Cette thèse a pris la forme d’un partenariat entre l’équipe VORTEX du laboratoire de recherche en informatique IRIT et l’entreprise Andil, spécialisée dans l'informatique pour l'e-learning. Ce partenariat est conclu autour d’une thèse CIFRE, dispositif soutenu par l’État via l’ANRT. La doctorante, Angela Bovo, a travaillé au sein de l'Université Toulouse 1 Capitole. Un partenariat a également été noué avec l'institut de formation Juriscampus, qui nous a fourni des données issues de formations réelles pour nos expérimentations. Notre objectif principal avec ce projet était d'améliorer les possibilités de suivi des étudiants en cours de formation en ligne pour éviter leur décrochage ou leur échec. Nous avons proposé des possibilités de suivi par apprentissage automatique classique en utilisant comme données les traces d'activité des élèves. Nous avons également proposé, à partir de nos données, des indicateurs de comportement des apprenants. Avec Andil, nous avons conçu et réalisé une application web du nom de GIGA, déjà commercialisée et appréciée par les responsables de formation, qui implémente ces propositions et qui a servi de base à de premières expériences de partitionnement de données qui semblent permettre d'identifier les étudiants en difficulté ou en voie d'abandon. Ce projet a également été lancé avec l'objectif d'étudier les possibilités de l'algorithme d'apprentissage automatique inspiré du cerveau humain Hierarchical Temporal Memory (HTM), dans sa version Cortical Learning Algorithm (CLA), dont les hypothèses fondatrices sont bien adaptées à notre problème. Nous avons proposé des façons d'adapter HTM-CLA à des fonctionnalités d'apprentissage automatique classique (partitionnement, classification, régression, prédiction), afin de comparer ses résultats à ceux fournis par les autres algorithmes plus classiques ; mais aussi de l'utiliser comme base d'un moteur de génération de comportement, qui pourrait être utilisé pour créer un tuteur virtuel intelligent chargé de conseiller les apprenants en temps réel. Les implémentations ne sont toutefois pas encore parvenues à produire des résultats probants. / This Ph.D. took the shape of a partnership between the VORTEX team in the computer science research laboratory IRIT and the company Andil, which specializes in software for e-learning. This partnership was concluded around a CIFRE Ph.D. This plan is subsidized by the French state through the ANRT. The Ph.D. student, Angela Bovo, worked in Université Toulouse 1 Capitole. Another partnership was built with the training institute Juriscampus, which gave us access to data from real trainings for our experiments. Our main goal for this project was to improve the possibilities for monitoring students in an e-learning training to keep them from falling behind or giving up. We proposed ways to do such monitoring with classical machine learning methods, with the logs from students' activity as data. We also proposed, using the same data, indicators of students' behaviour. With Andil, we designed and produced a web application called GIGA, already marketed and sold, and well appreciated by training managers, which implements our proposals and served as a basis for first clustering experiments which seem to identify well students who are failing or about to give up. Another goal of this project was to study the capacities of the human brain inspired machine learning algorithm Hierarchical Temporal Memory (HTM), in its Cortical Learning Algorithm (CLA) version, because its base hypotheses are well adapted to our problem. We proposed ways to adapt HTM-CLA to classical machine learning functionalities (clustering, classification, regression, prediction), in order to compare its results to those of more classical algorithms; but also to use it as a basis for a behaviour generation engine, which could be used to create an intelligent tutoring system tasked with advising students in real time. However, our implementations did not get to the point of conclusive results.

