Dissertations / Theses on the topic 'Traitement d’images optiques'

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de l'Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint-Louis (ISL) consistant à équiper des projectiles d'artillerie d'un système d'acquisition et de traitement d'images embarqué. L'étude est consacrée à la détection de cibles en temps réel dans des séquences d'images aériennes avec pour contraintes imposées, la qualité dégradée des images, la taille réduite des cibles et l'altitude de prise de vue variable. Les performances des algorithmes de référence pour la détection rapide de petits objets étant insuffisantes sur nos séquences d'images, un algorithme de détection avancé est développé associant une méthode statistique et un filtrage morphologique. Après une analyse détaillée du comportement du détecteur et la validation de ses performances, une approche adéquation algorithme/architecture est considérée afin de rendre le traitement compatible avec le calcul en temps réel sur un système embarqué. Enfin, la conception d'une architecture spécifique à fort parallélisme permet de réaliser un prototype de calculateur sur un composant programmable
This doctoral thesis is part of a research project of the French-German Research Institute of Saint-Louis (ISL) which has been set up to equip artillery projectiles with an on-board image acquisition and processing system. The study focused on real-time target detection in aerial image sequences, considering the imposed restrictions of low quality images, reduced target size and variable acquisition altitude. In view of the unsatisfactory efficiency of the reference algorithms to rapidly detect small objects in our image sequences, an advanced detection algorithm combining statistical methods with morphological filtering has been developed. After analysing in detail the detector’s behaviour and validating its performance, an algorithm/architecture adequacy approach is used for implementing a compatible real-time processing for embedded systems. Finally, the design of a specific and highly parallel architecture allowed to realize a prototype calculator with a programmable component

La filière solaire thermodynamique concentrée est une des voies les plus prometteuses pour la production des énergies renouvelables du futur. L’efficacité des surfaces optiques est un des facteurs clés influant sur les performances d’une centrale. Un des défis technologiques restant à résoudre concerne le temps et les efforts nécessaires à l’ajustement et l’orientation de tous ces miroirs, ainsi que la calibration des héliostats pour assurer un suivi précis de la course du soleil et une concentration contrôlée. Le travail présenté dans ce manuscrit propose une réponse à ce problème par le développement d’une méthode de caractérisation des héliostats dite de « rétrovisée », consistant à placer quatre caméras au voisinage du récepteur pour enregistrer les répartitions de luminance occasionnées par la réflexion du soleil sur l’héliostat. La connaissance du profil de luminance solaire, combiné à ces quatre images, permet de reconstruire les pentes des erreurs optiques de l’héliostat.La première étape de l’étude de la méthode a consisté à établir les différentes équations permettant de reconstruire les pentes des surfaces optiques à partir des différents paramètres du système. Ces différents développements théoriques ont ensuite permis la réalisation de simulations numériques pour valider la méthode et définir ses possibilités et ses limites. Enfin, des tests expérimentaux ont été réalisés sur le site de la centrale Thémis. À la suite de ces expériences, des pistes d’améliorations ont été identifiées pour améliorer la précision expérimentale et envisager son déploiement industriel
Concentrated solar power is a promising way for renewable energy production. Optical efficiency of the mirrors is one of the key factors influencing a power plant performance. Methods which allow the operator to adjust all the heliostat of a plant quickly, in addition of calibration and tracking, are essential for the rise of the technology. The work presented in this thesis is the study of a “backward-gazing” method consisting in placing four cameras near the receiver simultaneously recording brightness images of the sun reflected by the heliostat. The optical errors of the mirrors are retrieved from these four images and the knowledge of the one dimension sun radiance profile.The first step of the study consists in the theoretical description of the method. Then numerical simulations are performed to estimate the general accuracy and the limits of the backward-gazing method. In a third phase, experimental tests have been fulfilled at Themis solar power plant. Finally, ideas of improvement are proposed based on the experiments performed

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
Optical processing can be used to speed up some algorithms of image reconstruction from tomodensitometric data provided by volume exploration systems. This may be of high interest in order to meet the needs of future assisted therapy systems. Two systems are described in this document, corresponding to the two main steps of the above mentioned algorithms: a filtering processor and a backprojection processor. They are first considered under a material point of view. Whatever function it may compute, an optical processor is made up of light sources, displays and cameras. Present state-of-the-art devices highlight a weakness in display performances. Special attention has been focused on ferroelectric liquid crystal spatial light modulators (modelling, simulations, and characterizations of commercial solutions). The potential of optical architectures is compared with electronic solutions, considering computation power and processed image quality. This study has been carried out for both systems first in simulation, with a reliable model of the architecture, and then with an experimental prototype. The optical filtering processor does not give accurate results: the signal to noise ratio on the reconstructed image is about 20 dB in simulation (the model used does not take into account the majority of geometrical distortions) and experimental measurements show strong limitation, especially when considering the problem of image formation with coherent lighting (speckle). On the other hand, results obtained with the optical backprojection processor are most encouraging. The model, more complete and accurate than the filtering processor, as well as the simulations, shows that processed image quality can be virtually equivalent to the one obtained by digital means (signal to noise ratio is over 50 dB) with two order of magnitude speed-up. Results obtained with the experimental prototype are in accordance with simulations and confirm the potential held by the architecture. As an extension, a hybrid processor involving the backprojection processor for the computation of more complex reconstruction algorithms, e. G. ASSR for helical CT-scan, is proposed in the last part of the document

