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The emergence of more powerful, but also more complex, multicore computers presents both an opportunity and new challenges for the integration of mixed criticality systems. These systems, which embed functionalities of different levels of importance, require the respect of temporal requirements. Indeed, the more critical a software is, the more catastrophic the consequences in case of a missed execution deadline. Consequently, mechanisms for operational safety must be put in place to prevent this risk. The use of multicore computers exacerbates this problem with the concurrent execution of tasks that can cause inter-task interference. This is due to the sharing of resources associated with the shared hardware platform. Memory, peripherals, access to buses and shared memory spaces are potential congestion points. This can lead to delays in the execution of critical tasks only due to the parallel execution of lower criticality tasks. Consequently, the risks of non-compliance with real-time requirements become even more prominent. The existing solutions to such a problem are done at the expense of other elements that are becoming equally necessary in the industry, including the maximization of computing resources use. Thus, our proposal seeks to address both the need for real-time guarantees on critical tasks while allowing a good use of the resources offered by multicore computers. This thesis work focuses on the study of critical tasks modeled as functional task chains to guarantee their response times. Each functionality of the system corresponds to a chain of different software components executed sequentially. With this more functional approach to software execution, we propose a Monitoring and Control mechanism that offers guarantees on a critical task chain, by anticipating risks of interference that could lead to a failure. The anticipation consist of pausing temporarily the noncritical tasks to control and mitigate interfer! ence. The objective is to obtain a guarantee of end-to-end response time of the task chain without missing deadlines, with a limitation of interference only when necessary, so that the rest of the time, all the tasks of the system can exploit the computing power and the available resources to the maximum. We propose along with such mechanism an implementation protocol and a first analysis with an experimental platform as a proof of concept to analyze the results obtained with such solution., L'émergence de calculateurs multicœurs plus puissants, mais aussi plus complexes, présente à la fois une opportunité et de nouveaux enjeux pour l'intégration de systèmes à criticité mixte. Ces systèmes, qui embarquent des fonctionnalités de différents niveaux d'importance, requièrent le respect d'exigences temporelles. En effet, plus un logiciel est critique, plus les conséquences en cas de dépassement d'échéance d'exécution peuvent être catastrophiques. Par conséquent, des mécanismes de sûreté de fonctionnement doivent être mis en place pour prévenir ce risque. L'usage de calculateurs multicœurs exacerbe cette problématique avec l'exécution concurrente de tâches qui peut provoquer des interférences inter-tâches. Cela est dû au partage de ressources associées à la plateforme matérielle partagée. La mémoire, les périphériques, les bus d'accès ainsi que les espaces mémoire partagés constituent ainsi des points de congestion potentielle. Cela peut alors mener à des retards dans l'exécution de tâches critiques uniquement du fait de l'exécution parallèle de tâches à plus faible niveau de criticité. En conséquence, les risques de non-respect des exigences temps-réel deviennent d'autant plus importants sur ces processeurs. De plus, la complexité croissante des architectures matérielle rend aussi plus difficile de complètement maîtriser et prévenir en amont tout risque d'interférences. Les solutions existantes à un tel problème se font au détriment d'autres éléments qui deviennent tout autant nécessaires dans l'industrie, dont notamment la maximisation d'usage des ressources de calcul. Ainsi, notre proposition cherche à répondre à la fois au besoin de garanties temps-réel sur les tâches critiques tout en permettant une bonne utilisation des ressources offertes par les calculateurs multicœurs. Dans ce cadre, ces travaux se focalisent sur l'étude des tâches critiques sous forme de chaînes de tâches fonctionnelles. De fait chaque fonctionnalité exécutée correspond à une chaîne de différents blocs logiciels exécutés séquentiellement. Avec cette approche, on propose un mécanisme de Surveillance et de Contrôle qui offre des garanties minimales sur une chaîne de tâche critique, par anticipation de risques d'interférences qui pourraient mener à une défaillance. L'! anticipation ayant pour moyen de neutralisation des interférences la mise en pause temporaire des tâches non critiques. L'objectif est d'obtenir une garantie d'exécution bout-en-bout de la chaîne de tâche sans dépassement d'échéance, avec une limitation des tâches non critiques uniquement quand nécessaire, de façon à ce que le reste du temps, on puisse exploiter au maximum la puissance de calcul et les ressources disponibles. Avec un tel mécanisme, nous proposons un protocole d'implémentation et de calibration, ainsi qu'une première analyse à partir d'une plateforme expérimentale dédiée.

