Cette thèse a été co-encadrée par le laboratoire MAPS/AMS de France Telecom R&D (aujourd'hui MAPS/SHINE) et le laboratoire VERIMAG. Le développement de logiciels pour les systèmes embarqués présente de nombreux défis. Cette thèse s'intéresse à ceux posés par les interactions entre les trois phases de conception (les développeurs construisent à partir de spécifications un modèle du système exprimé dans un langage de conception i.e. de programmation), d'implantation (le modèle précédent est compilé en un exécutable du système qui est finalement déployé sur les plateformes réelles) et de validation (un ensemble de techniques sont mises en \oe uvre pour vérifier que le système implanté est correct vis-à-vis des spécifications). Pour cela nous nous intéressons aux caractéristiques du langage de conception et aux techniques de compilation de ce langage. Celles-ci permettent d'obtenir dans notre approche à la fois l'implantation du système et un modèle du système implanté. L'analyse de ce modèle permet la validation de l'implantation, ce qui suppose que ce modèle représente fidèlement le système implanté. Nous proposons la construction d'un langage de conception basé sur l'utilisation de composants logiciels prédéfinis dont le comportement dynamique est supposé connu. Nous illustrons cette démarche par la réalisation d'un prototype complet d'un langage appelé Buzz, inspiré des modèles de programmation à acteurs dans lequel les composants logiciels utilisés sont des composants Think accompagnés de leur modèle comportemental opérationnel constitué d'un composant BIP. Le compilateur associé à Buzz que nous avons développé à partir du compilateur Think existant (Nuptse) génère simultanément une architecture à composants Think pour l'implantation et un modèle à composants BIP à des fins d'analyse. Nous évaluons Buzz à travers deux expériences. La première présente le développement de bout en bout d'un logiciel pour un exemple académique sur lequel nous démontrons la pertinence des choix techniques. Think nous permet un support d'implantation complet (compilation, optimisation, déploiement) et BIP rend possible la vérification d'un ensemble de propriétés dynamiques du système. La deuxième expérience consiste à porter une application réelle de protocole radio utilisée dans des réseaux de capteurs et développée de manière classique, vers Buzz. Cette expérience démontre l'effectivité de notre proposition tant en termes de langage de programmation (l'expressivité de Buzz structure et simplifie le code original) qu'en termes d'outils de compilation et de vérification.

Les contrats basés sur les notions d'hypothèses/garanties constituent un paradigme expressif pour une conception modulaire et compositionnelle de spécification de programmes. Ils sont devenus un concept fondamental dans les procédés employés par les outils de conception assistée par ordinateur, pour la conception de systèmes informatiques. Dans cette thèse, nous élaborons des fondements pour la mise en oeuvre de systèmes embarqués basée sur la notion de contrats. Nous proposons ainsi une algèbre de contrats basée sur deux concepts simples : les hypothèses et les garanties des composants sont définies par des filtres, les filtres sont caractérisés par une structure d'algèbre booléenne. Les choix effectués pour définir la structure des filtres permettent de définir une algèbre de Heyting sur l'ensemble des contrats. Un cadre de travail est ainsi défini, dans lequel les contrats sont utilisés pour vérifier la correction des hypothèses faites sur le contexte d'utilisation d'un composant, et pour fournir à l'environnement les garanties qui lui sont demandées. Nous utilisons cette algèbre pour définir un système de modules dont le paradigme de typage est basé sur la notion de contrats. Le type d'un module est un contrat caractérisé par les hypothèses faites par l'environnement et les garanties offertes par les comportements du module. Nous illustrons cette présentation avec la spécification d'un moteur à quatre temps.

