L'objectif de la présente thèse est d'étudier, de définir et de mettre en place un système de vision artificielle permettant de discriminer la nature et la variété de semences à partir de leurs images numériques. Une première étude a porté sur l'étude d'un dispositif mono-caméra destiné au contrôle de la qualité de lots de semences dans l'optique de leur certification. Il est apparu qu'un système mono-caméra ne permettait pas d'identifier les semences dont les faces présentent une disparité de couleur. Ainsi, les semences endommagées ne peuvent pas être correctement détectées avec un tel dispositif. Une deuxième étude a porté sur l'étude et la réalisation d'un nouveau système d'acquisition, muni de trois caméras, et capable de prendre plusieurs images de plusieurs faces d'un même objet. Un prototype a été construit, reposant sur une nouvelle architecture optique et électronique. A l'aide de ce prototype, une collection d'images de semences et de contaminants a été acquise. Sur cette collection, des algorithmes de traitement d'images et de discrimination ont été testés. Les semences composant cette collection ont été caractérisées par plusieurs centaines de variables quantitatives, portant sur leur morphologie, leur couleur et leur texture. Plusieurs méthodes de discrimination ont été étudiées : l'analyse discriminante linéaire (ADL), l'analyse factorielle discriminante, l'analyse discriminante PLS et une méthode de réseau de neurones probabilistes à ajustement adaptatif de poids. Dans tous les cas, les variables ont été sélectionnées préalablement par ADL avec introduction successive des variables les plus discriminantes. L'existence de trois images numériques pour chaque objet étudié offre des possibilités nouvelles en ce qui concerne la prise de décision. Plusieurs heuristiques ont été testées. Nous avons comparé les résultats obtenus en concaténant les tableaux de caractéristiques acquises à l'aide des trois caméras ou en mettant en jeu une stratégie de vote, majoritaire ou unanime. Quelle que soit la stratégie de décision, le réseau de neurones probabilistes donne les résultats les meilleurs, légèrement supérieurs à ceux obtenus par l'ADL. Nous avons conclu que, en considérant la simplicité de l'analyse discriminante linéaire, cette méthode était la plus appropriée pour la réalisation d'un automate fonctionnant en temps réel et capable de répondre aux contraintes de la certification des lots de semences.

L'objectif de ces travaux est la réalisation d'un dispositif à base de réalité virtuelle an d'assiter le chirurgien orthopédiste lors de la substitution de l'articulation gléno-humérale par une prothèse. Ce dispositif a pour but l'optimisation des débattements de l'articulation prothésée de l'épaule à partir d'un choix de différents scénarios de pose. Les travaux se basent sur de nombreuses thématiques telles que la chirurgie orthopédique, le traitement d'image, l'informatique graphique ainsi que la réalité virtuelle. La démarche choisie comprend une (i) phase de modélisation de la partie osseuse de l'articulation par des formes géométriques simples, ce modèle est paramétrable à partir de radios ou de coupes scanners ; (ii) une phase de simulation des débattements de l'articulation gléno-humérale saine ; ainsi que (iii) une phase de simulation des opérations de coupes et de perçages avec choix des implants prothétiques pour une optimisation des débattements de l'articulation en préopératoire (cette optimisation se fait grâce une comparaison de la cinématique de l'épaule saine avec les diérents scénarios issus de notre simulation préopératoire).