Cellular automata constitute the model of parallel and local computation by excellence.As for any model of parallelism, their programming is known to be difficult. The computingpower of cellular automata, the simplest model of parallelism, is attested by the fact that manysignificant problems are computed in minimal time, called real-time, on cellular automata.The main result of this thesis is the demonstration of exact links (equivalences) between, on onehand, the descriptive complexity, essentially the definability in existential second order logic on Horn formulas, and, on the other hand, the real-time complexity classes of cellular automata.Beyond this characterization in logic of the complexity in minimal time, the thesis establishes a method of parallel programming. This method consists first of all in programming in our Horn ogics the induction solving a problem, then in a second step, in applying an automatic process leading to the program of the cellular automaton solving the problem. To justify the interest of the method, the thesis presents a set of logic programs for a representative variety of classical problems known to be computable in real-time on cellular automata.In addition, we prove various results linking the real time of cellular automata and formal grammars. Typically, any language generated by an algebraic grammar and, more generally, an Okhotin conjunctive grammar, is recognized in real-time on a 2-dimensional cellular automaton.; Les automates cellulaires constituent le modèle de calcul parallèle et local par excellence.Comme pour tout modèle du parallélisme, leur programmation est réputée difficile. La puissance de calcul des automates cellulaires, modèle le plus simple du parallélisme, est attestée par le fait que nombre de problèmes significatifs sont calculés en temps minimal, appelé temps-réel, surautomate cellulaire.Principal résultat de cette thèse, on démontre des liens exacts (des équivalences) entre d’un côté la complexité descriptive, essentiellement la définissabilité en logique du second ordre existentiel sur des formules de Horn, de l’autre les classes de complexité en temps-réel des automates cellulaires.Au-delà de cette caractérisation en logique de la complexité en temps minimal, la thèse établit une méthode de programmation parallèle. Cette méthode consiste dans un premier temps à programmer dans nos logiques de Horn l’induction résolvant un problème, puis dans un secondtemps, à appliquer un processus automatique aboutissant au programme de l’automate cellulaire résolvant le problème. Pour justifier l’intérêt de la méthode, la thèse présente un ensemble de programmes logiques pour une variété représentative de problèmes classiques connus pour êtrecalculables en temps-réel sur automates cellulaires.Par ailleurs, toujours en passant par nos logiques, on prouve divers résultats liant le temps-réel des automates cellulaires et les grammaires formelles. Typiquement, tout langage généré par une grammaire algébrique et, plus généralement, une grammaire conjonctive d’Okhotin, est reconnu en temps-réel sur un automate cellulaire de dimension 2.