Cette thèse s'intègre dans le cadre du projet européen EUREKA "High Dynamic Range - Low NoiseCMOS imagers", qui a pour but de développer de nouvelles approches de fabrication de capteursd'images CMOS à haute performance. L'objectif de la thèse est la conception d'un système de visiontemps réel à grande gamme dynamique (HDR). L'axe principal sera la reconstruction, en temps réelet à la cadence du capteur (60 images/sec), d'une vidéo à grande dynamique sur une architecturede calcul embarquée.La plupart des capteurs actuels produisent une image numérique qui n'est pas capable de reproduireles vraies échelles d'intensités lumineuses du monde réel. De la même manière, les écrans, impri-mantes et afficheurs courants ne permettent pas la restitution effective d'une gamme tonale étendue.L'approche envisagée dans cette thèse est la capture multiple d'images acquises avec des tempsd'exposition différents permettant de palier les limites des dispositifs actuels.Afin de concevoir un système capable de s'adapter temporellement aux conditions lumineuses,l'étude d'algorithmes dédiés à la grande dynamique, tels que les techniques d'auto exposition, dereproduction de tons, en passant par la génération de cartes de radiances est réalisée. Le nouveausystème matériel de type "smart caméra" est capable de capturer, générer et restituer du contenu àgrande dynamique dans un contexte de parallélisation et de traitement des flux vidéos en temps réel

L'architecture des ordinateurs est maintenant dans l'ère des multiprocesseurs permettant le calcul en parallèle. Les systèmes embarqués les plus récents s'appuient sur plusieurs processeurs DSP (Digital Signal Processor) ou MPSoC (Multiprocessor System-on-Chip). Corrélativement, les algorithmes des applications de traitement du signal et de l'image deviennent de plus en plus sophistiqués. La mise en oeuvre de telles applications sur un système embarqué devient complexe. Aussi, les approches de prototypage rapide et de co-conception matérielle/logicielle sont souvent utilisées pour faciliter ce travail. Le problème de l'ordonnancement des tâches, étape importante du prototypage rapide, est discuté et traité dans cette thèse. Nous cherchons des modèles d'ordonnancement des tâches en considérant précisément les communications entre les tâches. Nous modélisons ainsi l'algorithme de l'application comme un graphe acyclique orienté (Directed Acyclic Graph ou DAG), et nous proposons un modèle avancé décrivant de façon appropriée l'architecture du système embarqué parallèle. Après la formalisation du problème de l'ordonnancement des tâches avec ce modèle d'architecture, nous présentons plusieurs heuristiques d'ordonnancement basées sur la méthode de la liste (list scheduling) pour améliorer les performances de l'ordonnancement. Nos résultats expérimentaux attestent d'une accélération de l'application dans un contexte de moyenne ou de forte communication. Comme le poids des communications va en croissant dans les applications les plus récentes, que ce soient en communication numérique ou en compression vidéo, nos méthodes s'avèrent efficaces dans la mise en oeuvre de ces applications sur systèmes embarqués parallèles. Nos méthodes d'ordonnancement sont intégrées dans PREESM, environnement de prototypage rapide basé sur Eclipse en "open source".

Cette thèse s’intègre dans le cadre du projet européen EUREKA "High Dynamic Range - Low NoiseCMOS imagers", qui a pour but de développer de nouvelles approches de fabrication de capteursd’images CMOS à haute performance. L’objectif de la thèse est la conception d’un système de visiontemps réel à grande gamme dynamique (HDR). L’axe principal sera la reconstruction, en temps réelet à la cadence du capteur (60 images/sec), d’une vidéo à grande dynamique sur une architecturede calcul embarquée.La plupart des capteurs actuels produisent une image numérique qui n’est pas capable de reproduireles vraies échelles d’intensités lumineuses du monde réel. De la même manière, les écrans, impri-mantes et afficheurs courants ne permettent pas la restitution effective d’une gamme tonale étendue.L’approche envisagée dans cette thèse est la capture multiple d’images acquises avec des tempsd’exposition différents permettant de palier les limites des dispositifs actuels.Afin de concevoir un système capable de s’adapter temporellement aux conditions lumineuses,l’étude d’algorithmes dédiés à la grande dynamique, tels que les techniques d’auto exposition, dereproduction de tons, en passant par la génération de cartes de radiances est réalisée. Le nouveausystème matériel de type "smart caméra" est capable de capturer, générer et restituer du contenu àgrande dynamique dans un contexte de parallélisation et de traitement des flux vidéos en temps réel / This thesis is a part of the EUREKA European project called "High Dynamic Range - Low NoiseCMOS imagers", which developped new approaches to design high performance CMOS sensors.The purpose of this thesis is to design a real-time high dynamic range (HDR) vision system. Themain focus will be the real-time video reconstruction at 60 frames/sec in an embedded architecture.Most of the sensors produce a digital image that is not able to reproduce the real world light inten-sities. Similarly, monitors, printers and current displays do not recover of a wide tonal range. Theapproach proposed in this thesis is multiple acquisitions, taken with different exposure times, to over-come the limitations of the standard devices.To temporally adapt the light conditions, the study of algorithms dedicated to the high dynamic rangetechniques is performed. Our new smart camera system is able to capture, generate and showcontent in a highly parallelizable context for a real time processing