Les séquences fluoroscopiques, acquises à de faibles doses de rayons X, sont utilisées au cours de certaines opérations médicales pour guider le personnel médical dans ces actes. Cependant, la qualité des images obtenues est inversement proportionnelle à cette dose. Nous proposons dans ces travaux un algorithme de réduction de bruit permettant de compenser les effets d'une réduction de la dose d'acquisition et donc garantissant une meilleure protection pour le patient et le personnel médical. Le filtrage développé est un filtre spatio-temporel s'appuyant sur les représentations multi-échelles 2D des images de la séquence pour de meilleures performances. Le filtre temporel récursif d'ordre 1 et compensé en mouvement permet une forte réduction de bruit. Il utilise une détection et un suivi des objets de la séquence. Ces deux étapes déterminent le filtrage spatio-temporel de chaque coefficient multi-échelles. Le filtrage spatial est un seuillage contextuel utilisant le voisinage multi-échelles des coefficients pour éviter l'apparition d'artefacts de forme dans les images reconstruites. La méthode proposée est testée dans deux espaces multi-échelles différents, les curvelets et les ondelettes complexes suivant l'arbre dual. Elle offre des performances supérieures à celles des meilleures méthodes de l'état de l'art. / Acquired with low doses of X-rays, fluoroscopic sequences are used to guide the medical staff during some medical procedures. However, image quality is inversely proportional to acquisition doses. We present here a noise reduction algorithm compensating for the effects of an acquisition at a reduced dose. Such a reduction enables better health protection for the patient as well as for the medical staff. The proposed method is based on a spatio-temporal filter applied on the 2D multi-scales representations of the sequence images to allow for a greater noise reduction. The motion-compensated, recursive filter acccounts for most of the noise reduction. It is composed of a detection and pairing step, which output determines how a coefficient is filtered. Spatial filtering is based on a contextual thresholding to avoid introducing shape-like artifacts. We compare this filtering both in the curvelet and dual-tree complex wavelet domains and show it offers better results than state-of-the-art methods.

Cette th'ese est consacr'ee 'a l''etude et la r'esolution de certains probl'emes non lin'eaires du traitement du signal et de l'image via l'analyse convexe. Nous proposons une 'etude variationnelle unifi'ee de probl'emes inverses et de probl'emes de d'ecomposition de signaux qui ont, jusqu''a pr'esent, 'et'e 'etudi'es individuellement en raison de leur apparente disparit'e. Dans le mod'ele adopt'e, cette famille de probl'emes est r'eduite g'en'eriquement 'a la minimisation d'une somme de deux fonctions soumises 'a certaines propri'et'es de r'egularit'e. Des r'esultats d'existence, d'unicit'e et de caract'erisation du probl'eme ainsi pos'e sont obtenus. L'op'erateur proximal, introduit par Moreau en 1962 pour les besoins de la m'ecanique, joue un rˆole essentiel dans notre analyse. Nous l'utilisons notamment pour obtenir de nouveaux sch'emas non lin'eaires de d'ecomposition de signaux. Cet outil est par ailleurs au coeur de l'algorithme explicite-implicite que nous proposons pour la r'esolution du probl'eme g'en'erique. Ce cadre th'eorique est appliqu'e 'a l'analyse de signaux et 'a la restauration d'images. Les probl'emes de restauration que nous abordons sont pos'es sur des trames et notre approche permet de prendre en compte des contraintes de parcimonie ou de mod'eliser des formulations bay'esiennes avec des connaissances a priori sur les lois des coefficients de la d'ecomposition. Des r'esultats num'eriques sont fournis.

Le traitement optique des données tomodensitométriques fournies par les systèmes d'exploration volumique pourrait permettre d'accélérer considérablement les algorithmes de génération d'images dans le but de répondre aux besoins des futurs systèmes de thérapie assistée. Dans ce document, deux architectures optiques, correspondant aux deux opérations de base dans ce domaine, sont présentées : un système de filtrage et un système de rétroprojection. Ils sont abordés sous l'aspect matériel, puis sous l'aspect algorithmique. Quelle que soit la fonction réalisée, un processeur optique est toujours constitué de sources de lumière, d'afficheurs et de capteur d'images. L'état de l'art de ces composants révèle une faiblesse au niveau des afficheurs (SLM). En particulier, les SLM à base de cristaux liquides ferroélectriques sont étudiés en détail (modélisation, simulation et caractérisation de produits existants). L'intérêt des systèmes optiques de traitement est examiné à la fois du point de vue du temps de calcul, en comparaison avec les technologies numériques classiques, et en terme de qualité de traitement. Pour cela, les deux systèmes sont étudiés, dans un premier temps en simulation à l'aide d'un modèle approprié, puis expérimentalement sur un prototype. Dans le cadre du processeur de filtrage, les résultats restent plutôt moyens. Le rapport signal à bruit (SNR) sur les images reconstruites est de l'ordre de 20 dB en simulation avec un modèle dans lequel la majorité des distorsions géométriques n'ont pas été prises en compte. Les résultats expérimentaux mettent encore mieux en avant les limites de la méthode. Le travail de la lumière cohérente semble être un obstacle important. En revanche, les résultats avec le processeur de rétroprojection sont plutôt encourageants. Le modèle, beaucoup plus complet, et les simulations montrent qu'il est possible d'obtenir des images de qualité comparable à celles obtenues par calcul numérique (plus de 50 dB de SNR), avec une accélération d'un à deux ordres de grandeur. Les résultats obtenus avec le prototype expérimental confirment le potentiel de cette architecture. Une extension de ce travail concernant la réalisation d'un processeur hybride dédié à des algorithmes plus complexes (ex : l'algorithme ASSR pour la reconstruction d'image des CT-scan) est également présentée à la fin de ce document.

