Cette thèse se découpe en trois parties. Les deux premières portent sur le développement de méthodes pour la construction de modèles géométriques moyens et pour la comparaison de modèles. Plusieurs problématiques sont abordées, telles que la construction d'une cornée moyenne et la comparaison de cornées. Il existe à ce jour peu d'études ayant ces objectifs car la mise en correspondance de surfaces cornéennes est une problématique non triviale. En plus d'aider à développer la connaissance de l'anatomie cornéenne, la modélisation de la cornée normale permet de détecter tout écart significatif par rapport à la normale permettant un diagnostic précoce de pathologies. La seconde partie a pour objectif de développer une méthode pour reconnaître une surface parmi un groupe de surfaces à l’aide de leurs acquisitions pour une application de biométrie. L’idée est de quantifier la différence entre chaque surface et une surface donnée, et de déterminer un seuil permettant la reconnaissance. Deux méthodes sont proposées et une méthodologie en cascade utilisant ces deux méthodes afin de combiner les avantages de chacune est aussi proposée. La troisième et dernière partie porte sur une nouvelle méthode de décomposition en graphes de maillages 3D triangulés. Nous utilisons des cartes de courbures discrètes comme descripteur de forme afin de découper le maillage en différentes catégorie de carreaux. Ensuite un graphe d'adjacence est construit avec un nœud pour chaque carreau. Ces graphes sont utilisés pour extraire des caractéristiques géométriques décrites par des motifs (ou patterns), ce qui permet de détecter des régions spécifiques dans un modèle 3D, ou des motifs récurrents. / This thesis comprises three parts. The first two parts concern the development of methods for the construction of mean geometric models and for model comparison. Several issues are addressed, such as the construction of an average cornea and the comparison of corneas. Currently, there are few studies with these objectives because the matching of corneal surfaces is a non-trivial problem. In addition to help to develop a better understanding of the corneal anatomy, 3D models of normal corneas can be used to detect any significant deviation from the norm, thereby allowing for an early diagnosis of diseases or abnormalities using the shape of the cornea. The second part of this thesis aims to develop a method for recognizing a surface from a group of surfaces using their 3D acquisitions in a biometric application pertinent to the cornea. The concept behind this method is to quantify the difference between each surface and a given surface and to determine the threshold for recognition. Two complementary methods are proposed. A cascading methodology using both methods to combine the advantages of each method is also proposed. The third and final part of this thesis focuses on a new method for decomposing 3D triangulated meshes into graphs. We use discrete curvature maps as the shape descriptor to split the mesh in eight different categories. Next, an adjacency graph is built with a node for each patch. These graphs are used to extract geometric characteristics described by patterns that allow for the detection of specific regions in a 3D model or recurrent characteristics.

Réalisé en cotutelle avec Aix Marseille Université. / Cette thèse se découpe en trois parties. Les deux premières portent sur le développement de méthodes pour la construction de modèles géométriques moyens et pour la comparaison de modèles. Ces approches sont appliquées à la cornée humaine pour l’élaboration d’atlas et pour l’étude biométrique robuste. La troisième partie porte sur une méthode générique d'extraction d'informations dans un maillage en s'appuyant sur des propriétés différentielles discrètes afin de construire une structure par graphe permettant l'extraction de caractéristiques par une description sémantique. Les atlas anatomiques conventionnels (papier ou CD-ROM) sont limités par le fait qu'ils montrent généralement l'anatomie d'un seul individu qui ne représente pas nécessairement bien la population dont il est issu. Afin de remédier aux limitations des atlas conventionnels, nous proposons dans la première partie d’élaborer un atlas numérique 3D contenant les caractéristiques moyennes et les variabilités de la morphologie d'un organe, plus particulièrement de la cornée humaine. Plusieurs problématiques sont abordées, telles que la construction d'une cornée moyenne et la comparaison de cornées. Il existe à ce jour peu d'études ayant ces objectifs car la mise en correspondance de surfaces cornéennes est une problématique non triviale. En plus d'aider à développer une meilleure connaissance de l'anatomie cornéenne, la modélisation 3D de la cornée normale permet de détecter tout écart significatif par rapport à la "normale" permettant un diagnostic précoce de pathologies ou anomalies de la forme de la cornée. La seconde partie a pour objectif de développer une méthode pour reconnaître une surface parmi un groupe de surfaces à l’aide de leurs acquisitions 3D respectives, dans le cadre d’une application de biométrie sur la cornée. L’idée est de quantifier la différence entre chaque surface et une surface donnée, et de déterminer un seuil permettant la reconnaissance. Ce seuil est dépendant des variations normales au sein d’un même sujet, et