A l'instar d'autres domaines d'activités, l'environnement du marin s'est enrichi d'appareils électroniques à des fins d'aide à la navigation et de sécurité. Dans le cas de la navigation maritime, ces dispositifs ont pour principal but de donner des informations sur l'environnement dans lequel évolue le bateau: profondeur d'eau, bouées de signalisation par exemple et sur son état: cap, vitesse, etc. La complexité et le nombre d'appareils à bord des bateaux dépendent de la taille du bateau, d'un GPS portatif pour un jet-ski à un ensemble complexe d'ECDIS, de radar et d'AIS sur les cargos. Aujourd'hui, malgré l'évolution des appareils d'aide à la navigation, les accidents perdurent (échouage et collisions) et sont en partie dus aux erreurs humaines (33%). Il existe 3 grandes causes:- La charge cognitive trop importante. Cette dernière est liée à la complexité des appareils (ECDIS par exemple) [Jie and Xian-Zhong, 2008], leurs nombres et leurs orientations différentes de la vue pont [Prison and Porathe, 2007].- La mobilité de l'information. La majorité des appareils électroniques à bord des bateaux est positionné à un endroit et ne permet pas l'accès aux données en dehors de cet emplacement.- Le manque de pratique de plaisanciers. Les règles de navigation sont indispensable à la sécurité du marin et peuvent être oubliées par manque de pratique et causent des incidents (ou accidents). Dans ces travaux, nous proposons une solution mobile pour rendre accessible Les données en tout point du bateau. De plus, le prototype est basé sur la technologie de réalité augmentée pour afficher les données dans le champ de vision de l'utilisateur pour une réduction de la charge cognitive. Enfin l'application exécutée sur le prototype délivre uniquement les informations essentielles pour une navigation sécurisée. La première partie de cette thèse détaille une étude utilisateur menée pour comprendre les habitudes et les besoins des plaisanciers afin de sélectionner les données à afficher et leur représentation graphique. Suite à cette étude, une analyse du besoin logiciel et matériel a été menée. Le but de cette analyse est de lister les différents éléments pouvant supporter les contraintes maritimes (soleil, brouillard, nuit, houle, mobilité) afin de proposer un appareil et une application mobile sur technologie de réalité augmentée. La deuxième partie de cette thèse aborde le design du prototype (architecture, display) et du logiciel. Cet ensemble a pour but d'aider le plaisancier lors de conditions météos difficiles. La technologie mise en œuvre dans ce nouvel outil est la réalité augmentée, plus précisément Optical See-through. Le principe de l'application exécutée sur le prototype est un serveur proposant des services à l'utilisateur en fonction des appareils disponibles à bord du bateau tout en limitant la charge cognitive du marin. En effet, l'application conserve uniquement les informations utiles et les affiche dans le champ de vision de l'utilisateur, de plus elles sont superposées à sa vue directe sur le monde.La dernière partie, elle, décrit le générateur de carte qui nous permet d'extraire les données maritimes issues de différents formats de carte pour les adapter au format 3D utilisé dans l'application. Ce dernier est capable de placer automatiquement des objets 3D pour représenter le système de balisage, les amers, etc. Ce générateur a été développé pour reconstituer des zones interdites comme les zones de profondeurs, d'interdiction de chasse sous-marine, etc. Ceci a été mis en œuvre afin de répondre au mieux aux besoins de tous types de plaisanciers, de l'utilisateur de jet-ski au yacht et du pêcheur au plongeur amateur par exemple. / Compared to the other activities, the sailor's environment has been enhanced with electronic devices in order to help the sailor and improve the security. In case of maritime navigation, these devices are mainly used to give information on the environment which the boat moves such as the water depth, seamarks for instance and its state: bearing, speed, etc. The complexity and the number of devices onboard depend on the boat size, from a wearableGPS on a jet-ski to a complex set of ECDIS, radar and AIS on a merchant ship. Today, despite the evolution of the navigational aid devices, the accidents still happen and they are due in part