Comprendre la dynamique et le comportement des mouvements gravitaires est essentiel dans l’anticipation de catastrophes naturelles et donc dans la protection des infrastructures et des personnes. Plusieurs techniques géodésiques apportent déjà des informations sur les champs de déplacement / déformation des pentes instables, techniques qui permettent d’analyser les propriétés géométriques des masses en mouvement et le comportement mécanique des pentes. En combinant des séries temporelles d’images optiques terrestres et ces techniques classiques, la quantité d’informations collectées est densifiée et répartie dans l’espace. Les capteurs passifs numériques sont de plus en plus utilisés pour la détection et la surveillance de mouvements gravitationnels. Ils fournissent à la fois des informations qualitatives, telles que la détection des changements de surface, et une caractérisation quantitative, telle que la quantification du déplacement du sol par des techniques de corrélation d’images. Notre approche consiste à analyser des séries chronologiques d’images terrestres provenant soit d’une seule caméra fixe, soit de caméras stéreoscopiques, ces dernières permettant d’obtenir des informations redondantes et complémentaires. Les séries temporelles sont traitées pour détecter les zones dans lesquelles le comportement cinématique est homogène. Les propriétés de la pente, telles que le volume de glissement et l’épaisseur de la masse en mouvement, font partie des résultats de l’analyse afin d’obtenir une vue d’ensemble aussi complète que possible. Ces travaux sont présentés au travers de l’analyse de quatre glissements de terrain situés dans les Alpes françaises. Ils interviennent dans le cadre d’une convention CIFRE/ANRT entre la société SAGE - Société Alpine de GEotechnique (Gières, France) et l’IPGS – Institut de Physique du Globe de Strasbourg / CNRS UMR 7516 (Strasbourg, France)
Understanding the dynamics and the behavior of gravitational slope movements is essential to anticipate catastrophic failures and thus to protect lives and infrastructures. Several geodetic techniques already bring some information on the displacement / deformation fields of the unstable slopes. These techniques allow the analysis of the geometrical properties of the moving masses and of the mechanical behavior of the slopes. By combining time series of passive terrestrial imagery and these classical techniques, the amount of collected information is densified and spatially distributed. Digital passive sensors are increasingly used for the detection and the monitoring of gravitational motion. They provide both qualitative information, such as the detection of surface changes, and a quantitative characterization, such as the quantification of the soil displacement by correlation techniques. Our approach consists in analyzing time series of terrestrial images from either a single fixed camera or pair-wise cameras, the latter to obtain redundant and additional information. The time series are processed to detect the areas in which the Kinematic behavior is homogeneous. The slope properties, such as the sliding volume and the thickness of the moving mass, are part of the analysis results to obtain an overview which is as complete as possible. This work is presented around the analysis of four landslides located in the French Alps. It is part of a CIFRE/ANRT agreement between the SAGE Society - Société Alpine de Géotechnique (Gières, France) and the IPGS - Institut de Physique du Globe de Strasbourg / CNRS UMR 7516 (Strasbourg, France)

Les systèmes automatiques de vidéo surveillance ont été développés pour détecter et analyser les comportements anormaux et les situations de risque dans de nombreux domaines. L'une des applications de la vidéosurveillance est la surveillance du trafic. L'analyse du mouvement dans les routes vise à détecter les comportements de circulation anormaux et les événements soudains. Les accidents de la route peuvent causer des blessures graves touchant principalement la tête et le cerveau, entraînant des handicapes et même la mort. Chaque minute supplémentaire pour assister les blessés fait la différence entre la vie et la mort, ce qui est révélée par l'Heure d'or (Golden Hour). Par conséquent, fournir une assistance rapide pour les blessés est obligatoire. De plus, les accidents peuvent causer des embouteillages entraînant d’éventuels autres accidents s’ils ne sont pas notifiés rapidement. Par conséquent, il est important de concevoir un système capable d'organiser une réponse d'urgence efficace. Cette réponse devrait être basée, d'une part sur une détection automatique par analyse vidéo, puis sur une notification rapide. De nombreuses villes en France sont équipées de caméras de surveillance installées sur différentes routes. La surveillance du trafic est effectuée par des opérateurs humains pour visualiser l’état de circulation des routes. Le flux vidéo de ce réseau de caméras existant est livré non traité au centre de gestion du trafic, ainsi, il n'y a pas de stockage des scènes d'accident. De plus, il n'y a pas de technologie associée pour une gestion rapide en cas d’urgence. Les objectifs de cette thèse sont d’abord l'identification de scénarios d'accidents et la collecte de données liées à un accident de la route; ensuite, la conception et le développement d'algorithmes de traitement vidéo pour la détection automatique des accidents sur les autoroutes. Les solutions développées utiliseront les caméras fixes existantes, afin de ne pas nécessiter d'investissements importants dans l'infrastructure. Les approches proposées sont basées sur l'utilisation de l'algorithme de flux optique et des calculs statistiques pour l'extraction de caractéristiques et la reconnaissance d'accidents. La solution proposée est suffisante et robuste au bruit et à la lumière
Automatic video surveillance systems have been developed to detect and analyze abnormal behavior or situation of risk in many fields reducing human monitoring of activities captured by cameras (security surveillance, abnormal behavior detection, etc.). One of the applications of video surveillance is the traffic monitoring. Analyzing the motion in roads aims to detect abnormal traffic behavior and sudden events, especially in case of Emergency and Disaster Management (EDM). Road accidents can cause serious injuries affecting mostly the head and the brain, leading to lifelong disabilities and even death; each additional rescue minute can mean the difference between life and death as revealed by the golden Hour[Lerner et al., 2001]. Therefore, providing a rapid assistance for injuries is mandatory. Moreover, if not addressed promptly, accidents may cause traffic jams, eventually leading to more accidents, and even greater loss of lives and properties. Many cities in France are equipped with video surveillance cameras installed on different roads and highways. Traffic monitoring is done by human operators to visualize the congestion of a road or to measure the flow of the traffic. The video stream of this existing network of cameras is delivered unprocessed to the traffic management center. Thus, there are no video storage of accident scenes. In addition, there is no associated technology for a rapid emergency management. Therefore, it is important to design a system able toorganizean effective emergency response. This response should be based, firstly on an automatic detection by video analysis, then, on a rapid notification allowing the optimization of the emergency intervention itinerary without affecting the traffic state. Our work resolves the first part of the emergency response.The objectives of this thesis are firstly the identification of accident scenarios and the collection of data related to road accident; next, the design and the development of video processing algorithms for the automatic detection of accidents in highways. The developed solutions will use the existing fixed cameras, so as not to require significant investments in infrastructure. The core of the proposed approaches will focus on the use of the dense Optical Flow (OF) algorithm [Farnebäck, 2003] and heuristic computations for features extraction and accident recognition. The purpose of the dense OF is to estimate the motion of each pixel in a region of interest (ROI) between two given frames. At the output of the dense OF, a dense features could be extracted which is more performant than features extracted at some points. Defining thresholds for accident detection in various environment is very challenging. Therefore, studying the motion at a global scale in the image, allows defining a dynamic thresholds for accident detection using statistic computations. The proposed solution is sufficient and robust to noise and light changing