du bruit inhérent à l’acquisition. Les surfaces sont rognées et trouées de façon imprévisible, de plus il n’y a pas de point de mise en correspondance commun aux surfaces. Deux méthodes complémentaires sont proposées. La première consiste à calculer le volume entre les surfaces après avoir effectué un recalage, et à utiliser ce volume comme un critère de similarité. La seconde approche s’appuie sur une décomposition en harmoniques sphériques en utilisant les coefficients comme des descripteurs de forme, qui permettront de comparer deux surfaces. Des résultats sont présentés pour chaque méthode en les comparant à la méthode la plus récemment décrite dans la littérature, les avantages et inconvénients de chacune sont détaillés. Une méthodologie en cascade utilisant ces deux méthodes afin de combiner les avantages de chacune est aussi proposée. La troisième et dernière partie porte sur une nouvelle méthode de décomposition en graphes de maillages 3D triangulés. Nous utilisons des cartes de courbures discrètes comme descripteur de forme afin de découper le maillage traité en huit différentes catégorie de carreaux (ou peak, ridge, saddle ridge, minimal, saddle valley, valley, pit et flat). Ensuite, un graphe d'adjacence est construit avec un nœud pour chaque carreau. Toutes les catégories de carreaux ne pouvant pas être adjacentes dans un contexte continu, des jonctions intermédiaires sont ajoutées afin d'assurer une cohérence continue entre les zones. Ces graphes sont utilisés pour extraire des caractéristiques géométriques décrites par des motifs (ou patterns), ce qui permet de détecter des régions spécifiques dans un modèle 3D, ou des motifs récurrents. Cette méthode de décomposition étant générique, elle peut être appliquée à de nombreux domaines où il est question d’analyser des modèles géométriques, en particulier dans le contexte de la cornée. / This thesis comprises three parts. The first two parts concern the development of methods for the construction of mean geometric models and for model comparison. These approaches are applied to the human cornea for the construction of atlases and a robust biometric study. The third part focuses on a generic method for the extraction of information in a mesh. This approach is based on discrete differential properties for building a graph structure to extract features using a semantic description. Conventional anatomical atlases (paper or CD-ROM) are limited by the fact they generally show the anatomy of a single individual who does not necessarily represent the population from which they originate. To address the limitations of conventional atlases, we propose in the first part of this thesis to construct a 3D digital atlas containing the average characteristics and variability of the morphology of an organ, especially that of the human cornea. Several issues are addressed, such as the construction of an average cornea and the comparison of corneas. Currently, there are few studies with these objectives because the matching of corneal surfaces is a non-trivial problem. In addition to help to develop a better understanding of the corneal anatomy, 3D models of normal corneas can be used to detect any significant deviation from the norm, thereby allowing for an early diagnosis of diseases or abnormalities using the shape of the cornea. The second part of this thesis aims to develop a method for recognizing a surface from a group of surfaces using their 3D acquisitions in a biometric application pertinent to the cornea. The concept behind this method is to quantify the difference between each surface and a given surface and to determine the threshold for recognition. This threshold depends on normal variations within the same subject and noise due to the acquisition system. The surfaces are randomly trimmed and pierced ; moreover, there is no common landmark on the surfaces. Two complementary methods are proposed. The first method consists of the computation of the volume between the surfaces after performing geometrical matching and the use of this volume as a criterion of similarity. The second approach is based on a decomposition of the surfaces into spherical harmonics using the coefficients as shape descriptors to compare the two surfaces. Each result of the proposed methods is compared to the most recent method described in the literature, with the benefits and disadvantages of each one described in detail. A cascading methodology using both methods to combine the advantages of each method is also proposed. The third and final part of this thesis focuses on a new method for decomposing 3D triangulated meshes into graphs. We use discrete curvature maps as the shape descriptor to split the mesh in eight different categories (peak, ridge, saddle ridge, minimal, saddle valley, valley, pit and flat). Next, an adjacency graph is built with a node for each patch. Because all categories of patches cannot be adjacent in a continuous context, intermediate junctions are added to ensure the continuous consistency between patches. These graphs are used to extract geometric characteristics described by patterns that allow for the detection of specific regions in a 3D model or recurrent characteristics. This decomposition method, being generic, can be used in many applications to analyze geometric models, especially in the context of the cornea.