to human errors (33%). There are 3 main causes: The cognitive load issue. The latter is linked to the complexity of devices (ECDIS for instance [Jie and Xian-Zhong, 2008]); their quantity and their orientations which is different from the bridge view or the user's field of view [Prison and Porathe, 2007]. The information's mobility. Most of the devices onboard are put in a specific place and the data are not accessible outside this place. The lack of practice of the recreational boats owner. The maritime navigation rules are vital to sail safely but some of sailors can forget some significations and an accident may result from a wrong choice.In this thesis, we provide a mobile solution to make accessible data everywhere on the boat. Furthermore, the prototype is based on the augmented reality technology to display data in the user's field of view to reduce cognitive load. Finally, the application run on the prototype delivers only the relevant information for a safe navigation. The first part in this thesis details a user study conducted to understand the sailor's habits and their needs in order to select data to display and their graphical representation. Following this study, a needs analysis on the software and hardware has been realized. The purpose of this analysis is to list the different elements that are usable under maritime constraints (sun, fog, night, swell, mobility) in order to provide a device and a mobile application based on the augmented reality technology.The second part in this thesis reaches the prototype (architecture, display) and the software design. Both of them aim to help the sailors when the weather is bad. The technology used in this new tool is the augmented reality, more precisely an Optical see-Through system. The principle of the application run on the prototype is like a server, which provides services to the user depending on devices available onboard, while limiting the sailor's cognitive load. Indeed, the applications keeps only the useful data and display them in the user's field of view, furthermore they are superimposed on his/her direct view of the world.The last part in this thesis details the chart generator, which allows us to extract maritime data from different chart formats to adopt the 3D one used in the application. The latter is able to automate the placement of the 3D objects to build the buoyage system, landmarks, etc. This generator has been developed to recreate the danger areas such as depth areas, prohibited diving areas and so on. This has been done to satisfy user's expectations from the jet-ski to the yacht owner and the fisher man to the diver for instance.

Dans la plupart des applications de robotique, un système de vision apporte une amélioration significative de la perception de l’environnement. La vision panoramique est particulièrement intéressante car elle rend possible une perception omnidirectionnelle. Elle est cependant rarement utilisée en pratique à cause des limitations technologiques découlant des méthodes la permettant. La grande majorité de ces méthodes associent des caméras, des miroirs, des grands angles et des systèmes rotatifs ensembles pour créer des champs de vision élargis. Les principaux défauts de ces méthodes sont les importantes distorsions des images et l’hétérogénéité de la résolution. Certaines autres méthodes permettant des résolutions homogènes, prodiguent un flot de données très important qui est difficile à traiter en temps réel et sont soit trop lents soit manquent de précision. Pour résoudre ces problèmes, nous proposons la réalisation d’une caméra panoramique intelligente qui présente plusieurs améliorations technologiques par rapport aux autres caméras linéaires rotatives. Cette caméra capture des panoramas cylindriques homogènes avec une résolution de 6600 × 2048 pixels. La synchronisation de la capture avec la position angulaire est possible grâce à une plateforme rotative de précision. Nous proposons aussi une solution au problème que pose le gros flot de données avec l’implémentation d’un extracteur de primitives qui sélectionne uniquement les primitives invariantes des images pour donner un système panoramique de vision qui ne transmet que les données pertinentes. Le système a été modélisé et une méthode de calibrage spécifiquement conçue pour les systèmes cylindriques rotatifs est présentée. Enfin, une application de localisation et de reconstruction 3D est décrite pour montrer une utilisation pratique dans une application de type Simultaneous Localization And Mapping ( SLAM ). / In most robotic applications, vision systems can significantly improve the perception of the environment. The panoramic view has particular attractions because it allows omnidirectional perception. However, it is rarely used because the methods that provide panoramic views also have significant drawbacks. Most of these omnidirectional vision systems involve the combination of a matrix camera and a mirror, rotating matrix cameras or a wide angle lens. The major drawbacks