Nous étudions la modélisation et la validation hors-ligne des applications temps-réel en environnement monoprocesseur, qui prend explicitement en compte l'échange des messages, le partage des ressources et les instructions conditionnelles entre les tâches. Notre objectif est de mettre en évidence l'impact de ces paramètres sur l'analyse des applications. Classiquement, ces applications sont modélisées de façon linéaire, en encapsulant les blocs conditionnels, et les séquences sont utilisées pour leur validation. Nous proposons une approche de modélisation et de validation arborescente, qui permet de considérer de façon explicite les blocs conditionnels, et qui utilise les arbres d'ordonnancement pour la validation. Nous comparons ensuite ces deux approches, et prouvons que les premières sont parfois trop pessimistes, c'est à dire qu'elles peuvent conduire à déclarer certaines applications comme non ordonnançables, alors qu'en réalité elles le sont. Nous commençons par construire un générateur d'arbres d'ordonnancement valides. La complexité du générateur étant exponentielle en fonction du nombre de tâches, cette approche est di cile à mettre en ÷uvre dans la pratique. Nous proposons donc une approche de modélisation bas ée sur les réseaux de Petri. Ce réseau sera utilisé pour générer les arbres valides, par construction du graphe de marquages, et la complexité pourra être réduite grâce à des heuristiques.

La Chimio-Hyperthermie Intra-péritonéale (CHIP) s'est révélée comme un traitement efficace et nécessaire pour les cancers d'origine digestive. La combinaison du vecteur hyperthermie et chimiothérapie a prouvé ses résultats cytotoxiques indéniables pour les cellules cancéreuses. Cependant l'application de cette technique à ventre fermé ne garantit pas une homogénéité de la température désirée dans l'ensemble de la cavité abdominale. L'étude développée se focalise essentiellement sur la modélisation de certains aspects de la CHIP et propose une ouverture sur le développement d'une méthodologie de supervision en temps réel et in vivo. Les acquisitions des mesures in vivo s'effectuent à l'aide d'un appareil homologué ; dédié aux CHIP : le CAVITHERM (Société EFS). La modélisation du transfert de chaleur entre le liquide porteur de la chimiothérapie et les différents organes du patient a été abordée. Un modèle adaptatif non-linéaire nonstationnaire reconstituant le procédé dans la cavité abdominale est présenté ainsi que sa validation à l'aide de données réelles ; acquises in vivo au cours de plusieurs CHIP réalisées au sein des Centres hospitaliers partenaires du projet de recherche : CH Lyon-Sud (CHLS) ; CHU Bellevue (Saint-Etienne). Un prototype d'outil informatique " SUP-CHIP " est proposé en vue d'une supervision en emps-réel globale de la CHIP. Cet outil permet aux médecins et aux anesthésistes d'avoir une information globale en temps-réel sur l'évolution de l'état du patient au cours d'une CHIP. Le développement d'algorithmes de commande sur la base du modèle adaptatif de la CHIP et leur intégration dans le cadre d'un système intégré à base de connaissances " SUP-CHIP " fournira un moyen efficace pour la conduite optimale des CHIP in vivo.

Les systèmes temps réel à contraintes temporelles strictes sont caractérisés par des ensembles de tâches pour lesquelles sont connus l'échéance, le modèle d'arrivée (fréquence) et la durée d'exécution pire cas (WCET). Nous nous intéressons à l'ordonnancement de ces systèmes sur plate-forme multiprocesseur. Garantir le respect des échéances pour un algorithme d'ordonnancement est l'une des problématiques majeures de cette thématique. Nous allons plus loin en nous intéressant à la sûreté temporelle, que nous caractérisons par les propriétés (i) de robustesse et (ii) de viabilité. La robustesse consiste à proposer un intervalle sur les augmentations (i-a) de WCET et (i-b) de fréquence tel que les échéances soient respectées. La viabilité consiste cette fois à garantir le respect des échéances lors du relâchement des contraintes (ii-a) de WCET (réduction), (ii-b) de fréquence (réduction) et (ii-c) d'échéance (augmentation). La robustesse revient alors à tolérer l'imprévu, tandis que la viabilité est la garantie que l'algorithme d'ordonnancement n'est pas sujet à des anomalies suite à un relâchement de contraintes. Nous considérons l'ordonnancement en priorités fixes, où chaque occurrence d'une tâche est ordonnancée avec la même priorité. Dans un premier temps, nous étudions la propriété de robustesse dans les approches d'ordonnancement hors-ligne et sans migration (partitionnement). Nous traitons le cas des tâches avec ou sans partage de ressources. Dans un second temps, nous étudions la propriété de viabilité d'une approche d'ordonnancement en ligne avec migrations restreintes et sans partage de ressources.