Cette thèse cherche à examiner les conditions optimales dans lesquelles les surfaces cornéennes antérieures peuvent être efficacement pré-traitées, classifiées et prédites en utilisant des techniques de modélisation géométriques (MG) et d’apprentissage automatiques (AU). La première étude (Chapitre 2) examine les conditions dans lesquelles la modélisation géométrique peut être utilisée pour réduire la dimensionnalité des données utilisées dans un projet d’apprentissage automatique. Quatre modèles géométriques ont été testés pour leur précision et leur rapidité de traitement : deux modèles polynomiaux (P) – polynômes de Zernike (PZ) et harmoniques sphériques (PHS) – et deux modèles de fonctions rationnelles (R) : fonctions rationnelles de Zernike (RZ) et fonctions rationnelles d’harmoniques sphériques (RSH). Il est connu que les modèles PHS et RZ sont plus précis que les modèles PZ pour un même nombre de coefficients (J), mais on ignore si les modèles PHS performent mieux que les modèles RZ, et si, de manière plus générale, les modèles SH sont plus précis que les modèles R, ou l’inverse. Et prenant en compte leur temps de traitement, est-ce que les modèles les plus précis demeurent les plus avantageux? Considérant des valeurs de J (nombre de coefficients du modèle) relativement basses pour respecter les contraintes de dimensionnalité propres aux taches d’apprentissage automatique, nous avons établi que les modèles HS (PHS et RHS) étaient tous deux plus précis que les modèles Z correspondants (PZ et RR), et que l’avantage de précision conféré par les modèles HS était plus important que celui octroyé par les modèles R. Par ailleurs, les courbes de temps de traitement en fonction de J démontrent qu’alors que les modèles P sont traités en temps quasi-linéaires, les modèles R le sont en temps polynomiaux. Ainsi, le modèle SHR est le plus précis, mais aussi le plus lent (un problème qui peut en partie être remédié en appliquant une procédure de pré-optimisation). Le modèle ZP était de loin le plus rapide, et il demeure une option intéressante pour le développement de projets. SHP constitue le meilleur compromis entre la précision et la rapidité. La classification des cornées selon des paramètres cliniques a une longue tradition, mais la visualisation des effets moyens de ces paramètres sur la forme de la cornée par des cartes topographiques est plus récente. Dans la seconde étude (Chapitre 3), nous avons construit un atlas de cartes d’élévations moyennes pour différentes variables cliniques qui pourrait s’avérer utile pour l’évaluation et l’interprétation des données d’entrée (bases de données) et de sortie (prédictions, clusters, etc.) dans des tâches d’apprentissage automatique, entre autres. Une base de données constituée de plusieurs milliers de surfaces cornéennes antérieures normales enregistrées sous forme de matrices d’élévation de 101 by 101 points a d’abord été traitée par modélisation géométrique pour réduire sa dimensionnalité à un nombre de coefficients optimal dans une optique d’apprentissage automatique. Les surfaces ainsi modélisées ont été regroupées en fonction de variables cliniques de forme, de réfraction et de démographie. Puis, pour chaque groupe de chaque variable clinique, une surface moyenne a été calculée et représentée sous forme de carte d’élévations faisant référence à sa SMA (sphère la mieux ajustée). Après avoir validé la conformité de la base de donnée avec la littérature par des tests statistiques (ANOVA), l’atlas a été vérifié cliniquement en examinant si les transformations de formes cornéennes présentées dans les cartes pour chaque variable étaient conformes à la littérature. C’était le cas. Les applications possibles d’un tel atlas sont discutées. La troisième étude (Chapitre 4) traite de la classification non-supervisée (clustering) de surfaces cornéennes antérieures normales. Le clustering cornéen un domaine récent en ophtalmologie. La plupart des études font appel aux techniques d’extraction des caractéristiques pour réduire la dimensionnalité de la base de données cornéennes. Le but est généralement d’automatiser le processus de diagnostique cornéen, en particulier en ce qui a trait à la distinction entre les cornées normales et les cornées irrégulières (kératocones, Fuch, etc.), et dans certains cas, de distinguer différentes sous-classes de cornées irrégulières. L’étude de clustering proposée ici se concentre plutôt sur les cornées normales afin de mettre en relief leurs regroupements naturels. Elle a recours à la modélisation géométrique pour réduire la dimensionnalité de la base de données, utilisant des polynômes de Zernike, connus pour leur interprétativité transparente (chaque terme polynomial est associé à une caractéristique cornéenne particulière) et leur bonne précision pour les cornées normales. Des méthodes de différents types ont été testées lors de prétests (méthodes de clustering dur (hard) ou souple (soft), linéaires or non-linéaires. Ces méthodes ont été testées sur des surfaces modélisées naturelles (non-normalisées) ou normalisées avec ou sans traitement d’extraction de traits, à l’aide de différents outils d’évaluation (scores de séparabilité et d’homogénéité, représentations par cluster des coefficients de modélisation et des surfaces modélisées, comparaisons statistiques des clusters sur différents paramètres cliniques). Les résultats obtenus