of this type of sensors are in the great distortions of the images and the heterogeneity of the resolution. Some other methods, while providing homogeneous resolutions, also provide a huge data flow that is difficult to process in real time and are either too slow or lacking in precision. To address these problems, we propose a smart panoramic vision system that presents technological improvements over rotating linear sensor methods. It allows homogeneous 360 degree cylindrical imaging with a resolution of 6600 × 2048 pixels and a precision turntable to synchronize position with acquisition. We also propose a solution to the bandwidth problem with the implementation of a feature etractor that selects only the invariant feaures of the image in such a way that the camera produces a panoramic view at high speed while delivering only relevant information. A general geometric model has been developped has been developped to describe the image formation process and a caligration method specially designed for this kind of sensor is presented. Finally, localisation and structure from motion experiments are described to show a practical use of the system in SLAM applications.

Dans le contexte automobile actuel, le standard pour les calculateurs enfouis est AUTOSAR. L'un des inconvénients majeurs de cette architecture est son manque de flexibilité. Cependant, les mises à jour et la personnalisation des systèmes embarqués sont de plus en plus, non seulement plébiscités, mais également nécessaires. En effet, la complexité grandissante des systèmes exige à présent de déployer des moyens supplémentaires pour permettre leur maintenance et leur évolution de manière plus aisée. Ainsi, partant de ces constats, ce travail étudie les possibilités de faire des mises à jour dans le contexte d'AUTOSAR. Les modifications nécessaires se retrouvent non seulement dans l'architecture, mais également au sein du processus de développement et des considérations temps-réel. Tous ces aspects sont donc regardés en détails pour permettre les mises à jour partielles dans le cadre du standard AUTOSAR. Cette thèse décrit donc le processus de développement logiciel AUTOSAR et propose certaines améliorations mises en place au cours de ce travail. Un certain nombre de concepts sont également définis, afin d'aménager des espaces d'adaptation logiciels. Ces espaces sont ensuite utilisés pour intégrer des mises à jour partielles dans le calculateur embarqué. Le processus de développement est également modifié pour intégrer ces concepts ainsi que les mécanismes nécessaires à la mise à jour. Les aspects temps-réel concernant la mise à jour partielle dans les systèmes embarqués automobiles sont également traités ici. Un modèle de tâches approprié est mis en place dans le cadre d'AUTOSAR. De plus l'analyse de sensibilité est utilisée spécifiquement pour déterminer la flexibilité disponible dans un système donné. Les aspects d'implémentation sont également détaillés. En particulier, la création de mises à jour dans un contexte donné, la gestion des différentes versions possibles pour une application, l'utilisation et l'écriture dans la mémoire embarquée et enfin, les moyens nécessaires à la prise en compte des aspects de sûreté de fonctionnement. Pour terminer, tous les concepts développés dans ce travail sont appliqués à une preuve de concept reposant sur une application embarquée fournie par Renault. L'approche proposée est donc appliquée de manière pratique. / Currently the standard for embedded ECUs (Electronic Control Unit) in the automotive industry is AUTOSAR. One of the drawbacks of this architecture lies in its lack of flexibility. However, updates and customization of embedded systems are increasingly demanded and necessary. Indeed, systems are more and more complex and therefore require new methods and means to ease maintenance. Thus, from these observations, we study the possibilities for updates and resulting modifications (both on an architectural level and within the development process, and from a real-time point of view) in order to integrate within the AUTOSAR standard partial updates. This PhD thesis describes the software development process in an AUTOSAR context with a number of improvement we designed in this work. We also define concepts that allow to introduce placeholders for further updates within the embedded ECU. The development process has to be subsequently modified for integrating spaces for the updates along with the necessary mechanisms. Real-time problematic regarding partial updates in automotive systems is also considered here. In particular, we deal with sensitivity analysis that helps determine flexibility within the system. A number of implementation aspects are also detailed. In particular, the creation of the updates, versions management, use of embedded memory and dependability. All these concepts are finally applied on a proof of concept using an embedded application from Renault. We present here in details how the proposed approach can be used in practice.