S’appuyant sur de longues missions de terrain, ce travail offre le regard quantitatif et qualitatif d’ungéographe sur la dynamique nivo-glaciaire en région polaire dans un contexte de changement climatiqueactuel. Il s’inscrit dans le cadre du programme ANR Hydro-Sensor-FLOWS mis en oeuvre dansla mouvance de l’Année Polaire Internationale. En amont de ce programme pluridisciplinaire visant àcomprendre le fonctionnement hydrologique d’un petit hydrosystème polaire il fallait adjoindre uneétude plus spécifique concernant le rôle de la neige et de la glace dans l’équation hydrologique : c’estl’objet de cette thèse.Le bassin glaciaire de l’Austre Lovénbreen (10 km2, Spitsberg – 79°N) a servi de terrain d’étude dansune approche géographique à échelle locale. De nombreuses méthodes ont été testées tant sur leterrain (stations photo automatiques, carottages de la neige, DGPS et GPR) que pour l’exploitationdes données acquises.Au total, ce travail suit la dynamique nivo-glaciaire pendant trois années (2008, 2009 et 2010) à partirde 15 séries de carottages en 40 points du bassin, de mesures de densité, de profils nivologiques,de bilan de masse et de suivi continu, en 20 points, de la température de l’air. Outre l’image satellite,ce travail s’appuie également sur une collection de 3 clichés journaliers acquis en 10 points dubassin. Des méthodes ont été développées pour corriger géométriquement les photos afin d’en fairedes documents en projection verticale dont il est possible de tirer de l’information quantitative. Lesoutils de la géomatique ont permis de spatialiser l’information ponctuelle et d’établir à des pas detemps variables, par croisement des données acquises in situ, les diverses lames entrant dansl’équation hydrologique (précipitations, fonte potentielle de la neige et de la glace en relation avec leslames écoulées). Les trois années consécutives de suivi offrent des conditions très différentes quirévèlent le rôle constant et modérateur des températures et celui beaucoup plus impulsif des précipitations.Ce travail pose également le problème des mesures et de leur fiabilité dans un milieu aussi sévère etaussi impétueux que l’Arctique. / Leaning on long field campaigns, this thesis offer both qualitative and quantitative overview of polarregion nivo-glaciologic dynamics through a geographic approach, in context of climate change. Thiswork is part of the Hydro-sensor FlOWS program taking place during the International Polar Year.Upstream of this pluridisciplinary program aimed at understanding the hydrological processes of asmall polar hydrosystem, it was necessary to add a more specific study on the role of snow and icein the hydrological equation : this is the subject of this PhD.The glacial basin of Austre Lovénbreen (10 km2, Spitsberg – 79°N) served as a field of study in ageographical approach at local scale. Many methods have been tested both in the field (automaticphoto station, snow coring, DGPS and GPR) and for the data processing.Overall, this work follows the snow and ice dynamics for three years (2008, 2009 and 2010) from 15sets cores of 40 points of the basin, density measurements, nivologic profiles, mass balance and thecontinuous monitoring, on 20 points, of the air temperature. Besides the satellite images, this workalso leans on a collection of 3 daily photos acquired in 10 points of the basin. Methods were developedto geometrically correct photos in order to provide data wich could be used as a vertical projectioninto a GIS software to get quantitative informations. The geomatrical tools gave the possibility tohave accurate spatial representation at different time scale, by crossing data acquired in situ, lesdiverses lames entrant dans l’équation hydrologique (precipitation, potential melting of snow and icein relation to the lames passed).Three consecutive years of monitoring provide very different conditions that reveal temperatures’sconstant role of moderator, and the much more impulsive behavior of precipitations.This work also raises the problem of measurements and their reliability in a binding environment asthe Arctic