Cette thèse étudie différentes relaxations pour minimiser des fonctionnelles non convexes qui apparaissent en traitement d’images. Des problèmes comme la segmentation d’image peuvent en effet s’écrire comme un problème de minimisation d’une certaine fonctionnelle, le minimiseur représentant la segmentation recherchée. Différentes méthodes ont été proposées pour trouver des minima locaux ou globaux de la fonctionnelle non convexe du modèle de Mumford-Shah constant par morceaux à deux phases. Certaines approches utilisent une relaxation convexe qui permet d’obtenir des minima globaux de la fonctionnelle non convexe. On rappelle et compare certaines de ces méthodes et on propose un nouveau modèle par bande étroite, qui permet d’obtenir des minima locaux tout en utilisant des algorithmes robustes qui proviennent de l’optimisation convexe. Ensuite, on construit une relaxation convexe d’un modèle de segmentation à deux phases qui repose sur la comparaison entre deux histogrammes donnés et les histogrammes estimés globalement sur les deux régions de la segmentation. Des relaxations pour des problèmes multi-étiquettes à plusieurs dimensions comme le flot optique sont également étudiées. On propose une relaxation convexe avec un algorithme itératif qui ne comprend que des projections qui se calculent exactement, ainsi qu’un nouvel algorithme pour une relaxation convexe sur chaque variable mais non convexe globalement. On étudie la manière d’estimer une solution du problème non convexe original à partir d’une solution d’un problème relaxé en comparant des méthodes existantes avec des nouvelles
In this thesis we study different relaxations of non-convex functionals that can be found in image processing. Some problems, such as image segmentation, can indeed be written as the minimization of a functional. The minimizer of the functional represents the segmentation. Different methods have been proposed in order to find local or global minima of the non-convex functional of the two-phase piecewise constant Mumford-Shah model. With a convex relaxation of this model we can find a global minimum of the nonconvex functional. We present and compare some of these methods and we propose a new model with a narrow band. This model finds local minima while using robust convex optimization algorithms. Then a convex relaxation of a two-phase segmentation model is built that compares two given histograms with those of the two segmented regions. We also study some relaxations of high-dimension multi-label problems such as optical flow computation. A convex relaxation with a new algorithm is proposed. The algorithm is iterative with exact projections. A new algorithm is given for a relaxationthat is convex in each variable but that is not convex globally. We study the problem of constructing a solution of the original non-convex problem with a solution of the relaxed problem. We compare existing methods with new ones

La détection de changements dans une scène est l’un des problèmes les plus complexes en télédétection. Il s’agit de détecter des modifications survenues dans une zone géographique donnée par comparaison d’images de cette zone acquises à différents instants. La comparaison est facilitée lorsque les images sont issues du même type de capteur c’est-à-dire correspondent à la même modalité (le plus souvent optique multi-bandes) et possèdent des résolutions spatiales et spectrales identiques. Les techniques de détection de changements non supervisées sont, pour la plupart, conçues spécifiquement pour ce scénario. Il est, dans ce cas, possible de comparer directement les images en calculant la différence de pixels homologues, c’est-à-dire correspondant au même emplacement au sol. Cependant, dans certains cas spécifiques tels que les situations d’urgence, les missions ponctuelles, la défense et la sécurité, il peut s’avérer nécessaire d’exploiter des images de modalités et de résolutions différentes. Cette hétérogénéité dans les images traitées introduit des problèmes supplémentaires pour la mise en œuvre de la détection de changements. Ces problèmes ne sont pas traités par la plupart des méthodes de l’état de l’art. Lorsque la modalité est identique mais les résolutions différentes, il est possible de se ramener au scénario favorable en appliquant des prétraitements tels que des opérations de rééchantillonnage destinées à atteindre les mêmes résolutions spatiales et spectrales. Néanmoins, ces prétraitements peuvent conduire à une perte d’informations pertinentes pour la détection de changements. En particulier, ils sont appliqués indépendamment sur les deux images et donc ne tiennent pas compte des relations fortes existant entre les deux images. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de détection de changements qui exploitent au mieux l’information contenue dans une paire d’images observées, sans condition sur leur modalité et leurs résolutions spatiale et spectrale. Les restrictions classiquement imposées dans l’état de l’art sont levées grâce à une approche utilisant la fusion des deux images observées. La première stratégie proposée s’applique au cas d’images de modalités identiques mais de résolutions différentes. Elle se décompose en trois étapes. La première étape consiste à fusionner les deux images observées ce qui conduit à une image de la scène à haute résolution portant l’information des changements éventuels. La deuxième étape réalise la prédiction de deux images non observées possédant des résolutions identiques à celles des images observées par dégradation spatiale et spectrale de l’image fusionnée. Enfin, la troisième étape consiste en une détection de changements classique entre images observées et prédites de mêmes résolutions. Une deuxième stratégie modélise les images observées comme des versions dégradées de deux images non observées caractérisées par des résolutions spectrales et spatiales identiques et élevées. Elle met en œuvre une étape de fusion robuste qui exploite un a priori de parcimonie des changements observés. Enfin, le principe de la fusion est étendu à des images de modalités différentes. Dans ce cas où les pixels ne sont pas directement comparables, car correspondant à des grandeurs physiques différentes, la comparaison est réalisée dans un domaine transformé. Les deux images sont représentées par des combinaisons linéaires parcimonieuses des éléments de deux dictionnaires couplés, appris à partir des données. La détection de changements est réalisée à partir de l’estimation d’un code couplé sous condition de parcimonie spatiale de la différence des codes estimés pour chaque image. L’expérimentation de ces différentes méthodes, conduite sur des changements simulés de manière réaliste ou sur des changements réels, démontre les avantages des méthodes développées et plus généralement de l’apport de la fusion pour la détection de changements