Dans un environnement non contrôlé, un robot doit pouvoir interagir avec les personnes d’une façon autonome. Cette autonomie doit également inclure une interaction grâce à la voix humaine. Lorsque l’interaction s’effectue à une distance de quelques mètres, des phénomènes tels que la réverbération et la présence de bruit ambiant doivent être pris en considération pour effectuer efficacement des tâches comme la reconnaissance de la parole ou de locuteur. En ce sens, le robot doit être en mesure de localiser, suivre et séparer les sources sonores présentes dans son environnement. L’augmentation récente de la puissance de calcul des processeurs et la diminution de leur consommation énergétique permettent dorénavant d’intégrer ces systèmes d’audition articielle sur des systèmes embarqués en temps réel. L’audition robotique est un domaine relativement jeune qui compte deux principales librairies d’audition artificielle : ManyEars et HARK. Jusqu’à présent, le nombre de microphones se limite généralement à huit, en raison de l’augmentation rapide de charge de calculs lorsque des microphones supplémentaires sont ajoutés. De plus, il est parfois difficile d’utiliser ces librairies avec des robots possédant des géométries variées puisqu’il est nécessaire de les calibrer manuellement. Cette thèse présente la librairie ODAS qui apporte des solutions à ces difficultés. Afin d’effectuer une localisation et une séparation plus robuste aux matrices de microphones fermées, ODAS introduit un modèle de directivité pour chaque microphone. Une recherche hiérarchique dans l’espace permet également de réduire la quantité de calculs nécessaires. De plus, une mesure de l’incertitude du délai d’arrivée du son est introduite pour ajuster automatiquement plusieurs paramètres et ainsi éviter une calibration manuelle du système. ODAS propose également un nouveau module de suivi de sources sonores qui emploie des filtres de Kalman plutôt que des filtres particulaires. Les résultats démontrent que les méthodes proposées réduisent la quantité de fausses détections durant la localisation, améliorent la robustesse du suivi pour des sources sonores multiples et augmentent la qualité de la séparation de 2.7 dB dans le cas d’un formateur de faisceau à variance minimale. La quantité de calculs requis diminue par un facteur allant jusqu’à 4 pour la localisation et jusqu’à 30 pour le suivi par rapport à la librairie ManyEars. Le module de séparation des sources sonores exploite plus efficacement la géométrie de la matrice de microphones, sans qu’il soit nécessaire de mesurer et calibrer manuellement le système. Avec les performances observées, la librairie ODAS ouvre aussi la porte à des applications dans le domaine de la détection des drones par le bruit, la localisation de bruits extérieurs pour une navigation plus efficace pour les véhicules autonomes, des assistants main-libre à domicile et l’intégration dans des aides auditives.

Les avancées technologiques notables dans le domaine de la communication sans fil ont ouvert de nouvelles perspectives pour améliorer les systèmes d'aide à la conduite existants. En effet il a été prouvé que l'échange de données de positionnement absolu et relatif entre des véhicules d'un même groupe peut améliorer la précision de la localisation de tous ces membres. Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans ce cadre et propose une approche totalement distribuée permettant de combiner les informations provenant des capteurs de tous les véhicules d'un groupe pour obtenir l'estimation la plus précise possible de la pose de ces derniers tout en minimisant les informations transmises sur le réseau de communication. Le principe de l'approche proposée est que chaque véhicule utilise ses propres capteurs pour mettre à jour une estimation de l'état du groupe puis la transmet à ses congénères. La fusion des états reçus et l'état construit dans chaque véhicule donne l'estimation de l'état global du groupe qui intègre les informations provenant de tous ces membres. L'approche proposée a été validée expérimentalement en simulation et dans un environnement réel avec un groupe de deux véhicules urbains.