This thesis aims to define software and hardware mechanisms helping in the management the Heterogeneous and dynamically Reconfigurable Systems-on-Chip (HRSoC). The heterogeneity is due to the presence of general processing units and reconfigurable IPs. Our objective is to provide to an application developer an abstracted view of this heterogeneity, regarding the task mapping on the available processing elements. First, we homogenize the user interface defining a hardware thread model. Then, we pursue with the homogenization of the hardware threads management. We implemented OS services permitting to save and restore a hardware thread context. Conception tools have also been developed in order to overcome the relocation issue. The last step consisted in extending the access to the distributed OS services to every thread running on the platform. This access is provided independently from the thread location and is is realized implementing the MRAPI API. With these three steps, we build a solid basis to, in future work, provide to the developer, a conception flow dedicated to HRSoC allowing to perform precise architectural space explorations. Finally, to validate these mechanisms, we realize a demonstration platform on a Virtex 5 FPGA running a dynamic tracking application.

Les travaux abordés dans cette thèse concernent la modélisation des systèmes à événements discrets à l'aide d'automates à multiplicités dans l'algèbre (max,+), appelés automates (max,+). Nous proposons des représentations alternatives pour les automates (max,+). Celles-ci traduisent l'évolution des automates de façon approximative, car seuls leurs comportements extrémaux sont décrits, mais il est escompté de pouvoir résoudre à l'aide de celles-ci des problèmes importants avec une complexité raisonnable. Plus exactement, des équations récursives ont été définies dans l'algèbre (max,+) et l'algèbre (min,+) afin de décrire les comportements pire-cas et meilleur-cas des automates (max,+). Il est montré que ces représentations permettent d'évaluer les performances de systèmes avec une faible complexité de calcul. L'influence d'une entrée exogène peut être prise en compte dans ces représentations et on obtient alors un modèle analogue aux équations d'état standard pour les systèmes non-autonomes dans l'algèbre (max,+). Cette caractéristique permet l'adaptation de lois de commande développées pour les systèmes (max,+) linéaires aux systèmes à événements discrets appréhendés à l'aide d'automates (max,+).

Cette thèse adresse le sujet de la génération de suites binaires aléatoires dans les circuits logiques programmables FPGA et plus particulièrement les suites dont l'origine aléatoire est de nature physique et non algorithmique. De telles suites trouvent une utilisation abondante dans la plupart des protocoles cryptographiques. Un état de l'art portant sur les différentes méthodes de génération de vrai aléa dans les circuits logiques programmables est présenté sous forme d'analyse critique d'articles scientifiques. Une synthèse des différentes tendances dans l'extraction et la génération d'aléa est également présentée. Une campagne d'expériences et de mesures est présentée visant à caractériser les différentes sources de signaux aléatoires disponibles à l'intérieur du FPGA. Des phénomènes intéressants tel le verrouillage de plusieurs oscillateurs en anneau, la dépendance de la source d'aléa vis-à-vis de la logique environnante et la méthodologie de mesure du jitter sont analysés. Plusieurs méthodes nouvelles de génération de suites binaires aléatoires sont décrites. Finalement une méthodologie nouvelle de simulation en VHDL de générateurs complets ainsi qu'un modèle mathématique d'un oscillateur en anneau en tant que source d'aléa sont présentés

Ce document présente une synthèse des travaux réalisés depuis une dizaine d'années au sein de l'University of California, San Francisco (UCSF) puis au Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection (LSIIT) et au laboratoire ICube à Strasbourg. Ces activités se situent au confluent de l'informatique, des mathématiques appliqués et des neurosciences. Ce domaine de recherche, appelé neuro-informatique, concerne la conception et la réalisation de méthodes d'analyse, la constitution de base de données et des outils associés dont l'objectif est la compréhension du cerveau. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur le traitement et l'analyse de données IRM cérébrales, conduisant à aborder différentes problématiques telles que la reconstruction d'images, l'extraction d'information, la mise en correspondance ou la détection de changements. Les activités de recherche en neuro-informatique soulignent l'apport essentiel des méthodes de traitement de l'information afin de comprendre au travers de grandes masses de données le fonctionnement de systèmes complexes tels que le cerveau.