Les gliomes sont des tumeurs cérébrales infiltrantes difficilement curables, notamment à cause de la difficulté à visualiser toutes les infiltrations au bloc opératoire. Dans cette thèse, nous réalisons une étude clinique de spectroscopie de fluorescence de la protoporphyrine IX (PpIX) dans les gliomes de 10 patients selon l’hypothèse que les spectres collectés proviennent de la contribution de 2 états de la PpIX dont les proportions varient suivant la densité en cellules tumorales. Après avoir présenté le développement du système interventionnel proposant une excitation multi-longueurs d’onde, nous présentons son utilisation sur fantômes de PpIX mimant les propriétés des gliomes. Ceci permet tout d’abord d’obtenir les spectres émis par les 2 états séparément puis de proposer un modèle d’ajustement des spectres comme une combinaison linéaire des 2 spectres de référence sur la bande spectrale 608-637 nm. Ensuite, nous présentons la mise en place de l’étude clinique, notamment l’analyse de risques, avant d’appliquer ce système in vivo. Les mesures in vivo détectent de la fluorescence dans des tissus où le microscope chirurgical n’en détecte pas, ce qui pourrait s’expliquer par un changement d’état de la PpIX entre le cœur des gliomes et leurs infiltrations. L’intérêt de l’excitation multi-longueurs d’onde est démontré par la décroissance de la corrélation des spectres acquis aux trois excitations suivant la densité en cellules tumorale. Enfin, nous soulevons des pistes d’étude de l’identification peropératoire des zones de fonctionnalité cérébrale à l’aide d’une caméra optique ainsi que l’étude du temps de vie de fluorescence et de la fluorescence deux photons de la PpIX sur fantômes
Gliomas are infiltrative tumors of the brain which are yet hardly curable, notably because of the difficulty to precisely delimitate their margins during surgery. Intraoperative 5-ALA induced protoporphyrin IX (PpIX) fluorescence microscopy has shown its relevance to assist neurosurgeons but lacks sensitivity. In this thesis, we perform a spectroscopic clinical trial on 10 patients with the assumption that collected fluorescence is a linear combination of the contribution of two states of PpIX which proportions vary with the density of tumor cells. This work starts with the development of the intraoperative, portable and real time fluorescence spectroscopic device that provides multi-wavelength excitation. Then, we show its use on PpIX phantoms with tissues mimicking properties. This first enables to obtain a reference emitted spectrum for each state apart and then permits the development of a fitting model to adjust any emitted spectrum as a linear combination of the references in the spectral band 608-637 nm. Next, we present the steps led to get approvals for the clinical trial, especially the risk analysis. In vivo data analysis is then presented, showing that we detect fluorescence where current microscopes cannot, which could exhibit a change in PpIX state from glioma center to its margins. Besides, the relevance of multi-wavelength excitation is highlighted as the correlation between the three measured spectra of a same sample decreases with the density of tumor cells. Finally, the complementary need to intraoperatively identify cerebral functional areas is tackled with optical measurements as a perspective and other properties of PpIX on phantoms are also raised