Dans cette thèse, nous proposons un ensemble d'outils nécessaires à l'élaboration d'un simulateur de chirurgie. Dans un premier temps, nous définissons plusieurs modèles déformables physiques temps réels permettant de simuler les déformations et la découpe d'organes du corps humain. Ces modèles s'appuient sur la théorie de l'élasticité et la méthode des éléments finis. Nous avons tout d'abord travaillé sur l'enrichissement du modèle élastique linéaire en le généralisant au cas des matériaux dont le comportement est anisotrope, soit en raison de la présence de fibres (muscles, tendons), soit parce qu'ils sont entourés d'une peau (capsule de Glisson pour le foie). Cependant, la principale limitation de l'élasticité linéaire est de n'être valable que dans l'hypothèse de petits déplacements. Nous proposons donc un nouveau modèle déformable mettant en oeuvre l'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff, qui reste valable pour les grands déplacements. Après avoir étendu ce modèle aux matériaux anisotropes, nous proposons plusieurs méthodes d'optimisation des calculs, soit en utilisant un algorithme adaptatif qui combine les modèles linéaires et non-linéaires, soit à partir d'une nouvelle formulation. La seconde partie de ces travaux porte sur la simulation des interactions entre les instruments chirurgicaux et les organes virtuels. Pour cela, nous avons modélisé les contacts, ainsi que certaines actions spécifiques comme le glissement, la préhension et la découpe. De plus, nous nous sommes intéressés aux problèmes liés à l'utilisation d'interfaces à retour d'effort.

Dans cette thèse, nous présentons différentes approches pour le calcul, en temps-réel, de la déformation de modèles anatomiques volumiques. Une des applications principales de ce type de modèles concerne la simulation de chirurgie laparoscopique. Cette technique chirurgicale récente, et en permanente évolution, nécessite une formation accrue. Dans ce cadre, l'utilisation d'un simulateur présente de multiples avantages : polyvalence, fréquences d'entraînement élevées, outils d'évaluation, simulation de cas pathologiques rares, etc. La première partie de cette thèse concerne la modélisation du comportement déformable des tissus mous, en prenant en compte les aspects biomécaniques ainsi que les contraintes de temps de calcul. Le premier modèle que nous proposons est basé sur une modélisation par éléments finis d'un solide élastique linéaire. Le calcul, en temps-réel, de la déformation repose sur des combinaisons linéaires de déformation élémentaires obtenues lors d'une étape de pré-calcul. Afin de prendre en compte, dans la déformation, d'éventuelles modifications topologiques du maillage - pouvant représenter, par exemple, l'incision de tissus mous - nous avons proposé un second modèle, appelé "masses/tenseurs". Enfin, nous proposons une formulation originale, appelée "modèle hybride", permettant de combiner, dans une même représentation, les deux modèles déformables précédents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes liés à l'utilisation de systèmes à retour d'effort pour les interactions avec un modèle déformable. Nous proposons ainsi une architecture matérielle intégrant les différents modules assurant le calcul des déformations, des forces, le contrôle des systèmes à retour d'effort, la détection de collision, l'affichage graphique, etc. Un premier prototype du simulateur, réalisé sur la base de cette architecture et incluant deux systèmes à retour d'effort, a permis de valider l'ensemble des algorithmes. Finalement, nous proposons en annexe une étude relative à une nouvelle technique de reconstruction faciale. En utilisant différents outils d'analyse et de traitement d'images médicales, nous avons réalisé une série d'expériences visant à retrouver une approximation du visage d'une personne à partir de la seule donnée de son crâne et d'un ensemble réduit de paramètres.