Le suivi en 3D des mouvements de la tête avec une seule caméra est un sujet important et difficile pour concevoir des interfaces informatiques. Dans cette thèse nous proposons deux logiciels et étudions leurs applications à l'interface Homme machine.Le premier logiciel propose un suivi différentiel d'un ellipsoïde en 3D. Il estime récursivement la position de la tête avec des prédictions et mise à jour du modèle. Cette solution, bien que robuste, souffre de deux limites : les mouvements de la tête doivent être petits et il y a une importante dérive temporelle. D'autres pistes doivent être envisagées.la deuxième partie de cette thèse se tourne vers une nouvelle solution à détection. La nouveauté est de conduire conjointement la modélisation, l'apprentissage et le suivi. Le suivi de position est réalisé en associant un suivi dynamique avec un apprentissage hors ligne des textures de visage utilisant un modèle 3D élémentaire de la tête. De nombreuses expériences valident que les mouvements de la tête sont suivi sans dérives. Pour améliorer les performances, nous avons ajouté un algorithme de flux optique pour renforcer la cohérence temporelle en éliminant les valeurs aberrantes.Dans la dernière partie, nous présentons deux applications des algorithmes. La première vise à estimer le regard à partir de la rotation de la tête. La seconde permet d’afficher des avatars réalistes en plaquant la texture du visage extraite de la vidéo. / Monocular 3D head tracking is a core technique for designing intelligent interfaces. Over the last decade, the objective that tracks long-term persistent poses in ever-changing environments remains a challenging problem. In this thesis, we investigate this problem by presenting two alternative frameworks and exploit its potential applications in computer-human interactions. The first framework is a robust implementation of the conventionally differential tracking approach along with a 3D ellipsoid for geometric reasoning. It recursively estimates head poses from prior prediction and dynamically updates its template. These attributes make it robust to ever observation changes and lead to smooth estimations. However, they also bring two severe problems that target movement is limited to be small and template drifting happens from time to time, which together make long-term tracking with a camera impossible.To avoid these crucial limits, the second part of this thesis turns to a novel tracking by detection approach. The novelty of our approach is to joint modeling, learning and tracking in a unified system. The pose tracking is realized by matching online features with the offline learned multi-view feature classes while the learning depends on face texture synthesis, stable class detection and multiview selection that are executed within a simple head modeling system. Extensive experiments witnesses the disappearance of model drifting as well as the success of tracking natural head movements. To further enhance the performances, we also integrate opticalflow correspondences to enforce temporal consistency during tracking by detection and incorporate color prior to clarify possible outlier features in a discriminative way.In the last part of this thesis, we present two applications of the proposed 3D head tracking system. The first is to estimate eye gaze in the presence of natural head rotations. The second is to transfer facial expressions from human being to an online avatar.

Lobjectif principal de ce travail est de démontrer lintérêt du suivi thérapeutique pharmacologique appliqué à quelques médicaments ou classes pharmaceutiques habituellement non contrôlés. Le suivi thérapeutique pharmacologique repose sur la mesure de la concentration sanguine dun médicament administré à un patient dans le but dadapter individuellement la posologie. Les deux principales justifications habituellement retenues pour le suivi thérapeutique pharmacologique sont dune part la diminution du taux déchecs thérapeutiques, liés à une mauvaise observance ou à lemploi dune posologie insuffisante, et dautre part la réduction de la fréquence des manifestations indésirables et/ou toxiques des médicaments, plutôt associés à une posologie excessive. La liste des médicaments faisant en pratique lobjet de cette démarche est cependant restreinte à une quarantaine de substances, en raison principalement des différents critères qui justifient lobtention dune intervention des soins de santé, à savoir : o lexistence dune corrélation entre la concentration plasmatique et les effets pharmacodynamiques ; o une zone thérapeutique étroite ; o une variabilité pharmacocinétique interindividuelle importante ; o labsence dautres marqueurs permettant dévaluer leffet thérapeutique. Le but de ce travail est de convaincre les Cliniciens des avantages dun élargissement de cette liste conventionnelle à dautres molécules, en leur présentant une multitude dautres indications pour le suivi thérapeutique pharmacologique, comme la réduction du coût des thérapies antibactériennes par β-lactamines, laide au diagnostic dune résistance ou dune hypersensibilité aux anticoagulants oraux, lévaluation des thérapies substitutives par la méthadone, la vérification de la compliance au traitement par sulfonylurées, ou encore la réduction de la toxicité des traitements à base de bupropion et de GHB. Pour répondre à cet objectif, il était nécessaire de développer et de valider plusieurs techniques qui sont en parfaite adéquation avec les besoins du suivi thérapeutique pharmacologique.