Le flot optique est un outil, prometteur et puissant, pour estimer le mouvement des objets de différentes natures, solides ou fluides. Il permet d’extraire les champs de vitesse à partir d’une séquence d’images. Dans cette étude, nous développons la méthode du flot optique pour récupérer, d’une manière précise, le champ de vitesse des mouvements turbulents incompressibles. L’estimation de turbulence consiste à minimiser une fonction d’énergie composée par un terme d’observation et un terme de régularisation. L’équation de transport d’un scalaire passif est alors employée pour représenter le terme d’observation. Cependant, dans le cas où le nombre de Reynolds est grand, et, à cause des contraintes optiques, l’image n’est pas pleinement résolue pour prendre en compte la physique de toutes les échelles de la turbulence. Pour compléter les informations manquantes liées aux physiques des petites échelles, nous adoptons une démarche similaire à celle de Large Eddy Simulation (LES), et, proposons d’utiliser le modèle mixte afin de tenir compte de l’interaction entre les grandes échelles et celles non-résolues. Quant au terme de régularisation, il se repose sur l’équation de continuité des fluides incompressibles. Les tests à l’aide des images synthétiques et expérimentales de la turbulence bi-dimensionnelle - des données des cas test de la communauté du flot optique -, ont non seulement validé notre démarche, mais montrent une amélioration significative des qualités des champs de vitesses extraites. Le cas du flot optique, en 3D, relève encore du défi dans le cas de l’estimation des champs de vitesse de la turbulence. D’une part, contrairement au 2D où il existe des cas tests bien établis, il n’existe pas, à notre connaissance, des séquences d’images 3D référentielles permettant de tester notre démarche et méthode. D’autre part, l’augmentation du coût d’estimation demande des algorithme adaptés. Ainsi, nous sommes amené à utiliser la simulation numérique directe d’écoulement turbulent en présence d’un scalaire passif, pour générer des données de scalaires afin d’évaluer la performance du flot optique. Nous prêtons également attention à l’effet du nombre de Schmidt qui caractérise la relation entre la diffusion moléculaire scalaire et la dissipation de turbulence. Les tests sont ensuite effectués avec cette base de données numériques. Les résultats montrent que la précision de l’estimation augmente avec des nombres de Schmidt plus élevés. Par ailleurs, l’influence du terme de régularisation est aussi étudié au travers deux équations qui se différencient par l’ordre spatial des dérivées partielles. Les résultats numériques montrent que l’équation avec un terme de régularisation de seconde-ordre est meilleure que celle de premier-ordre
The method of optical flow is a powerful tool for motion estimation. It is able to extract the dense velocity field from image sequence. In this study, we employ this method to retrieve precisely the incompressible turbulent motions. For 2D turbulence estimation, it consists in minimizing an objective function constituted by an observation term and a regularization one. The observation term is based on the transport equation of a passive scalar field. For non-fully resolved scalar images, we propose to use the mixed model in large eddy simulation (LES) to determine the interaction between large-scale motions and the unresolved ones. The regularization term is based on the continuity equation of 2D incompressible flows. Evaluation of the proposed formulation is done over synthetic and experimental images. In addition, we extend optical flow to three dimensional and multiple scalar databases are generated with direct numerical simulation (DNS) in order to evaluate the performance of optical flow in the 3D context. We propose two formulations differing by the order of the regularizer. Numerical results show that the formulation with second-order regularizer outperforms its first-order counterpart. We also draw special attention to the effect of Schmidt number, which characterizes the ratio between the molecular diffusion of the scalar and the dissipation of the turbulence. Results show that the precision of the estimation increases as the Schmidt number increases. Overall, optical flow has showcased its capability of reconstructing the turbulent flow with excellent accuracy. This method has all the potential and attributes to become an effective flow measurement approach in fluid mechanics community

Déterminer des clusters dans des nuages de points et apparier des graphes sont des tâches primordiales en informatique, analyse de donnée, traitement d’image, généralement modélisées par des problèmes d’optimisation de classe NP-difficile. Avec l’avènement des multiprocesseurs à bas coût, l’accélération des procédures heuristiques pour ces tâches devient possible et nécessaire. Nous proposons des implantations parallèles sur système GPU (graphics processing unit) pour des algorithmes génériques appliqués ici à la segmentation d’image en superpixels et au problème du flot optique. Le but est de fournir des algorithmes génériques basés sur des structures de données décentralisées et aisément adaptables à différents problèmes d’optimisation sur des graphes et plateformes parallèles.Les algorithmes parallèles proposés sur GPU incluent le classique k-means et le calcul de forêt couvrante minimum pour la segmentation en superpixels. Ils incluent également un algorithme de recherche locale parallèle et un algorithme mémétique à base de population de solutions appliqués à l’estimation du flot optique via des appariements de superpixels. Tandis que les opérations sur les données exploitent le GPU, l’algorithme mémétique opère en tant que coalition de processus exécutés en parallèle sur le CPU multi-cœur et requérant des ressources GPU. Les images sont des nuages de points de l’espace euclidien 3D (domaine espace-intensité), et aussi des graphes auxquels sont associés des grilles de processeurs. Les kernels GPU exécutent des transformations en parallèle sous contrôle du CPU qui a un rôle réduit de détection des conditions d’arrêt et de séquencement des transformations.La contribution présentée est composée de deux grandes parties. Dans une première partie, nous présentons des outils pour la segmentation en superpixels. Une implémentation parallèle de l’algorithme des k-means est présentée et appliquée aux données 3D. Elle est basée sur une subdivision cellulaire de l’espace 3D qui permet des recherches de plus proche voisin en parallèle en temps optimal constant pour des distributions bornées. Nous présentons également une application de l’algorithme parallèle de calcul de forêt couvrante de Boruvka à la segmentation superpixel de type ligne de partage-des-eaux (watershed). Dans une deuxième partie, en se basant sur les superpixels générés, des procédures parallèles de mise en correspondance sont dérivées pour l’estimation du flot optique avec prise en compte des discontinuités. Ces méthodes incluent des heuristiques de construction et d’amélioration, telles que le winner-take-all et la recherche locale parallèle, et leur intégration dans une métaheuristique à base de population. Diverses combinaisons d’exécution sont présentées et évaluées en comparaison avec des algorithmes de l’état de l’art performants
Finding clusters in point clouds and matching graphs to graphs are recurrent tasks in computer science domain, data analysis, image processing, that are most often modeled as NP-hard optimization problems. With the development and accessibility of cheap multiprocessors, acceleration of the heuristic procedures for these tasks becomes possible and necessary. We propose parallel implantation on GPU (graphics processing unit) system for some generic algorithms applied here to image superpixel segmentation and image optical flow problem. The aim is to provide generic algorithms based on standard decentralized data structures to be easy to improve and customized on many optimization problems and parallel platforms.The proposed parallel algorithm implementations include classical k-means algorithm and application of minimum spanning forest computation for super-pixel segmentation. They include also a parallel local search procedure, and a population-based memetic algorithm applied to optical flow estimation based on superpixel matching. While data operations fully exploit GPU, the memetic algorithm operates like a coalition of processes executed in parallel on the multi-core CPU and requesting GPU resources. Images are point clouds in 3D Euclidean space (space-gray value domain), and are also graphs to which are assigned processor grids. GPU kernels execute parallel transformations under CPU control whose limited role only consists in stopping criteria evaluation or sequencing transformations.The presented contribution contains two main parts. Firstly, we present tools for superpixel segmentation. A parallel implementation of the k-means algorithm is presented with application to 3D data. It is based on a cellular grid subdivision of 3D space that allows closest point findings in constant optimal time for bounded distributions. We present an application of the parallel Boruvka minimum spanning tree algorithm to compute watershed minimum spanning forest. Secondly, based on the generated superpixels and segmentation, we derive parallel optimization procedures for optical flow estimation with edge aware filtering. The method includes construction and improvement heuristics, as winner-take-all and parallel local search, and their embedding into a population-based metaheuristic framework. The algorithms are presented and evaluated in comparison to state-of-the-art algorithms