par la meilleure méthode identifiée, k-means sans extraction de traits, montrent que les clusters produits à partir de surfaces cornéennes naturelles se distinguent essentiellement en fonction de la courbure de la cornée, alors que ceux produits à partir de surfaces normalisées se distinguent en fonction de l’axe cornéen. La dernière étude présentée dans cette thèse (Chapitre 5) explore différentes techniques d’apprentissage automatique pour prédire la forme de la cornée à partir de données cliniques. La base de données cornéennes a d’abord été traitée par modélisation géométrique (polynômes de Zernike) pour réduire sa dimensionnalité à de courts vecteurs de 12 à 20 coefficients, une fourchette de valeurs potentiellement optimales pour effectuer de bonnes prédictions selon des prétests. Différentes méthodes de régression non-linéaires, tirées de la bibliothèque scikit-learn, ont été testées, incluant gradient boosting, Gaussian process, kernel ridge, random forest, k-nearest neighbors, bagging, et multi-layer perceptron. Les prédicteurs proviennent des variables cliniques disponibles dans la base de données, incluant des variables géométriques (diamètre horizontal de la cornée, profondeur de la chambre cornéenne, côté de l’œil), des variables de réfraction (cylindre, sphère et axe) et des variables démographiques (âge, genre). Un test de régression a été effectué pour chaque modèle de régression, défini comme la sélection d’une des 256 combinaisons possibles de variables cliniques (les prédicteurs), d’une méthode de régression, et d’un vecteur de coefficients de Zernike d’une certaine taille (entre 12 et 20 coefficients, les cibles). Tous les modèles de régression testés ont été évalués à l’aide de score de RMSE établissant la distance entre les surfaces cornéennes prédites (les prédictions) et vraies (les topographies corn¬éennes brutes). Les meilleurs d’entre eux ont été validés sur l’ensemble de données randomisé 20 fois pour déterminer avec plus de précision lequel d’entre eux est le plus performant. Il s’agit de gradient boosting utilisant toutes les variables cliniques comme prédicteurs et 16 coefficients de Zernike comme cibles. Les prédictions de ce modèle ont été évaluées qualitativement à l’aide d’un atlas de cartes d’élévations moyennes élaborées à partir des variables cliniques ayant servi de prédicteurs, qui permet de visualiser les transformations moyennes d’en groupe à l’autre pour chaque variables. Cet atlas a permis d’établir que les cornées prédites moyennes sont remarquablement similaires aux vraies cornées moyennes pour toutes les variables cliniques à l’étude. / This thesis aims to investigate the best conditions in which the anterior corneal surface of normal corneas can be preprocessed, classified and predicted using geometric modeling (GM) and machine learning (ML) techniques. The focus is on the anterior corneal surface, which is the main responsible of the refractive power of the cornea. Dealing with preprocessing, the first study (Chapter 2) examines the conditions in which GM can best be applied to reduce the dimensionality of a dataset of corneal surfaces to be used in ML projects. Four types of geometric models of corneal shape were tested regarding their accuracy and processing time: two polynomial (P) models – Zernike polynomial (ZP) and spherical harmonic polynomial (SHP) models – and two corresponding rational function (R) models – Zernike rational function (ZR) and spherical harmonic rational function (SHR) models. SHP and ZR are both known to be more accurate than ZP as corneal shape models for the same number of coefficients, but which type of model is the most accurate between SHP and ZR? And is an SHR model, which is both an SH model and an R model, even more accurate? Also, does modeling accuracy comes at the cost of the processing time, an important issue for testing large datasets as required in ML projects? Focusing on low J values (number of model coefficients) to address these issues in consideration of dimensionality constraints that apply in ML tasks, it was found, based on a number of evaluation tools, that SH models were both more accurate than their Z counterparts, that R models were both more accurate than their P counterparts and that the SH advantage was more important than the R advantage. Processing time curves as a function of J showed that P models were processed in quasilinear time, R models in polynomial time, and that Z models were fastest than SH models. Therefore, while SHR was the most accurate geometric model, it was the slowest (a problem that can partly be remedied by applying a preoptimization procedure). ZP was the fastest model, and with normal corneas, it remains an interesting option for testing and development, especially for clustering tasks due to its transparent interpretability. The best compromise between accuracy and speed for ML preprocessing is SHP. The classification of corneal shapes with clinical parameters has a long tradition, but the visualization of their effects on the corneal shape with group maps (average elevation maps, standard deviation maps, average difference maps, etc.) is relatively recent. In the second study (Chapter 3), we constructed an atlas of average elevation maps for different clinical variables (including geometric, refraction and demographic variables) that can be instrumental in the evaluation