La RMN à haut champ, basée sur des aimants supraconducteurs, est caractérisée par une instrumentation onéreuse et encombrante qui limite son utilisation dans les environnements de production. Le récent renouveau des aimants permanents a engendré des spectromètres RMN de paillasse qui permettent la réalisation d’expériences RMN directement sous la hotte du chimiste. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la performance analytique de ces nouveaux spectromètres à bas champ. Dans cette optique, nous avons implémenté pour la première fois la RMN 2D Ultrarapide (UF) ainsi que des méthodes modernes de suppression du signal du solvant sur un spectromètre de paillasse opérant à 43 MHz équipé d’une bobine de gradient de champ magnétique. Suite à plusieurs optimisations, la RMN 2D UF à bas champ délivre des spectres 2D en un temps fortement réduit de qualité tout à fait intéressante. En parallèle, le développement des méthodes de suppressions permet dorénavant d’appréhender l’utilisation de solvant non-deutérés sur des échantillons statiques ou en flux. Ces travaux ont débouché sur de nouvelles opportunités pour la RMN à bas champ. Plusieurs suivis de réactions, réalisés en ligne et en temps réel, ont été menés à bien sur diverses réactions comme le couplage de Heck-Matsuda, la neutralisation de mimes de gaz moutardes ou encore la synthèse d’un composé naturel par chimie en flux. Par ailleurs, la RMN 2D UF à bas champ a été appliquée avec succès pour discriminer des huiles alimentaires en fonction de leurs origines botaniques. Cette méthodologie 2D, compatible avec des analyses à haut débit, démontre une amélioration notable par rapport à la RMN 1D. / High-field NMR based on superconducting magnets involves an expensive and bulky equipment, which has hampered the use of NMR in harsh environments. A new generation of benchtop NMR spectrometers, compact and cryogen free, has brought NMR spectroscopy under the chemist’s fume-hood and as close as possible to production sites. The driving force of this PhD project is to improve the analytical performance of these benchtop NMR systems. We report here the first implementation of Ultrafast (UF) 2D NMR- a method yielding 2D NMR spectra in a single scan- as well as modern gradient-based solvent suppression methods on a 43 MHz benchtop spectrometer, including a B0-gradient coil. Substantial optimizations have led to UF experiments at low-field (LF) with a reasonable performance while the acquisition duration is reduced by one order of magnitude. Then, the presence of non-deuterated solvents –commonly used in LF NMR– has been tackled by the development of suppression methods both in static and flowing conditions. This methodological effort has opened new opportunities for benchtop NMR applications. Several on- and in-line real-time monitorings have been performed on different types of chemical reactions: Heck-Matsuda coupling reaction, oxidative neutralization of mustard-gas simulants or even the synthesis of a natural product in flow-chemistry. Besides applications to process monitoring, UF 2D NMR at 43 MHz has been successfully applied to discriminate the botanical origins of a panel of edible oils. This fast 2D approach has provided a better classification than standard 1D experiments while remaining compatible with high-throughput analysis.