Cellular automata constitute the model of parallel and local computation by excellence.As for any model of parallelism, their programming is known to be difficult. The computingpower of cellular automata, the simplest model of parallelism, is attested by the fact that manysignificant problems are computed in minimal time, called real-time, on cellular automata.The main result of this thesis is the demonstration of exact links (equivalences) between, on onehand, the descriptive complexity, essentially the definability in existential second order logic on Horn formulas, and, on the other hand, the real-time complexity classes of cellular automata.Beyond this characterization in logic of the complexity in minimal time, the thesis establishes a method of parallel programming. This method consists first of all in programming in our Horn ogics the induction solving a problem, then in a second step, in applying an automatic process leading to the program of the cellular automaton solving the problem. To justify the interest of the method, the thesis presents a set of logic programs for a representative variety of classical problems known to be computable in real-time on cellular automata.In addition, we prove various results linking the real time of cellular automata and formal grammars. Typically, any language generated by an algebraic grammar and, more generally, an Okhotin conjunctive grammar, is recognized in real-time on a 2-dimensional cellular automaton., Les automates cellulaires constituent le modèle de calcul parallèle et local par excellence.Comme pour tout modèle du parallélisme, leur programmation est réputée difficile. La puissance de calcul des automates cellulaires, modèle le plus simple du parallélisme, est attestée par le fait que nombre de problèmes significatifs sont calculés en temps minimal, appelé temps-réel, surautomate cellulaire.Principal résultat de cette thèse, on démontre des liens exacts (des équivalences) entre d’un côté la complexité descriptive, essentiellement la définissabilité en logique du second ordre existentiel sur des formules de Horn, de l’autre les classes de complexité en temps-réel des automates cellulaires.Au-delà de cette caractérisation en logique de la complexité en temps minimal, la thèse établit une méthode de programmation parallèle. Cette méthode consiste dans un premier temps à programmer dans nos logiques de Horn l’induction résolvant un problème, puis dans un secondtemps, à appliquer un processus automatique aboutissant au programme de l’automate cellulaire résolvant le problème. Pour justifier l’intérêt de la méthode, la thèse présente un ensemble de programmes logiques pour une variété représentative de problèmes classiques connus pour êtrecalculables en temps-réel sur automates cellulaires.Par ailleurs, toujours en passant par nos logiques, on prouve divers résultats liant le temps-réel des automates cellulaires et les grammaires formelles. Typiquement, tout langage généré par une grammaire algébrique et, plus généralement, une grammaire conjonctive d’Okhotin, est reconnu en temps-réel sur un automate cellulaire de dimension 2.

Les systèmes embarqués sont de plus en plus présents dans notre quotidien, à l’instar des téléphones ou des équipements des voitures modernes. Les systèmes embarqués modernes utilisent des plates-formes de plus en plus complexes. Après avoir longtemps utilisé un seul processeur, les plates-formes modernes peuvent désormais contenir plusieurs processeurs. Depuis quelques années, afin de continuer à améliorer la performance de ces systèmes à moindre coût, certaines de ces plates-formes embarquent désormais plusieurs processeurs différents, parfois même capables de modifier rapidement leurs caractéristiques pendant l’exécution du système. C’est ce qu’on appelle des plates-formes hétérogènes.Cette thèse traite de l’ordonnancement d’applications temps réel strict pour des plates-formes hétérogènes reconfigurables. Établir une polituqe d’ordonnancement consiste à garantir l’exécution d’ensembles de tâches récurrentes, avec le respect des contraintes temporelles de chaque tâche. Dans un contexte de temps réel strict, une tâche doit nécessairement être pleinement exécutée avant son échéance. Tout retard pourrait compromettre la sécurité du système ou des utilisateurs.Produire un ordonnancement temps réel strict efficace pour de telles plates-formes hétérogènes est particulièrement difficile. En effet, la vitesse d’exécution d’un processeur d’une telle plates-forme dépend à la fois du type du processeur et de la tâche exécutée. Cela rend les tâches difficilement interchangeables et augmente ainsi considérablement la complexité des polituqes d’ordonnancement. De plus, le coût d’une migration – le déplacement d’une tâche en cours d’exécution – d’un processeur à un autre est élevé, ce qui peut rendre les