Cette étude répond au problème d'ordonnancement temps réel de composants logiciels s'exécutant sur un processeur de traitement du signal dans un contexte de radio logicielle. Elle vise ainsi à compléter l'offre en termes d'outillage de conception radio logicielle. Dans la pratique actuelle, l'ordonnancement temps réel des applications de traitement du signal flexibles s'exécutant sur un processeur donné, est effectué de manière manuelle, en utilisant des méthodes empiriques, et en prenant des marges non négligeables. Etant donnée l'augmentation pressentie du nombre de composants logiciels de la couche physique s'exécutant simultanément sur un même processeur dans les futures radios logicielles, ces méthodes seront sujettes à erreur, feront perdre beaucoup de temps et ne trouveront pas nécessairement de solutions d'ordonnancement valides même lorsqu'il en existera une. Pour cela, cette thèse définit un nouveau modèle de tâche représentant plus précisément le comportement des tâches dans certains contextes de radio logicielle : le modèle GMF (Generalized Multi-Frame) non cyclique. Pour ce modèle, nous présentons une formulation du calcul du temps de réponse des tâches, ainsi qu'un nouveau test de faisabilité suffisant pour des tâches s'exécutant sur un processeur avec la politique d'ordonnancement " Earliest Deadline First " (EDF). Nous fournissons aussi pour ce modèle de tâche un algorithme efficace, permettant la détermination exacte de la faisabilité temps réel. Nous présentons dans cette thèse un nouveau flot de conception IDM (Ingénierie Dirigée par les Modèles), permettant de spécifier les paramètres rendant possibles une analyse d'ordonnançabilité temps réel des composants logiciels s'exécutant sur un processeur dans une radio logicielle. Cette thèse propose des méthodes pour calculer les contraintes temporelles dans une radio logicielle. Elle présente les éléments du standard MARTE à utiliser pour renseigner les contraintes dans le modèle ainsi que les règles de transformations de modèles qui permettent d'obtenir un modèle exploitable par un outil d'analyse d'ordonnançabilité temps réel. Cette thèse présente une approche, implantée sous forme d'un outil de simulation, effectuant l'analyse d'ordonnancement temps réel des tâches de traitement du signal flexibles s'exécutant sur un processeur suivant une politique d'ordonnancement hybride. Cet outil est intégré au flot IDM proposé.

Un des objectifs des recherches actuelles en échocardiographie est la visualisation des déformations volumiques de certaines cavités du coeur à partir de séquences d'images. Dans le cadre d'une stratégie globale de restitution tri-dimensionnelle en temps réel, cette thèse propose de modéliser les évolutions spatiale et temporelle du ventricule gauche, à toutes les étapes de la chaîne de traitement : échantillonnage d'un contour initial sur une image de la séquence ; fermeture éventuelle et suivi de ce contour échantillonné sur les autres images de la séquence ; modélisation de tous les contours puis du volume du ventricule ; visualisation du ventricule reconstruit à partir des paramètres du modèle. Toutes les propositions théoriques ont été validées sur des images écho¬cardio¬graphiques acquises avec une sonde tournante prototype. L'idée de base consiste à utiliser les propriétés de l'interpolation circulaire de Shannon et du lissage orthogonal de Fourier, en exploitant les quatre périodicités du problème : double périodicité spatiale 2π pour le volume découpé en plans méridiens (coupes apicales) et parallèles (coupes parasternales), double périodicité temporelle provenant des battements cardiaques et de la rotation de la sonde tournante. Les algorithmes sont appliqués sur des contours tracés manuellement sur les images tomographiques de la séquence, mais nous proposons une méthode de suivi automatique d'un contour à partir d'un seul tracé initial. Pour les périodicités spatiales, la méthode d'interpolation-lissage est mise en oeuvre sur le développement polaire d'un contour du ventricule, autour du centre d'inertie de ses échantillons. Ceci permet, à précision égale, d'économiser les paramètres du modèle. Pour les périodicités temporelles, cette méthode est appliquée sur les paramètres restitués en attitude dans un repère lié au ventricule, par une technique qui utilise les propriétés du signal analytique. Dans le cadre d'une étude de faisabilité, les résultats obtenus indiquent que la stratégie de modélisation proposée est bien adaptée au problème.

Dans leur grande majorité les techniques d'estimation et de contrôle basées sur la vision s'appuient sur l'extraction d'informations géométriques dans les images. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle approche exploitant directement l'intensité des pixels dans l'image en s'affranchissant de l'étape d'extraction de ces informations. Nous espèrons montrer que le fait d'utiliser toute l'information contenue dans l'image permet en outre d'augmenter la précision et le domaine d'application. Dans ce but, nous proposons un modèle générique de transformation prenant à la fois en compte les aspects géométriques et photométriques que l'on associe à une méthode efficace d'optimisation pour le recalage d'images, qui est valide pour des modes d'acquisition variés (incluant les images couleurs) et pour des classes d'objets rigides ou déformables. En particulier, le nouveau modèle photométrique assure une robustes aux variations d'éclairage quelconques, et il est indépendants des attributs des objets et des caractéristiques de la caméra. Ce cadre méthodologique est formulé, dans le cas d'un modèle sténopé, à la fois dans le cas calibré et non calibré, les différences portant principalement sur la nature de la paramétrisation choisie. Une méthode robuste de suivi visuel est proposée permettant le recalage d'une image de référence tout au long de la séquence. A partir des paramètres estimés liant l'image de référence à l'image courante, nous proposons une nouvelle stratégie d'asservissement visuel permettant de contrôler les six degrés de liberté du mouvement de la caméra pour l'amener dans la pose où a été acquise l'image de référence. Cette nouvelle approche ne nécessite pas de connaissance précise sur les paramètres de la caméra ni sur la géométrie de l'objet observé, permettant ainsi d'obtenir une méthode générique et fiable. Dans le cas de l'utilisation d'une caméra calibrée, la méthode de suivi robuste permet d'accéder directement à la pose de la caméra et à la structure géométrique de la scène. Elle peut donc être appliquée pour proposer une nouvelle solution au problème de SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) visuel. Enfin, nous présentons une méthode d'asservissement visuel intégrant directement les estimées fournies par la méthode de suivi et permettant ainsi la navigation autonome de robot dans un environnement inconnu a priori. Les méthodes développées tout au long de cette thèse ont été confrontées aux approches classiques de la littérature, et ont montré des avantages certains. Elles ont également été testée en condition réelle sur des séquences caractéristiques de différentes applications et dans des conditions variées. Les conditions et compromis à faire pour obtenir performances temps réel et précision, sont également discutés dans le document.