La thèse vise à évaluer de nouvelles formes d'interaction Homme-Machine. Plus précisément, la thématique générale de ce travail, divisée en deux axes, vise à mettre en oeuvre et à évaluer l'apport d'Agents Conversationnels Animés (ACAs) et d'Interfaces dites "Adaptatives" à l'utilisation d'un logiciel. Ainsi, comportements et réactions d'utilisateurs sont recueillis à l'aide de méthodes ergonomiques et techniques de suivi du regard (eye-tracking). Une approche expérimentale a été adoptée afin d'évaluer l'apport de chaque axe. Pour cela, des participants (étudiants de niveau Licence) ont manipulé un logiciel de création d'animation qui leur était inconnu (Flash) afin de réaliser trois scénarios. Tout au long de leur découverte du logiciel, les participants étaient accompagnés d'un dispositif d'aide intégrant, suivant l'expérimentation, un ACA (fourni par FT R & D) ou une technique d'adaptation (détection d'intention et évolution suivant les connaissances). Les différentes études réalisées montrent que les deux sources d'innovation employées ont été perçues positivement par la majorité des participants. Elles ont montré d'autre part qu'un ACA a un effet rassurant et qu'il peut vraisemblablement être utilisé lors de la prise en main d'un logiciel. Pour le système adaptatif, le fait que le système évolue de manière autonome n'a pas perturbé les participants, mais n'améliore guère les performances. / The goal of the thesis is to evaluate new forms of Human-Computer Interaction. More precisely, the general set of themes of this work, divided into two parts at aims implementing and evaluating the contribution of Embodied Conversational Agent (ECAs) and of adaptive interfaces for the use of software. Thus, behaviours and reactions of users are collected using ergonomic methods and eye-tracking technologies. An experimental approach was adopted in order to evaluate the contribution of each part. For that, participants (student of bachelor's degree) handled a software of animation's creation which was unknown for them (Flash) in order to carry out three scenarios. Throughout their exploration of the software, participants were accompanied by a help system. In the first experiment an ECA (provided by FT R & D) enunciate help messages; in the second one a adaptive system (detection of intention and evolution according to knowledge) was used. The various studies carried out show that the two innovations employed were perceived positively by the majority of the participants. They showed in addition that a ECA has a reassuring effect and that it can probably be used in first experiences with a software. For the adaptive system, the fact that the system evolves in an autonomous way did not disturb the participants, but hardly improves the performances.

En fournissant à l'utilisateur des informations pertinentes au bon moment au bon endroit, la réalité augmentée pourrait améliorer la productivité et l'efficacité des agents de maintenance industrielle. Cependant, les systèmes de suivi des scénarios implémentés nécessitent souvent leur intervention manuelle induisant ainsi insidieusement un manque de concentration, une fatigue visuelle, psychologique et physique et laissant également l'utilisateur seul juge de la bonne exécution des tâches de maintenance.C'est dans ce contexte que la société Wassa, spécialisée dans le web et les solutions mobiles et l'équipe IRA2 du laboratoire IBISC, spécialisée dans la réalité augmentée, la réalité virtuelle et la robotique, ont initié ce sujet de thèse. Il s'agit de concevoir un système de réalité augmentée permettant :- de fournir à l'utilisateur les instructions de maintenance de manière automatique et en temps réel.- de contrôler la bonne réalisation de la tâche et d'identifier les erreurs commises par l'opérateur à travers des dispositifs mobiles. Une notification doit être affichée afin de signaler à l'utilisateur qu'une tâche a été mal exécutée ou qu'une pièce mécanique n'a pas été correctement placée. Le système doit pouvoir enregistré chacune de ces erreurs.- de fonctionner sur n'importe quel appareil mobile en tenant compte des limitations liées à l'utilisation ces appareils, notamment concernant leur capacité de calcul et de stockage. / By providing to the user relevant data at the right time in the right place, augmented reality might increase productivity and performance of industrial maintenance workers.However, implemented scenario tracking systems often need manual intervention. This may induce insidiously less of concentration, eyestrain, psychological and physical fatigue. Moreover, the operators are the sole judge of the maintenance task execution.It is in this context that Wassa company, specialized in web and mobile solutions, and IRA2 team of IBISC Laboratory, specialized in augmented reality, virtual reality and robotics, have initiated this PhD thesis. The goal is to design an augmented reality system which will :- provide automatically and in real time maintenance instructions to the user .- control, through the mobile devices, the maintenance task achievement and identifythe mistakes done by the operator. A notification will be displayed to report to the userthat the task is incorrectly performed or that a mechanical piece is inaccurately placed.The system should store these errors.- run on any mobile devices by taking into account their computation and storage limitations.