polituqes d’ordonnancement peu efficaces en pratique.Dans cette thèse, deux voies sont explorées pour tirer parti des possibilités offertes par ces plates-formes hétérogènes. Tout d’abord, en proposant un ordonnanceur dit global, qui permet une utilisation théorique de l’entièreté de la plates-forme. Pour atteindre cet objectif, nous isolons différents sous-problèmes, en suivant un schéma établi par la littérature existante. Pour chaque sous-problème, nous proposons une amélioration significative par rapport à l’état de l’art. L’ensemble constitue un nouvel ordonnanceur. Une évaluation empirique montre que ses performances sont bien supérieures à celles des ordonnanceurs existants. De plus, la polituqe d’ordonnancement proposée a une meilleure applicabilité, car elle réduit le nombre de migrations d’un processeur à un autre.Une deuxième voie explorée est le paradigme d’application dite multimode. Nous proposons ici le premier modèle où le matériel comme le logiciel peuvent être modifiés pendant l’exécution de l’application, afin de s’adapter au contexte dans lequel elle se trouve. Enfin, deux nouveaux protocoles utilisant ce modèle sont proposés et évalués. Il est montré théoriquement et empiriquement que ces protocoles présentent une faible complexité et de bonnes performances, et correspondent donc au besoin d’applications réelles., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Interference on the memory system can cause significant slowdowns to applications running in parallel on COTS multi-core processors. They are caused by concurrent accesses to shared hardware resources in the memory system. The magnitude of the delays caused by this phenomenom is difficult to predict, making interference a major obstacle to the adoption of COTS multi-core processors in real-time systems. This thesis is devoted to the characterization of the sensivity of an application to memory interferences based on a characterization of its behavior in isolation. The goal is to determine a priori if an application is sensitive to this problem or not. Using a set microbenchmarks that we have previously introduced, we show that a purely quantitative characterization of memory access behavior characterizes the sensivity to interference in a very imprecise way. In order to allow a more precise characterization of sensivity, we introduce different metrics to quantify quantitative and qualitative aspects of memory use. In order to measure the metrics, we implement a profiler prototype based on dynamic binary instrumentation approaches. In addition to allowing the measurement of qualitative aspects, this tool produces high-resolution profiles that clearly distinguish the different phases in application behaviors. Finally, we use data from our microbenchmarks to train a machine learning algorithm according to several characterizations. Experimental results show significant reductions in error reduction for the prediction of the delay undergone by applications of the MIBench and PARSEC suites., Les interférences du système mémoire peuvent entraîner d’importants ralentissements aux applications s’exécutant en parallèle sur les processeurs multi-coeurs COTS. Elles ont pour origine les accès concurrents aux ressources matérielles partagées du système mémoire. L’ampleur des retards causés par ce phénomène s’avère difficile à prédire, faisant des interférences un obstacle majeur à l’adoption des processeurs multi-cœurs COTS dans les systèmes temps-réels. Cette thèse est consacrée à la caractérisation de la sensibilité d’une application aux interférences mémoires à partir d’une caractérisation de son comportement exécutée seule. Le but étant de pouvoir déterminer à priori si une application est sensible à ce problème ou non. À l’aide d’un ensemble de microbenchmarks que nous avons préalablement introduit, nous montrons qu’une caractérisation purement quantitative du comportement d’accès à la mémoire caractérise la sensibilité aux interférences de façon très imprécise. Afin de permettre une caractérisation plus précise de la sensibilité, nous introduisons différentes métriques permettant de quantifier des aspects quantitatifs de l’utilisation de la mémoire. Afin de mesurer ces métriques, nous implémentons un prototype de profileur reposant sur des approches d’instrumentation binaire dynamique. En plus de permettre la mesure des aspects qualitatifs, cet outil produit des profils haute résolution permettant de distinguer clairement les différentes phases dans les comportements applicatifs. Enfin, nous utilisons les données issues de nos microbenchmarks pour entraîner un algorithme d’apprentissage automatique selon plusieurs caractérisations. Les résultats expérimentaux montrent des réductions significatives de réduction d’erreur pour la prédiction du retard subi par des applications des suites MIBENCH et PARSEC.