Dans le contexte de la restauration d'archives, nous abordons dans cette thèse la suppression des défauts impulsifs (taches, "dropouts" vidéo). Les méthodes de détection et correction existantes sont limitées par les défaillances de l'estimation de mouvement dues à la présence de phénomènes naturels complexes. Nous cherchons à prendre en compte ces phénomènes que nous qualifions de mouvement pathologique. Pour les deux étapes de détection et de correction, une approche probabiliste est privilégiée et nos algorithmes sont exprimés à l'aide de champs de Markov paramétriques ou non-paramétriques. La méthode de détection que nous proposons s'inscrit dans le cadre de la théorie bayesienne de l'estimation. Nous considérons une fenêtre temporelle plus large que les trois images utilisées habituellement afin de mieux distinguer les défauts des mouvements pathologiques et éviter ainsi les fausses alarmes. Nous proposons également une méthode de correction dans les zones d'information manquante inspirée de travaux sur la synthèse de texture. Après généralisation aux images naturelles, nous intégrons ces approches dans un contexte spatio-temporel qui permet un repli implicite sur une correction spatiale lorsque le mouvement est trop complexe. Les méthodes proposées sont validées séparément puis intégrées dans un prototype complet de suppression des défauts impulsifs.

S'appuyant sur de longues missions de terrain, ce travail offre le regard quantitatif et qualitatif d'un géographe sur la dynamique nivo-glaciaire en région polaire dans un contexte de changement climatique actuel. Il s'inscrit dans le cadre du programme ANR Hydro-Sensor-FLOWS mis en oeuvre dans la mouvance de l'Année Polaire Internationale. En amont de ce programme pluridisciplinaire visant à comprendre le fonctionnement hydrologique d'un petit hydrosystème polaire il fallait adjoindre une étude plus spécifique concernant le rôle de la neige et de la glace dans l'équation hydrologique : c'est l'objet de cette thèse. Le bassin glaciaire de l'Austre Lovénbreen (10 km2, Spitsberg - 79°N) a servi de terrain d'étude dans une approche géographique à échelle locale. De nombreuses méthodes ont été testées tant sur le terrain (stations photo automatiques, carottages de la neige, DGPS et GPR) que pour l'exploitation des données acquises. Au total, ce travail suit la dynamique nivo-glaciaire pendant trois années (2008, 2009 et 2010) à partir de 15 séries de carottages en 40 points du bassin, de mesures de densité, de profils nivologiques, de bilan de masse et de suivi continu, en 20 points, de la température de l'air. Outre l'image satellite, ce travail s'appuie également sur une collection de 3 clichés journaliers acquis en 10 points du bassin. Des méthodes ont été développées pour corriger géométriquement les photos afin d'en faire des documents en projection verticale dont il est possible de tirer de l'information quantitative. Les outils de la géomatique ont permis de spatialiser l'information ponctuelle et d'établir à des pas de temps variables, par croisement des données acquises in situ, les diverses lames entrant dans l'équation hydrologique (précipitations, fonte potentielle de la neige et de la glace en relation avec les lames écoulées). Les trois années consécutives de suivi offrent des conditions très différentes qui révèlent le rôle constant et modérateur des températures et celui beaucoup plus impulsif des précipitations. Ce travail pose également le problème des mesures et de leur fiabilité dans un milieu aussi sévère et aussi impétueux que l'Arctique