L’objectif principal de cette thèse est de fournir aux chirurgiens des outils d’aide à la décision pré et per-opératoire lors d’interventions minimalement invasives en chirurgie hépatique. Ces interventions reposent en général sur des techniques de laparoscopie ou plus récemment d’endoscopie flexible. Lors de telles interventions, le chirurgien cherche à retirer un nombre souvent important de tumeurs hépatiques, tout en préservant le rôle fonctionnel du foie. Cela implique de définir une hépatectomie optimale, c’est à dire garantissant un volume du foie post-opératoire d’au moins 55% du foie initial et préservant au mieux la vascularisation hépatique. Bien qu’une planification de l’intervention puisse actuellement s’envisager sur la base de données pré-opératoire spécifiques au patient, les mouvements importants du foie et ses déformations lors de l’intervention rendent cette planification très difficile à exploiter en pratique. Les travaux proposés dans cette thèse visent à fournir des outils de réalité augmentée utilisables en conditions per-opératoires et permettant de visualiser à chaque instant la position des tumeurs et réseaux vasculaires hépatiques. / The main objective of this thesis is to provide surgeons with tools for pre and intra-operative decision support during minimally invasive hepatic surgery. These interventions are usually based on laparoscopic techniques or, more recently, flexible endoscopy. During such operations, the surgeon tries to remove a significant number of liver tumors while preserving the functional role of the liver. This involves defining an optimal hepatectomy, i.e. ensuring that the volume of post-operative liver is at least at 55% of the original liver and the preserving at hepatic vasculature. Although intervention planning can now be considered on the basis of preoperative patient-specific, significant movements of the liver and its deformations during surgery data make this very difficult to use planning in practice. The work proposed in this thesis aims to provide augmented reality tools to be used in intra-operative conditions in order to visualize the position of tumors and hepatic vascular networks at any time.

Thèse--Méd.--Reims, 1976. N°: N° 92. / Bibliogr. f. 49-50.

La rivière Marque est un petit cours d’eau localisé sur un bassin versant péri-urbain du Nord de la France, traversant des zones agricoles et urbaines. Au niveau de Villeneuve d’Ascq, cette rivière reçoit les eaux de deux principaux ouvrages de traitement de l’eau : (i) les eaux urbaines traitées de la station d’épuration de Villeneuve d’Ascq ; et (ii) les eaux du lac du Héron qui est un bassin d’orage. Afin d’améliorer la compréhension de la rivière dans cette zone, des suivis basse et haute fréquences ont été mis en place en 2014. En complément, une bouée instrumentée appartenant à l’Agence de l’Eau Artois-Picardie a été déployée en 2015 sur le lac. Une approche multi-traceurs a été envisagée pour tenter d’identifier les différentes pressions sur La Marque avec l’étude des paramètres physico-chimiques (O2, pH, conductivité, MES, COD), des nutriments (NO3-, NH4+, PO43-), des micropolluants métalliques (Cu, Pb, Zn) et organiques (CAF, CBZ) et des conditions physiques (débit, pluviométrie). Les points clés mis en évidence sont les suivants : (1) La Marque est fortement impactée par le rejet d’eaux usées non traitées dû à des défaillances dans les réseaux d’assainissement ; (2) la station d’épuration contribue significativement à enrichir La Marque en CBZ et en Zn, ce qui participe vis-à-vis de ce dernier à la dégradation de l’état écologique ; (3) la capacité de traitement par décantation et processus biogéochimiques naturels du lac du Héron est efficace, cependant il est nécessaire d’entreprendre un curage du chenal d’entrée ; et (4) le rejet du lac participe à améliorer ponctuellement mais faiblement la qualité de la rivière, excepté lors d’évènements particuliers. / The Marque River is a little watercourse located in a peri-urban watershed in Northern France, going through agricultural and urban areas. Nearby Villeneuve d’Ascq, this river receives waters from two main water treatment plants: (i) the waste water treatment plant of Villeneuve d’Ascq; and (ii) the waters from a stormwater basin, the Heron lake. In order to improve the understanding of the functioning of the river in this area, low and high frequencies monitoring have been undertaken in 2014. In addition, an instrumented buoy belonging to the French Water Agency Artois-Picardie was implemented in 2015 on the lake. A multi-tracers approach was considered in order to identify different pressures on The Marque River including physicochemical parameters (O2, pH, conductivity, SPM, DOC), nutrients (NO3-, NH4+, PO43-), trace metals (Cu, Pb, Zn), organic micro-pollutants (CAF, CBZ) and hydrodynamic conditions (water flow, rainfall). The key points that have been highlighted are as follows: (i) The Marque River is strongly impacted by the discharge of wastewaters, due to sanitation network failures; (ii) the waste water treatment plant contributes significantly to the enrichment of The Marque River in CBZ and Zn, the latter participating to the degradation of the ecological status; (iii) the treatment capacity by naturals settling and biogeochemical processes is efficient within the Heron lake. However, the dredging of the entrance channel must be undertaken; and (iv) the discharge from the lake to the river tends to ameliorate scarcely and punctually the water quality of the river, excepted during special events.