Dans cette thèse nous nous intéressons au développement d'une méthode de prise de décision pour un équipement de réception de Radio Intelligente qui s'adapte dynamiquement à son environnement. L'approche que nous adoptons est basée sur la modélisation statistique de l'environnement radio. En caractérisant statistiquement les observations fournies par les capteurs de l'environnement, nous mettons en place des règles de décisions statistiques qui prennent en considération les erreurs d'observation des métriques radio, ce qui contribue à minimiser les taux des décisions erronées. Nous visons aussi à travers cette thèse à utiliser les capacités intelligentes de prise de décision pour contribuer à la réduction de la complexité de calcul au niveau de l'équipement de réception. En effet, nous identifions des scénarios de prise de décision de reconfiguration qui limitent la présence de certains composants ou fonctions de la chaîne de réception. En particulier, nous traitons, deux scénarios de décision qui adaptent respectivement la présence des fonctions d'égalisation et du beamforming en réception. La limitation de ces deux opérations contribue à la réduction de la complexité de calcul au niveau de la chaîne de réception sans dégrader ses performances. Enfin, nous intégrons notre méthode de décision par modélisation statistique ainsi que les deux scénarios de décision traités dans une architecture de gestion d'une radio intelligente, afin de mettre en valeur le contrôle de l'intelligence et de la reconfiguration dans un équipement radio.

L'évaluation de la qualité des images médicales est essentielle pour optimiser un système d'imagerie. Dans le cadre d'approches basées sur la tâche, les modèles numériques proposés ont des limites: pour la tâche de localisation, la plupart des modèles ont besoin de la connaissance a priori des paramètres du signal; les modèles dédiés à la détection de signaux dans une image 3D se limitent aux signaux symétriques. Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux modèles numériques: le CJO pour la détection sur une coupe d'un signal dont l'amplitude, l'orientation et la taille ne sont pas connus a priori; le PCJO et le msPCJO pour la détection-localisation de plusieurs signaux paramétriques d'amplitude, d'orientation, de taille et d'emplacement variables sur une coupe (PCJO) ou en 3D (msPCJO). Deux expériences ont été conçues et mises en oeuvre pour la validation de nos modèles sur des images IRM présentant des lésions de SEP. Les résultats indiquent que nos modèles sont performants et prometteurs pour l'évaluation de systèmes d'imagerie.

Calculer une représentation 3D d'une scène rigide à partir d'une collection d'images est aujourd'hui possible grâce aux progrès réalisés par les méthodes de stéréo-vision multi-vues, et ce avec un simple appareil photographique. Le principe de reconstruction, découlant de travaux de photogrammétrie, consiste à recouper les informations provenant de plusieurs images, prises de points de vue différents, pour identifier les positions et orientations relatives de chaque cliché. Une fois les positions et orientations de caméras déterminées (calibration externe), la structure de la scène peut être reconstruite. Afin de résoudre le problème de calcul de la structure à partir du mouvement des caméras (Structure-from-Motion), des méthodes séquentielles et globales ont été proposées. Par nature, les méthodes séquentielles ont tendance à accumuler les erreurs. Cela donne lieu le plus souvent à des trajectoires de caméras qui dérivent et, lorsque les photos sont acquises autour d'un objet, à des reconstructions où les boucles ne se referment pas. Au contraire, les méthodes globales considèrent le réseau de caméras dans son ensemble. La configuration de caméras est recherchée et optimisée pour conserver au mieux l'ensemble des contraintes de cyclicité du réseau. Des reconstructions de meilleure qualité peuvent être obtenues, au détriment toutefois du temps de calcul. Cette thèse propose d'analyser des problèmes critiques au cœur de ces méthodes de calibration externe et de fournir des solutions pour améliorer leur performance (précision, robustesse, vitesse) et leur facilité d'utilisation (paramétrisation restreinte). Nous proposons tout d'abord un algorithme de suivi de points rapide et efficace. Nous montrons ensuite que l'utilisation généralisée de l'estimation robuste de modèles paramétriques a contrario permet de libérer l'utilisateur du réglage de seuils de détection, et d'obtenir une chaine de reconstruction qui s'adapte automatiquement aux données. Dans un second temps, nous utilisons ces estimations robustes adaptatives et une formulation du problème qui permet des optimisations convexes pour construire une chaine de calibration globale capable de passer à l'échelle. Nos expériences démontrent que les estimations identifiées a contrario améliorent de manière notable la qualité d'estimation de la position et de l'orientation des clichés, tout en étant automatiques et sans paramètres, et ce même sur des réseaux de caméras complexes. Nous proposons enfin d'améliorer le rendu visuel des reconstructions en proposant une optimisation convexe de la consistance colorée entre images.