Cette thèse a pour objectif de proposer un système de reconnaissance d’images utilisant des informations attentionnelles. Nous nous intéressons à la capacité d’une telle approche à améliorer la complexité en temps de calcul et en utilisation mémoire pour la reconnaissance d’objets. Dans un premier temps, nous avons proposé d’utiliser un système d’attention visuelle comme filtre pour réduire le nombre de points d’intérêt générés par les détecteurs traditionnels [Awad 12]. En utilisant l’architecture attentionnelle proposée par Perreira da Silva comme filtre [Awad 12] sur la base d’images de VOC 2005, nous avons montré qu’un filtrage de 60% des points d’intérêt (extraits par Harris-Laplace et Laplacien) ne fait diminuer que légèrement la performance d’un système de reconnaissance d’objets (différence moyenne de AUC ~ 1%) alors que le gain en complexité est important (40% de gain en vitesse de calcul et 60% en complexité). Par la suite, nous avons proposé un descripteur hybride perceptuel-texture [Awad 14] qui caractérise les informations fréquentielles de certaines caractéristiques considérées comme perceptuellement intéressantes dans le domaine de l’attention visuelle, comme la couleur, le contraste ou l’orientation. Notre descripteur a l’avantage de fournir des vecteurs de caractéristiques ayant une dimension deux fois moindre que celle des descripteurs proposés dans l’état de l’art. L’expérimentation de ce descripteur sur un système de reconnaissance d’objets (le détecteur restant SIFT), sur la base d’images de VOC 2007, a montré une légère baisse de performance (différence moyenne de précision ~5%) par rapport à l’algorithme original, basé sur SIFT mais gain de 50% en complexité. Pour aller encore plus loin, nous avons proposé une autre expérimentation permettant de tester l’efficacité globale de notre descripteur en utilisant cette fois le système d’attention visuelle comme détecteur des points d’intérêt sur la base d’images de VOC 2005. Là encore, le système n’a montré qu’une légère baisse de performance (différence moyenne de précision ~3%) alors que la complexité est réduite de manière drastique (environ 50% de gain en temps de calcul et 70% en complexité)
The main objective of this thesis is to propose a pipeline for an object recognition algorithm, near to human perception, and at the same time, address the problems of Content Based image retrieval (CBIR) algorithm complexity : query run time and memory allocation. In this context, we propose a filter based on visual attention system to select salient points according to human interests from the interest points extracted by a traditionnal interest points detectors. The test of our approach, using Perreira Da Silva’s system as filter, on VOC 2005 databases, demonstrated that we can maintain approximately the same performance of a object recognition system by selecting only 40% of interest points (extracted by Harris-Laplace and Laplacian), while having an important gain in complexity (40% gain in query-run time and 60% in complexity). Furthermore, we address the problem of high dimensionality of descriptor in object recognition system. We proposed a new hybrid texture descriptor, representing the spatial frequency of some perceptual features extracted by a visual attention system. This descriptor has the advantage of being lower dimension vs. traditional descriptors. Evaluating our descriptor with an object recognition system (interest points detectors are Harris-Laplace & Laplacian) on VOC 2007 databases showed a slightly decrease in the performance (with 5% loss in Average Precision) compared to the original system, based on SIFT descriptor (with 50% complexity gain). In addition, we evaluated our descriptor using a visual attention system as interest point detector, on VOC 2005 databases. The experiment showed a slightly decrease in performance (with 3% loss in performance), meanwhile we reduced drastically the complexity of the system (with 50% gain in run-query time and 70% in complexity)