Le développement du temps-réel est aujourd'hui une préoccupation majeure dans la conception des réseaux de télécommunication et des réseaux informatiques. Toute donnée doit alors avoir une "durée de vie" très limitée dans le système, puisque son traitement doit être instantané. Pour rendre compte de cette contrainte dans la représentation d'un nœud du réseau, on enrichit le modèle classique de la file d'attente d'un nouveau paramètre: le délai d'exécution des tâches. On parlera donc de file d'attente avec clients impatients: ils entrent dans le magasin avec une patience limitée et le quittent si leur délai expire avant d'avoir atteint un serveur. Nous étudions des cas où la discipline de service dépend du délai des clients ( EDF: on sert le plus pressé, LDF: le moins pressé...). Ceux-ci présentent une dynamique instable, ce qui en complique notoirement la description markovienne. Pour un système général sous toute discipline de service, un schéma de récurrence arrière aux instants de fins de service nous permet de prouver sous Palm l'Existence/Unicité du régime stationnaire, et de donner la condition de récurrence. Nous prouvons dans le même cadre par des techniques de couplage qu'EDF est la discipline optimale et que LDF est la pire pour la probabilité de perte à l'équilibre P et donnons une borne du gain d'EDF en terme de P. Nous calculons en outre des encadrements de P sous EDF dans certains cas. Nous proposons ensuite une description markovienne de la file d'attente avec clients impatients par le processus à valeur mesures ponctuelles simples où chaque masse de Dirac représente le délai résiduel d'un client en attente ou déjà perdu. Nous donnons la limite fluide d'une suite de renormalisations de ce processus en espace, temps et amplitude, ainsi qu'un théorème central limite fonctionnel établissant la convergence en loi de l'écart à la limite vers un processus de diffusion . La limite fluide, à trajectoires continues et déterministes, s'écrit explicitement comme l'unique solution d'une équation intégrale dans l'espace des processus à valeurs distributions tempérées. Les convergences s'obtiennent par passage aux fonctions tests du dual, et par des méthodes de compacité/unicité. Nous appliquons ces résultats à l'estimation asymptotique des processus de congestion et de perte sous EDF et FIFO, et au système délai pur.

La validation des systèmes critiques réalistes nécessite d'être capable de modéliser et de vérifier formellement des données complexes, du parallélisme asynchrone, et du temps-réel simultanément. Des langages de haut-niveau, comme ceux qui héritent des fondations théoriques des algèbres de processus, ont une syntaxe concise et une grande expressivité pour représenter ces aspects. Cependant, ils disposent de peu d'outils logiciels permettant d'appliquer des algorithmes efficaces du model-checking. Néanmoins, de tels outils existent pour des modèles graphiques, de niveau plus bas, tels que les automates temporisés (par exemple Uppaal) et les réseaux de Petri temporisés (par exemple Tina). Les modèles intermédiaires sont un moyen pour combler le fossé qui sépare les langages des modèles graphiques. Par exemple, NTIF (New Technology Intermediate Format) a été proposé pour représenter des processus séquentiels non-temporisés qui manipulent des données complexes. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle nommé ATLANTIF, qui enrichit NTIF de constructions temps-réel et de compositions parallèles de processus séquentiels. Leur synchronisation est exprimée d'une manière simple et intuitive par la nouvelle notion de synchroniseur. Nous montrons qu'ATLANTIF est capable d'exprimer les constructions principales des langages de haut niveau. Nous présentons aussi des traducteurs d'ATLANTIF vers des automates temporisés (pour la vérification avec Uppaal) et vers des réseaux de Petri temporisés (pour la vérification avec Tina). Ainsi, ATLANTIF étend la classe des systèmes qui peuvent en pratique être vérifiés formellement, ce que nous illustrons par un exemple.