Le suivi des groupes d’utilisateurs ou communautés dans les réseaux sociaux dynamiques a suscité l’intérêt de plusieurs chercheurs. Plusieurs méthodes ont été proposées pour mener à bien ce processus. Dans les méthodes existantes, pour suivre une communauté dans le temps, une approche de comparaison séquentielle des communautés en termes de noeuds est effectuée. Ces comparaisons des communautés sont faites par le biais des mesures de similarités basées soit sur le Coefficient de Jaccard, soit sur un Coefficient de Jaccard modifié. Cependant, suivre une communauté donnée à partir de ces mesures de similarités pourrait au terme de sa durée de vie conduire à une communauté qui n’a aucun noeud en commun avec la communauté initialement observée. De plus, l’usage de ces mesures de similarité pourrait également limiter la détection des changements ou transitions possibles que subirait une communauté dans le temps. Par ailleurs, parmi les méthodes existantes, très peu d’auteurs se sont intéressés à l’étude de l’évolution de la structure des communautés dans le temps. L’objet de ce mémoire est principalement basé sur la question de suivi des communautés et de détection des changements ou des transitions que pourrait subir une communauté dans le temps. Par ailleurs nous présentons une ébauche des perspectives futures au travail élaboré dans ce mémoire à savoir l’analyse de l’évolution de la structure des communautés dans le temps. La contribution majeure présentée dans le chapitre deux de ce mémoire est liée à une nouvelle approche permettant de modéliser et suivre les communautés. Dans notre modèle, nous construisons premièrement une matrice qui dénombre le nombre de noeuds partagés par deux communautés. Chaque ligne de cette matrice est par la suite utilisée pour représenter les noeuds partagés par une communauté et toutes les autres communautés détectées dans le temps. Cette représentation nous permet d’avoir une traçabilité de la communauté à comparer. Par la suite, nous proposons une nouvelle mesure de similarité appelée « transition mutuelle » pour effectuer le suivi et la détection des changements dans les réseaux dynamiques. Dans le dernier chapitre, nous présentons une ébauche de nos futurs travaux. Dans ce chapitre, nous tentons de prédire la structure que pourrait prendre une communauté à un instant inconnu. Pour mener à bien cette opération, nous utilisons un modèle supervisé deux-tiers. Dans le premier tiers, encore vu comme étape d’apprentissage, on extrait des caractéristiques ou variables explicatives liées aux différentes communautés. Comme caractéristiques nous observons entre deux instants le nombre de noeuds qui joint, quitte et reste dans une communauté. Ces caractéristiques extraites sur deux instants distincts sont projetées dans un nouvel espace orthonormé. Cette projection dans un nouvel espace permet de se rassurer que les nouvelles variables sont indépendantes. Une transition étant définie entre deux instants, nous utilisons la variation des nouvelles variables explicatives pour définir chacun des phénomènes comme des classes. Dans le deuxième tiers, nous utilisons le modèle de machine à support de vecteurs (SVM) pour analyser l’évolution de la structure d’une communauté dans le temps. Une série de tests sur des données réelles a été effectuée pour évaluer les approches proposées dans ce mémoire.