La présente thèse traite de méthodes en microscopie holographique numérique (MHN) en couleurs, avec un éclairage de cohérence spatiale partielle. Le principal inconvénient de la microscopie optique classique est sa faible profondeur de champ, rendant difficile l’observation de phénomènes dynamiques dans des échantillons épais. Au contraire, la MHN offre une reconstruction en profondeur grâce à la propagation numérique de l’hologramme. La MHN interférométrique donne aussi le contraste quantitatif de la phase, utile pour analyser des objets transparents. Un éclairage à plusieurs longueurs d’onde dans une configuration appropriée permet la MHN en couleurs. L’imagerie en flux et en couleurs de particules en MHN est ici développée, avec une méthode pour la correction automatique de la balance des couleurs et des défauts permanents. Elle est appliquée pour l’analyse du plancton dans des échantillons d’eau de surface et fournit des images de haute qualité pour les intensité et phase optiques. En outre, la réduction du bruit obtenue en diminuant la cohérence spatiale de l’éclairage en MHN est également étudiée, avec deux modèles évaluant quantitativement ce phénomène en fonction de la cohérence spatiale de la lumière et de la distance entre la source de bruit et le plan d’enregistrement. De plus, la MHN différentielle est aussi abordée. Celle-ci fournit les phases différentielles, la phase étant calculée par intégration. Cependant, les défauts présents conduisent à des aberrations lors du calcul de la phase, qui affectent sa qualité et empêchent la reconstruction holographique. Un traitement spécifique est développé, permettant la reconstruction numérique en profondeur. Enfin, en MHN, un critère est essentiel pour déterminer automatiquement la distance de netteté de l’objet. Deux critères de netteté sont ici mis au point, fonctionnant indépendamment de la nature de l’objet observé (amplitude, phase ou mixte). L’un, monochromatique, est basé sur l’analyse de l’amplitude et sur un filtrage passe-haut ;l’autre, qui détecte rapidement le plan de netteté en MHN en couleurs, compare la phase dans le domaine de Fourier entre les couleurs. Les méthodes développées dans la thèse montrent le potentiel élevé de la MHN en couleurs avec un éclairage partiellement cohérent spatialement, suggérant un avenir prometteur pour cette technique.
The thesis deals with methods and developments in color digital holographic microscopy (DHM), with a partial spatial coherence illumination. The principal drawback of classical optical microscopy is its poor depth of field, which makes difficult the observation of dynamic phenomena in thick samples. On the contrary, DHM provides reconstruction in depth thanks to numeric propagation of the recorded hologram. Another feature of interferometric DHM is the quantitative phase contrast imaging, useful for analyzing transparent objects. Usual DHM is limited to monochromatic case, but multispectral illumination in an appropriate setup leads to color DHM. Color in-flow imaging of particles in DHM is developed in the thesis, with a method for the automatic correction of color balance and permanent defects. It is applied to analyze plankton microorganisms in untreated pond water samples, and provides high quality images, for both optical phase and intensity. Moreover, noise reduction obtained when decreasing the spatial coherence of the illumination in DHM is also investigated in the thesis, with the development of two models that quantitatively assess the noise reduction as a function of both the spatial coherence of the illumination, and the defocus distance of the noise source. Furthermore, differential DHM (DDHM) is also studied in the thesis. As DHM gives the optical phase, DDHM provides differential phases, from which phase is retrieved by integration. However, misalignments and defects give some aberrations, which affect phase quality and hinder refocusing. A specific hologram processing is developed, giving an accurate phase image and enabling holographic reconstruction in depth. Finally, in DHM, a criterion is essential to automatically achieve the refocusing distance of the object. Two refocusing criteria are developed in the thesis, both working independently of the nature of the observed object (amplitude, phase, or both mixed). The first one, monochromatic, is based on amplitude analysis and on a high-pass filtering process. The second one, which gives fast refocusing in multispectral DHM, compares the phase in the Fourier domain among wavelengths. Methods developed in the thesis show the high potential of color DHM with a partial spatial coherence illumination, suggesting a promising future for this technique.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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Ce manuscrit de thèse présente l’étude des techniques de super-résolution latérale en nanoscopie optique, qui est une des nouvelles techniques d'imagerie haute résolution, aujourd'hui largement utilisée en biophysique et en imagerie médicale, pour imager et caractériser des nanostructures, tout en conservant les avantages de l'imagerie optique en champ lointain comme un vaste champ, la visualisation et l’analyse en temps réel…Un des défis futurs de la microscopie 3D super-résolue est d’éviter l’utilisation des marqueurs fluorescents. La microscopie interférométrique fait partie des techniques d’imagerie 3D sans marquage permettant la détection de nanostructures. Pour améliorer le pouvoir de détection de ce système optique, un premier protocole de traitement d’images a été développé et implémenté, permettant ainsi de révéler des structures initialement non mesurables. Puis, pour améliorer la résolution latérale du système, une nouvelle technique combinant l’interférométrie et le principe du nano-jet photonique a été développée permettant l’observation d’objets de taille inférieure à la limite de diffraction de l’instrument optique
This manuscript presents the study of the lateral super-resolution techniques in optical nanoscopy, which is a new high-resolution imaging method now widely used in biophysics and medical imaging, to observe and measure nanostructures, with the advantages of far field optical imaging, such as a large field of view, visualization and analysis in real time…One of the future challenges of 3D super resolution microscopy is to avoid the use of fluorescent markers. Interferometric microscopy is a 3D label-free imaging technique enabling the detection of nanostructures. To improve the detection capability of this optical system, a first version of a protocol composed of image processing methods was developed and implemented, revealing structures initially unmeasurable. Then, to improve the lateral resolution of the system, a new technique combining interferometry and the principle of the photonic nano-jet has been developed, thus allowing the observation of objects of a size smaller than the diffraction limit of the optical instrument