L'imagerie RSO circulaire aéroportée permet d'obtenir de nombreuses informations sur les zones imagées et sur les cibles mobiles. Les objets peuvent être observés sous plusieurs angles, et l'illumination continue d'une même scène permet de générer plusieurs images successives de la même zone. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de reconstruction de trajectoire de cibles mobiles en imagerie RSO circulaire monovoie, et d'étudier les performances de la méthode proposée. Nous avons tout d'abord mesuré les coordonnées apparentes des cibles mobiles sur les images RSO et leur paramètre de défocalisation. Ceci permet d'obtenir des informations de mouvement des cibles, notamment de vitesse et d'accélération. Nous avons ensuite utilisé ces mesures pour définir un système d'équations non-linéaires permettant de faire le lien entre les trajectoires réelles des cibles mobiles et leurs trajectoires apparentes. Par une analyse mathématique et numérique de la stabilité de ce système, nous avons montré que seul un modèle de cible mobile avec une vitesse constante permet de reconstruire précisément les trajectoires des cibles mobiles, sous réserve d'une excursion angulaire suffisante. Par la suite, nous avons étudié l'influence de la résolution des images sur les performances de reconstruction des trajectoires, en calculant théoriquement les précisions de mesure et les précisions de reconstruction qui en découlent. Nous avons mis en évidence l'existence théorique d'une résolution azimutale optimale, dépendant de la radiométrie des cibles et de la validité des modèles étudiés. Finalement nous avons validé la méthode développée sur deux jeux de données réelles acquises par le capteur SETHI et RAMSES NG de l'ONERA en bande X, et confirmé les analyses théoriques des performances de cette méthode.

Dans ce travail, nous etudions le cadre de la morphologie math ematique sur les complexes simpliciaux. Complexes simpliciaux sont une structure versatile et largement utilis ee pour repr esenter des donn ees multidimensionnelles, telles que des maillages, qui sont des complexes tridimensionnels, ou des graphes, qui peuvent etre interpr et ees comme des complexes bidimensionnels. La morphologie math ematique est l'un des cadres les plus puissants pour le traitement de l'image, y compris le traitement des structures num eriques, et est largement utilis e pour de nombreuses applications. Toutefois, les op erateurs de morphologie math ematique sur des espaces complexes simpliciaux n'est pas un concept enti erement d evelopp e dans la litt erature. Dans ce travail, nous passons en revue certains op erateurs classiques des complexes simpliciaux sous la lumi ere de la morphologie math ematique, de montrer qu'ils sont des op erateurs de morphologie. Nous d efi nissons certains treillis de base et les op erateurs agissant sur ces treillis : dilatations, erosions, ouvertures, fermetures et fi ltres altern es s equentiels, et aussi leur extension a simplexes pond er es. Cependant, les principales contributions de ce travail sont ce que nous appelions les op erateurs dimensionnels, petites et polyvalents op erateurs qui peuvent etre utilis es pour d efi nir de nouveaux op erateurs sur les complexes simpliciaux, qui garde les propri et es de la morphologie math ematique. Ces op erateurs peuvent egalement etre utilis es pour exprimer pratiquement n'importe quel op erateur dans la litt erature. Nous illustrons les op erateurs d e nis et nous comparons les filtres altern es s equentiels contre ltres d e finis dans la litt erature, o u nos filtres pr esentent de meilleurs r esultats pour l'enl evement du petit, intense bruit des images binaires.

L'utilisation des accélérateurs reconfigurables, pour la conception de system-on-chip hétérogènes, offre des possibilités intéressantes d'augmentation des performances et de réduction de la consommation d'énergie. En effet, ces accélérateurs sont couramment utilisés en complément d'un (ou de plusieurs) processeur(s) pour permettre de décharger celui-ci (ceux-ci) des calculs intensifs et des traitements de flots de données. Le concept de reconfiguration dynamique, supporté par certains constructeurs de FPGA, permet d'envisager des systèmes beaucoup plus flexibles en offrant notamment la possibilité de séquencer temporellement l'exécution de blocs de calcul sur la même surface de silicium, réduisant alors les besoins en ressources d'exécution. Cependant, la reconfiguration dynamique n'est pas sans impact sur les performances globales du système et il est difficile d'estimer la répercussion des décisions de configuration sur la consommation d'énergie. L'objectif principal de cette thèse consiste à proposer une méthodologie d'exploration permettant d'évaluer l'impact des choix d'implémentation des différentes tâches d'une application sur un system-on-chip contenant une ressource reconfigurable dynamiquement, en vue d'optimiser la consommation d'énergie ou le temps d'exécution. Pour cela, nous avons établi des modèles de consommation des composants reconfigurables, en particulier les FPGAs, qui permettent d'aider le concepteur dans son design. À l'aide d'une méthodologie de mesure sur Virtex-5, nous montrons dans un premier temps qu'il est possible de générer des accélérateurs matériels de tailles variées ayant des performances temporelles et énergétiques diverses. Puis, afin de quantifier les coûts d'implémentation de ces accélérateurs, nous construisons trois modèles de consommation de la reconfiguration dynamique partielle. Finalement, à partir des modèles définis et des accélérateurs produits, nous développons un algorithme d'exploration des solutions d'implémentation pour un système complet. En s'appuyant sur une plate-forme de modélisation à haut niveau, celui-ci analyse les coûts d'implémentation des tâches et leur exécution sur les différentes ressources disponibles (processeur ou région configurable). Les solutions offrant les meilleures performances en fonction des contraintes de conception sont retenues pour être exploitées.