The work presented in this manuscript answers the need to modernize and improve the learning of the medical gesture of needle insertion under ultrasound. This simulator includes a rendering part and a haptic part. After the goals of this work, a state of the art of ultrasound image rendering in computer graphics is performed, followed by a state of the art of needle insertion models and simulators. We then introduce a GPU-based real-time ultrasound rendering method of a 3D scene. This method allows us to cut 3D objects to create 2D surfaces on the fly that depend on the position of the ultrasound probe, and then to work on these surfaces to produce the different effects that appear on an ultrasound image: shadows and reflections, absorption, granularity and fiber orientations of biological tissues. To our knowledge, his last effect has never been presented in a real-time ultrasound image generation simulator. Then, we show the different interactions between the medical tools (probe and needle, manipulated thanks to two haptic interfaces) and the generated image, and we will see how to deform this image to match the deformation of the 3D tissues thanks to deformation models. Finally, we display the results and how to validate such a simulator through the example of an identical simulator with visual and haptic feedback, the laparoscopy simulator, Les travaux présentés dans ce manuscrit répondent à un besoin de moderniser et améliorer l'apprentissage du geste médical de l'insertion d'aiguille sous échographie. Ce simulateur comporte une partie rendu et une partie haptique. Après avoir introduit les objectifs de ces travaux, un état de l'art des méthodes informatiques de rendu d'image échographique est effectué, suivi par un état de l'art des modèles et des simulateurs d'insertion d'aiguille. Nous introduisons ensuite une méthode de rendu échographique temps réel d'une scène 3D, basée sur GPU. Cette méthode permet de découper les objets 3D pour créer à la volée des surfaces 2D qui dépendent de la position de la sonde échographique, puis de travailler sur ces surfaces pour produire les différents effets qui apparaissent sur une image échographique : ombres et réflexions, absorption, granularité et orientations des fibres des tissus biologiques. À notre connaissance, ce dernier effet n'a jamais été présenté dans un simulateur de génération d'images échographiques temps réel. Puis, les différentes interactions entre les outils médicaux (sonde et aiguille, maniées grâce à deux interfaces haptiques) et les tissus biologiques sont présentées, pour comprendre comment modifier les pixels de l'image générée. Cette manipulation d'image 2D correspond aux interactions grâce à des modèles de déformation 3D prises dans le plan de coupe échographique. Enfin, les résultats et les premières validations sont présentés. La validation à grande échelle d'un tel simulateur est traitée à travers l'exemple d'un simulateur identique avec retour visuel et haptique, le simulateur de laparoscopie

This thesis is motivated by the questionof the validation of properties in a system composedof several mobile agents individually makingdecisions in real time. Each agent has a perceptionof their own environment and can communicate withother agents nearby. The application that has beenchosen as a case study is that of autonomous vehicles,which because of the large number of variables involvedin the representation of such systems, makesnaive approaches impossible. The issues addressedconcern, on the one hand, the modeling of such asystem, in particular the choice of the formalism andthe level of abstraction of the model, and on the otherhand, the implementation of an evaluation protocol ofdecision making of vehicles. This last point includesthe question of the efficiency of the exploration of thestate space of the model. The thesis presents a set ofworks, which can be complementary, aiming to treatthese problems. First, the system, consisting of autonomousvehicles and their environment, is preciselydefined. It allows in particular to observe the impactof communications between vehicles on their behavior.The VerifCar software framework dedicated todecision-making analysis of communicating autonomousvehicles is then presented. It includes a parametricmodel of timed automata with the ability tocheck temporal logic properties. An analysis methodologyusing these properties is presented. A complementaryapproach is also proposed, which in somecases allows for greater efficiency and greater expressiveness.It is based on the formalism of MAPTs(Multi-Agent with timed Periodic Tasks), which wasdesigned for modeling real-time systems of cooperativeagents. Algorithms allowing a dynamic explorationof the states of this type of model (that is tosay without the state space having to be