Interventional magnetic resonance imaging (MRI) aims at performing minimally invasive percutaneous interventions, such as tumor ablations and biopsies, under MRI guidance. During such interventions, the acquired MR image planes are typically aligned to the surgical instrument (needle) axis and to surrounding anatomical structures of interest in order to efficiently monitor the advancement in real-time of the instrument inside the patient's body. Object tracking inside the MRI is expected to facilitate and accelerate MR-guided interventions by allowing to automatically align the image planes to the surgical instrument. In this PhD thesis, an image-based workflow is proposed and refined for automatic image plane alignment. An automatic tracking workflow was developed, performing detection and tracking of a passive marker directly in clinical real-time images. This tracking workflow is designed for fully automated image plane alignment, with minimization of tracking-dedicated time. Its main drawback is its inherent dependence on the slow clinical MRI update rate. First, the addition of motion estimation and prediction with a Kalman filter was investigated and improved the workflow tracking performance. Second, a complementary optical sensor was used for multi-sensor tracking in order to decouple the tracking update rate from the MR image acquisition rate. Performance of the workflow was evaluated with both computer simulations and experiments using an MR compatible testbed. Results show a high robustness of the multi-sensor tracking approach for dynamic image plane alignment, due to the combination of the individual strengths of each sensor.

Les outils et méthodes d’analyse d’images de documents (DIA) donnent aujourd’hui la possibilité de faire des recherches par mots-clés dans des bases d’images de documents alors même qu’aucune transcription n’est disponible. Dans ce contexte, beaucoup de travaux ont déjà été réalisés sur les OCR ainsi que sur des systèmes de repérage de mots (spotting) dédiés à des documents textuels avec une mise en page simple. En revanche, très peu d’approches ont été étudiées pour faire de la recherche dans des documents contenant du texte multi-orienté et multi-échelle, comme dans les documents graphiques. Par exemple, les images de cartes géographiques peuvent contenir des symboles, des graphiques et du texte ayant des orientations et des tailles différentes. Dans ces documents, les caractères peuvent aussi être connectés entre eux ou bien à des éléments graphiques. Par conséquent, le repérage de mots dans ces documents se révèle être une tâche difficile. Dans cette thèse nous proposons un ensemble d’outils et méthodes dédiés au repérage de mots écrits en caractères bengali ou anglais (script Roman) dans des images de documents géographiques. L’approche proposée repose sur plusieurs originalités
Word spotting in graphical documents is a very challenging task. To address such scenarios this thesis deals with developing a word spotting system dedicated to geographical documents with Bangla and English (Roman) scripts. In the proposed system, at first, text-graphics layers are separated using filtering, clustering and self-reinforcement through classifier. Additionally, instead of using binary decision we have used probabilistic measurement to represent the text components. Subsequently, in the text layer, character segmentation approach is applied using water-reservoir based method to extract individual character from the document. Then recognition of these isolated characters is done using rotation invariant feature, coupled with SVM classifier. Well recognized characters are then grouped based on their sizes. Initial spotting is started to find a query word among those groups of characters. In case if the system could spot a word partially due to any noise, SIFT is applied to identify missing portion of that partial spotting. Experimental results on Roman and Bangla scripts document images show that the method is feasible to spot a location in text labeled graphical documents. Experiments are done on an annotated dataset which was developed for this work. We have made this annotated dataset available publicly for other researchers

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement
A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.
The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

Ce mémoire par article décrit le développement d’instrumentation optique et d’algorithmes qui ont servi à l’étude du développement rétinien du modèle murin par tomographie par cohérence optique (OCT de l’anglais, Optical Coherence Tomography). Le document est divisé en deux parties importantes. Le Chapitre 1 introduit les bases théoriques nécessaires à la compréhension de la problématique, alors que le Chapitre 2 décrit les outils qui ont été développés ou adaptés durant le projet pour mener à bien les expériences. Spécifiquement, les particularités du système optique développé pour permettre la focalisation d’un faisceau sur la rétine, maximiser le signal et minimiser l’impact des aberrations sphériques et de dispersion sur la qualité de l’image sont détaillées. Les algorithmes de traitement de signal OCT permettant la visualisation une tomographie sont aussi détaillés. La seconde partie est un manuscrit en préparation pour soumission au journal Investigative Ophthalmology & Visual Science pour publication. Le but de ce manuscrit est d’établir des chartes de référence détaillant la croissance et la maturation morphologique des tissus rétiniens de la souris wild-type (129S1/SvImJ) entre 7 et 21 jours de vie (Chapitre 3). L’article détaille l’algorithme de traitement d’images et de segmentation dédié à la quantification de l’épaisseur des tissus rétiniens dans le temps. Enfin, un aperçu des travaux de recherche rendus possibles par les outils développés dans ce projet est présenté. Cette section montre entre autres le potentiel de ces outils pour étudier des maladies développementales de la rétine.
This master thesis is including a manuscript submitted for publication and is divided into two sections. In particular, the document describes the development of optical instrumentation and methodological tools to study the retinal development in an animal model through optical coherence tomography (OCT). The first section is divided into two chapters. Chapter 1 describes the theoretical basis and the problem to solve. Chapter 2 describes the tools developed or adapted to enable the performance of the experiments. In particular, this chapter details the optical system designed to allow the optimal focalization of the light beam onto the retina, which maximizes the signal and minimizes the impact of spherical aberrations and light dispersion on image quality. Also, the processing algorithm used to segment retinal tissues from OCT tomography is discussed. The second section is divided into two chapters. Chapter 3 is a manuscript that was submitted for publication to Investigative Ophthalmology & Visual Science. This work describes the growth and maturation of specific retinal layers in the wild type mouse (129S1/SvImJ) between 7 and 21 days of life. The manuscript also describes the image processing and segmentation algorithm that allows the quantification of the thickness of the layers over time. Then, Chapter 4 describes specific research projects where these OCT imaging tools can be applied. Specifically, this chapter shows the potential to study retinal developmental diseases as well as perfusion methods.