of ML task inputs (datasets) and outputs (predictions, clusters, etc.). A large dataset of normal adult anterior corneal surface topographies recorded in the form of 101×101 elevation matrices was first preprocessed by geometric modeling to reduce the dimensionality of the dataset to a small number of Zernike coefficients found to be optimal for ML tasks. The modeled corneal surfaces of the dataset were then grouped in accordance with the clinical variables available in the dataset transformed into categorical variables. An average elevation map was constructed for each group of corneal surfaces of each clinical variable in their natural (non-normalized) state and in their normalized state by averaging their modeling coefficients to get an average surface and by representing this average surface in reference to the best-fit sphere in a topographic elevation map. To validate the atlas thus constructed in both its natural and normalized modalities, ANOVA tests were conducted for each clinical variable of the dataset to verify their statistical consistency with the literature before verifying whether the corneal shape transformations displayed in the maps were themselves visually consistent. This was the case. The possible uses of such an atlas are discussed. The third study (Chapter 4) is concerned with the use of a dataset of geometrically modeled corneal surfaces in an ML task of clustering. The unsupervised classification of corneal surfaces is recent in ophthalmology. Most of the few existing studies on corneal clustering resort to feature extraction (as opposed to geometric modeling) to achieve the dimensionality reduction of the dataset. The goal is usually to automate the process of corneal diagnosis, for instance by distinguishing irregular corneal surfaces (keratoconus, Fuch, etc.) from normal surfaces and, in some cases, by classifying irregular surfaces into subtypes. Complementary to these corneal clustering studies, the proposed study resorts mainly to geometric modeling to achieve dimensionality reduction and focuses on normal adult corneas in an attempt to identify their natural groupings, possibly in combination with feature extraction methods. Geometric modeling was based on Zernike polynomials, known for their interpretative transparency and sufficiently accurate for normal corneas. Different types of clustering methods were evaluated in pretests to identify the most effective at producing neatly delimitated clusters that are clearly interpretable. Their evaluation was based on clustering scores (to identify the best number of clusters), polar charts and scatter plots (to visualize the modeling coefficients involved in each cluster), average elevation maps and average profile cuts (to visualize the average corneal surface of each cluster), and statistical cluster comparisons on different clinical parameters (to validate the findings in reference to the clinical literature). K-means, applied to geometrically modeled surfaces without feature extraction, produced the best clusters, both for natural and normalized surfaces. While the clusters produced with natural corneal surfaces were based on the corneal curvature, those produced with normalized surfaces were based on the corneal axis. In each case, the best number of clusters was four. The importance of curvature and axis as grouping criteria in corneal data distribution is discussed. The fourth study presented in this thesis (Chapter 5) explores the ML paradigm to verify whether accurate predictions of normal corneal shapes can be made from clinical data, and how. The database of normal adult corneal surfaces was first preprocessed by geometric modeling to reduce its dimensionality into short vectors of 12 to 20 Zernike coefficients, found to be in the range of appropriate numbers to achieve optimal predictions. The nonlinear regression methods examined from the scikit-learn library were gradient boosting, Gaussian process, kernel ridge, random forest, k-nearest neighbors, bagging, and multilayer perceptron. The predictors were based on the clinical variables available in the database, including geometric variables (best-fit sphere radius, white-towhite diameter, anterior chamber depth, corneal side), refraction variables (sphere, cylinder, axis) and demographic variables (age, gender). Each possible combination of regression method, set of clinical variables (used as predictors) and number of Zernike coefficients (used as targets) defined a regression model in a prediction test. All the regression models were evaluated based on their mean RMSE score (establishing the distance between the predicted corneal surfaces and the raw topographic true surfaces). The best model identified was further qualitatively assessed based on an atlas of predicted and true average elevation maps by which the predicted surfaces could be visually compared to the true surfaces on each of the clinical variables used as predictors. It was found that the best regression model was gradient boosting using all available clinical variables as predictors and 16 Zernike coefficients as targets. The most explicative predictor was the best-fit sphere radius, followed by the side and refractive variables. The average elevation maps of the true anterior corneal surfaces and the predicted surfaces based on this model were remarkably similar for each clinical variable.