Dans le cadre de la robotique mobile en environnement extérieur, les concepts de localisation et de perception sont au coeur de toute réalisation. Aussi, les travaux menés au sein de cette thèse visent à rendre plus robustes des processus de localisation existants sans pour autant augmenter de manière notable leur complexité. La problématique proposée place un robot au sein d'un environnement potentiellement dangereux avec pour objectif de suivre une trajectoire établie comme sécurisée avec une carte aussi simple que possible. De plus, des contraintes fortes sont imposées tant dans la réalisation (système peu onéreux, indétectable) que dans le résultat (une exécution temps-réel et une localisation en permanence dans une tolérance de 10 cm autour de la trajectoire de référence). Le capteur extéroceptif choisi pour mener à bien ce projet est une caméra tandis que l'estimation de la pose du véhicule à chaque instant est réalisée par un ltre de Kalman dans sa version étendue. Les principaux problèmes d'estimation résident dans la non-linéarité des modèles d'observation et les contributions apportées apportent quelques solutions : - une méthode de calcul exacte de la propagation des incertitudes de l'espace monde vers l'espace capteur (caméra) ; - une méthode de détection des principaux cas de divergence du filtre de Kalman dans le calcul de la phase de mise à jour ; - une méthode de correction du gain de Kalman. Ce projet avait deux objectifs : réaliser une fonction de localisation répondant aux contraintes fortes préalablement évoquées, et permettre à un véhicule de quitter temporairement la trajectoire de référence, suite à la prise en main de l'opérateur pour ensuite reprendre le cours normale de sa mission au plus près de la trajectoire de référence. Ce deuxième volet fait intervenir un cadre plus large dans lequel il faut, en plus de la localisation, cartographier son environnement. Cette problématique, identifiée par l'acronyme SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), fait le lien avec les deux dernières contributions de ces travaux de thèse : - une méthode d'initialisation des points qui constitueront la carte SLAM; - une méthode pour maintenir la cohérence entre la carte de référence et la carte SLAM. Des résultats sur des données réelles, étayant chacune des contributions, sont présentés et illustrent la réalisation des deux principaux objectifs.

Dans le cadre de la robotique mobile en environnement extérieur, les concepts de localisation et de perception sont au coeur de toute réalisation. Aussi, les travaux menés au sein de cette thèse visent à rendre plus robustes des processus de localisation existants sans pour autant augmenter de manière notable leur complexité. La problématique proposée place un robot au sein d'un environnement potentiellement dangereux avec pour objectif de suivre une trajectoire établie comme sécurisée avec une carte aussi simple que possible. De plus, des contraintes fortes sont imposées tant dans la réalisation (système peu onéreux, indétectable) que dans le résultat (une exécution temps-réel et une localisation en permanence dans une tolérance de 10 cm autour de la trajectoire de référence). Le capteur extéroceptif choisi pour mener à bien ce projet est une caméra tandis que l'estimation de la pose du véhicule à chaque instant est réalisée par un filtre de Kalman dans sa version étendue. Les principaux problèmes d'estimation résident dans la non-linéarité des modèles d'observation et les contributions apportées apportent quelques solutions : - une méthode de calcul exacte de la propagation des incertitudes de l'espace monde vers l'espace capteur (caméra) ; - une méthode de détection des principaux cas de divergence du filtre de Kalman dans le calcul de la phase de mise à jour ; - une méthode de correction du gain de Kalman. Ce projet avait deux objectifs : réaliser une fonction de localisation répondant aux contraintes fortes préalablement évoquées, et permettre à un véhicule de quitter temporairement la trajectoire de référence, suite à la prise en main de l'opérateur pour ensuite reprendre le cours normal de sa mission au plus près de la trajectoire de référence. Ce deuxième volet fait intervenir un cadre plus large dans lequel il faut, en plus de la localisation, cartographier son environnement. Cette problématique, identifiée par l'acronyme SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), fait le lien avec les deux dernières contributions de ces travaux de thèse : - une méthode d'initialisation des points qui constitueront la carte SLAM ; - une méthode pour maintenir la cohérence entre la carte de référence et la carte SLAM. Des résultats sur des données réelles, étayant chacune des contributions, sont présentés et illustrent la réalisation des deux principaux objectifs.