built beforehand)are presented. Finally, a combined methodcombining simulation and model verification tools tocontrol the level of realism is described and appliedto the case study., Cette thèse est motivée par la questionde la validation de propriétés dans un systèmecomposé de plusieurs agents mobiles prenants individuellementdes décisions en temps réel. Chaqueagent a une perception de l’environnement qui lui estpropre et peut communiquer avec les autres agentsà proximité. L’application qui a été choisie commecas d’étude est celle des véhicules autonomes, quidu fait du large nombre de variables impliquées dansla représentation de tels systèmes, rend impossibledes approches naïves. Les problématiques traitéesconcernent, d’une part, la modélisation d’un tel système,notamment le choix du formalisme et du niveaud’abstraction du modèle, et d’autre part, la mise enplace d’un protocole d’évaluation de la prise de décisiondes véhicules. Ce dernier point inclut la questionde l’efficacité de l’exploration de l’espace d’états dumodèle. La thèse présente un ensemble de travaux,pouvant être complémentaires, visant à traiter cesproblématiques. Tout d’abord, le système, composédes véhicules autonomes et de leur environnement,est défini avec précision. Il permet notamment d’observerl’impact des communications entre véhiculessur leur comportement. Le cadre logiciel VERIFCARdédié à l’analyse de prise de décision de véhiculesautonomes communicants est ensuite présenté.Il inclut un modèle paramétrique d’automates temporisésoffrant la possibilité de vérifier des propriétésde logique temporelle. Une méthodologie d’analyseutilisant ces propriétés est présentée. On proposeégalement une approche complémentaire permettantdans certains cas une meilleure efficacité et une plusgrande expressivité. Elle est fondée sur le formalismedes MAPTs (Multi-Agent with timed Periodic Tasks),qui a été conçu pour la modélisation de systèmestemps réel d’agents coopératifs. Des algorithmes permettantune exploration dynamique des états de cetype de modèles (c’est à dire sans que l’espace d’étatsne doive être préalablement construit) sont présentés.Enfin, une méthode combinée alliant la simulationaux outils de vérification de modèle afin de contrôlerle niveau de réalisme est décrite et appliquée aucas d’étude.

This work is focused on the real-time optimal control of a stand-alone system consisting of a photovoltaic generator, a PEM fuel cell, an alkaline electrolyzer, a battery and supercapacitor pack for a stationary application. The coupling of these different sources aims to improve performance, the availability of the resulting electrical grid, the supply of electricity over much longer periods, and especially the satisfaction of the load by using each source in a controlled way.First, a thorough study of the feasibility of the system from a technical, energetic, economic and environmental point of view is carried out.As a result, an optimal sizing method is proposed. A sensitivity analysis to evaluate the influence of subsystems cost and the size respectively on the overall energy cost and the equivalent CO2 emitted by the system is also discussed. Then, a model enabling easy scaling of components to achieve the capacity required for the system is developped. The global model of the system is obtained by exploiting the modularity of the formalism used for modeling (the Energetic Macroscopic Representation). Finally, an energy management method based on Energy consumption Minimization Strategy (ECMS) is proposed. A comparative study of the results obtained by the ECMS and those obtained by dynamic programming has enabled the validation of the optimal control strategy developed.; Ce travail est axé sur le contrôle optimal en temps réel d’un système autonome constitué d’un générateur photovoltaïque, d’une pile à combustible de technologie PEM, d’un électrolyseur alcalin, d’une batterie et d’un pack de supercondensateurs pour une application stationnaire. Le couplage de ces différentes sources a pour but d’améliorer les performances, la disponibilité du réseau électrique résultant, la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues, et surtout la satisfaction de la charge en utilisant chaque source de façon raisonnée.D’abord, une étude approfondie sur la faisabilité du système du point de vue technique, énergétique, économique et environnemental est effectué.En conséquence une méthode de dimensionnement optimal est proposée. Une analyse de sensibilité permettant d’évaluer l’influence du coût et de la taille des sous-systèmes respectivement sur le coût énergétique global et l’équivalent CO2 émis par le système est également effectuée. Ensuite un modèle permettant une mise à l’échelle aisée des composants afin d’atteindre la capacité requise pour le système est développé. