence des paramètres de l'algorithme sur les contours d'images couleurs. Dans ce cadre, nous proposons une fonction d'énergie basée sur des classifieurs performants (Machines à support de vecteurs et Forêts aléatoires) et sur un vecteur de caractéristiques calculé sur un voisinage local. Pour la segmentation de mélanomes, nous estimons une carte de concentration des chromophores de la peau, indices discriminants du mélanomes, à partir d'images couleurs ou multispectrales, et intégrons ces caractéristiques au vecteur. Enfin, nous détaillons le schéma global de la segmentation automatique de mélanomes, comportant une étape de sélection automatique des "graines" utiles à la coupure de graphes ainsi que la sélection des caractéristiques discriminantes. Cet outil est comparé favorablement aux méthodes classiques à base de coupure de graphes en terme de précision et de robustesse. / Accurate border delineation of pigmented skin lesion (PSL) images is a vital first step in computer-aided diagnosis (CAD) of melanoma. This thesis presents a novel approach of automatic PSL border detection on color and multispectral skin images. We first introduce the concept of energy minimization by graph cuts in terms of maximum a posteriori estimation of a Markov random field (MAP-MRF framework). After a brief state of the art in interactive graph-cut based segmentation methods, we study the influence of parameters of the segmentation algorithm on color images. Under this framework, we propose an energy function based on efficient classifiers (support vector machines and random forests) and a feature vector calculated on a local neighborhood. For the segmentation of melanoma, we estimate the concentration maps of skin chromophores, discriminating indices of melanomas from color and multispectral images, and integrate these features in a vector. Finally, we detail an global framework of automatic segmentation of melanoma, which comprises two main stages: automatic selection of "seeds" useful for graph cuts and the selection of discriminating features. This tool is compared favorably to classic graph-cut based segmentation methods in terms of accuracy and robustness.

Caractériser les propriétés mécaniques de la neige est un défi majeur pour la prévision et la prédétermination du risque d’avalanche. Du fait du grand nombre de types de neige et de la difficulté à effectuer des mesures sur ce matériau très fragile, la compréhension de la relation entre la microstructure de la neige et ses propriétés mécaniques est encore incomplète. Cette thèse aborde ce problème par le biais d’une approche de modélisation mécanique basée sur la microstructure tridimensionnelle de neige obtenue par microtomographie aux rayons X. Tout d’abord, afin d’automatiser et améliorer la segmentation des images microtomographiques, un nouvel algorithme tirant profit de la minimisation de l’énergie de surface de la neige a été développé et évalué. L’image air-glace est ensuite utilisée comme entrée géométrique d’un modèle éléments finis où la glace est supposée élastique fragile. Ce modèle permet de reproduire le comportement fragile en traction et révèle le comportement pseudoplastique apparent causé par l’endommagement microscopique, ainsi que la forte hétérogénéité des contraintes dans la matrice de glace. Pour reproduire les grandes déformations impliquant le ré-arrangement de grains, un modèle par éléments discrets a ensuite été développé. Les grains sont identifiés dans la microstructure en utilisant des critères géométriques dont la pertinence mécanique a été démontrée, et décrits dans le modèle par des blocs rigides de sphères. Le comportement simulé en compression est dominé par le rôle de la densité mais révèle également des différences liées au type de neige. Enfin, pour distinguer le degré de cohésion entre les types de neige, un indicateur microstructurel a été développé et s’est avéré être fortement corrélé aux propriétés mécaniques et physiques du matériau. / Characterizing the complex microstructure of snow and its mechanics is a major challenge for avalanche forecasting and hazard mapping. While the effect of environmental conditions on the snow metamorphism, which leads to numerous snow types, is fairly known, the relation between snow microstructure and mechanical properties is poorly understood because of the very fragile nature of snow. In order to decipher this relation for dry snow, this thesis presents a modeling approach of snow mechanics based on the three-dimensional microstructure of snow captured by X-ray microtomography and the properties of ice. First, in order to automatically process the microtomographic data, we take advantage of the minimization of the snow surface energy through metamorphism to efficiently binary segment grayscale images. Second, assuming an elastic brittle behavior of the ice matrix, the tensile strength of snow is modeled via a finite element approach. The model reveals an apparent pseudo-plastic behavior caused by damage, and the highly heterogenous stress distribution in the ice matrix. Third, we develop a discrete element model, accounting for grain-rearrangements and the creation/failure of inter-granular contacts. The grains, geometric input of the model, are detected in the microstructure with mechanically-relevant criteria and described as rigid clumps of spheres. The model evidences that the compression behavior of snow is mainly controlled by density but that the first stage of deformation is also sensible to the snow type. Last, the inter-granular bonds, recognized to be critical for the mechanical properties, are characterized through a new microstructural indicator, which effectively highly correlates with the simulated mechanical and physical properties.

Consumer segmentation based on expenditure are usually done by using observedcharacteristics, such as age and income. This thesis highlights the problem with negativeexternalities which Venice suffers from, due to mass tourism. This thesis aims to assesswhether unobservable heterogeneity can be used to detect latent classes within tourismexpenditure. Segmenting the tourism market using this approach is valuable for policy making.Segmenting is also useful for the actors in the market to identify and attract high spenders. Inthat way, a destination may uphold a sustainable level of tourism instead of increasing touristnumbers. The method used for this approach is finite mixture modelling (FMM), which is notmuch used within consumer markets and therefore this thesis also contributes to tourismexpenditure methodology. This thesis adds to the literature by increasing the knowledge aboutthe importance of unobserved factors when segmenting visitors.The results show that four latent classes are found in tourism expenditure. Some of thevariables, which are significant in determining tourism expenditure, are shown to affectexpenditure differently in different classes while some are shown not to be significant. Theconclusions are that segmenting tourism expenditure, using unobserved heterogeneity, issignificant and that variables, which are barely significant in determining the expenditure ofthe population, can be strongly significant in determining the expenditure for a certain class.

Submitted by Fernando Souza (fernandoafsou@gmail.com) on 2017-09-20T13:22:58Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6673725 bytes, checksum: 5a6f8ff251599fe900848838a3d9ced8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-20T13:22:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6673725 bytes, checksum: 5a6f8ff251599fe900848838a3d9ced8 (MD5) Previous issue date: 2017-04-07 / This study has the purpose presenting the result of a research on unconventional segmentations of words performed with children of the second year of elementary school. Because it is a work developed with children in the process of literacy and thinking about the contribution to a more significant study, we decided to use parlendas, as well as working through children's popular games, it greatly facilitates the study of nonconventional segmentation: hyper segmentation and hypo segmentation because parlendas are attractive texts and have small verses, easy to memorize. We observed that, in the literacy process, students have a lot of difficulty in segmenting words, and therefore end up joining or separating words differently from the ones proposed by the standard, precisely because they transpose the knowledge of orality into writing without any or few teacher's intervention. The separation between the words of a sentence can cause doubts in students who are beginning to have contact with the written language, therefore, are difficulties that once unresolved in the base, in the initial years, can be dragged into the later school years. We understand, based on Kleiman (1996); Soares (2009); Ferreiro (1999; 2011); PCN (1997), that exploits the reading and writing through playful activities, directed to the initial years, helps the students' learning, since it allows the adequate contact with the textual diversity since the first steps in the work with writing. And, in fact, we could verify that of the total of 10 children who participated in our practice, 06 understood the formalization of the segmentation in writing after the sequence of activities applied. / Este estudo tem como propósito apresentar o resultado de uma pesquisa sobre segmentações não convencionais de palavras realizadas com crianças do 2º ano do ensino fundamental. Por ser um trabalho desenvolvido com crianças no processo de alfabetização e pensando em contribuir com um estudo mais significativo, resolvemos utilizar o gênero parlenda, pois além de trabalhar a linguagem através das brincadeiras populares infantis, facilita bastante o estudo da segmentação não convencional: hipersegmentação e hipossegmentação, já que as parlendas são textos atrativos e que possuem versos pequenos, fáceis de memorizar. Observamos que, no processo de alfabetização, os alunos apresentam muita dificuldade de segmentação de palavras, e, por isso, terminam juntando ou separando as palavras de forma distinta do proposto pelo padrão, justamente porque transpõem os conhecimentos da oralidade para escrita sem nenhuma ou pouca intervenção do professor. A separação entre as palavras de uma frase pode causar dúvidas nos alunos que estão começando a ter contato com a língua escrita, portanto, são dificuldades que uma vez não solucionadas na base, nos anos iniciais, poderão ser arrastadas para as os anos escolares posteriores. Entendemos, com base em Kleiman (1996); Soares (2009); Ferreiro (1999; 2011); PCN (1997), que explorar a leitura e a prática da escrita por meio de atividades lúdicas, voltadas aos anos iniciais, auxilia a aprendizagem dos alunos, uma vez que possibilita o adequado contato com a diversidade textual desde os primeiros passos no trabalho com a escrita. E, de fato, pudemos comprovar que do total de 10 crianças que participaram da nossa prática, 06 conseguiram compreender melhor a formalização da segmentação na escrita após a sequência de atividades aplicadas em sala.

This thesis proposes a probabilistic level set method to be used in segmentation of tumors with heterogeneous intensities. It models the intensities of the tumor and surrounding tissue using Gaussian mixture models. Through a contour based initialization procedure samples are gathered to be used in expectation maximization of the mixture model parameters. The proposed method is compared against a threshold-based segmentation method using MRI images retrieved from The Cancer Imaging Archive. The cases are manually segmented and an automated testing procedure is used to find optimal parameters for the proposed method and then it is tested against the threshold-based method. Segmentation times, dice coefficients, and volume errors are compared. The evaluation reveals that the proposed method has a comparable mean segmentation time to the threshold-based method, and performs faster in cases where the volume error does not exceed 40%. The mean dice coefficient and volume error are also improved while achieving lower deviation.

Nous présentons dans cette thèse un nouveau modèle statistique de forme et l'utilisons pour la segmentation d'images avec a priori. Ce modèle est représenté par un champ de Markov. Les noeuds du graphe correspondent aux points de contrôle situés sur le contour de la forme géométrique, et les arêtes du graphe représentent les dépendances entre les points de contrôle. La structure du champ de Markov est déterminée à partir d'un ensemble de formes, en utilisant des techniques d'apprentissage de variétés et de groupement non-supervisé. Les contraintes entre les points sont assurées par l'estimation des fonctions de densité de probabilité des longueurs de cordes normalisées. Dans une deuxième étape, nous construisons un algorithme de segmentation qui intègre le modèle statistique de forme, et qui le relie à l'image grâce à un terme région, à travers l'utilisation de diagrammes de Voronoi. Dans cette approche, un contour de forme déformable évolue vers l'objet à segmenter. Nous formulons aussi un algorithme de segmentation basé sur des détecteurs de points d'intérêt, où le terme de régularisation est lié à l'apriori de forme. Dans ce cas, on cherche à faire correspondre le modèle aux meilleurs points candidats extraits de l'image par le détecteur. L'optimisation pour les deux algorithmes est faite en utilisant des méthodes récentes et efficaces. Nous validons notre approche à travers plusieurs jeux de données en 2D et en 3D, pour des applications de vision par ordinateur ainsi que l'analyse d'images médicales. / In this thesis, we introduce a new statistical shape model and use it for knowledge-based image segmentation. The model is represented by a Markov Random Field (MRF). The vertices of the graph correspond to landmarks lying on the shape boundary, whereas the edges of the graph encode the dependencies between the landmarks. The MRF structure is determined from a training set of shapes using manifold learning and unsupervised clustering techniques. The inter-point constraints are enforced using the learnedprobability distribution function of the normalized chord lengths.This model is used as a basis for knowledge-based segmentation. We adopt two approaches to incorporate the data support: one is based on landmark correspondences and the other one uses image region information. In the first case, correspondences between the model and the image are obtained through detectors and the optimal configuration is achieved through combination of detector responses and prior knowledge. The second approach consists of minimizing an energy that discriminates the object from the background while accounting for the shape prior. A Voronoi decomposition is used to express this objective function in a distributed manner using the landmarks of the model. Both algorithms are optimized using state-of-the art eficient optimization methods. We validate our approach on various 2D and 3D datasets of images, for computer vision applications as well as medical image analysis.

Les séquences de maillages sont de plus en plus utilisées. Cette augmentation des besoins entraîne un développement des méthodes de génération de séquences de maillages. Ces méthodes de générations peuvent produire des séquences de maillages de natures différentes. Le nombre d’applications utilisant ces séquences s’est également accru, avec par exemple la compression et le transfert de pose. Ces applications nécessitent souvent de calculer une partition de la séquence. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement à la segmentation en composantes rigides de séquences de maillages. Dans un premier temps, nous formalisons la notion de séquence de maillages et proposons donc une classification permettant de désigner quelles sont les propriétés attachées à un type de séquence, et ainsi de décrire précisément quel type de séquence est nécessaire pour une application donnée. Dans un second temps, nous formalisons la notion de segmentation de séquence de maillages, et présentons également l’état de l’art des méthodes de segmentation sur les séquences de maillages. Ensuite, nous proposons une première méthode de type globale pour les séquences stables de maillages, fondée sur la fusion de régions. Par la suite, nous présentons deux autres méthodes, reposant sur la classification spectrale. La première, produit un ensemble de segmentations globales, tandis que la seconde génère une segmentation globale ou une segmentation temporellement variable. Nous mettons également en place un système d’évaluation quantitative des segmentations. Enfin, nous présentons les différentes perspectives liées à la segmentation. / Mesh sequences are becoming a common tool in computer graphics as can be seen in video games or medical imaging. As a consequence, mesh sequences generation’s methods have been developed. Sequences can be created using a modeler or by multicameras acquisition. These methods can generate sequences which have different properties. Moreover, different applications using mesh sequences have been proposed such as compression or pose transfer. Most of these applications require to compute a segmentation as a pre-processing step. This thesis deals with mesh sequence segmentation into rigid components. First, we formalize the notion of mesh sequence, and propose a nomenclature, allowing us to design the properties attached to each kind of mesh sequence, and to describe precisely what kind of sequence an algorithm requires as input. Next, we propose a formalization of mesh sequence segmentation by providing different definitions of segmentation.We then present mesh sequences segmentation state of the art. We then propose a first segmentation method, producing a global segmentationand taking as input a stable mesh sequence. This method is based on a region-growing process. Next, we present two segmentation methods, both based on spectral clustering and taking as input an unconstrained mesh sequence. The former method produces a set of global segmentations, while the latter generate either a global segmentation or a timevarying segmentation. We also propose a quantitative segmentation evaluation system. Finally, we provide future work leads on mesh sequence segmentation.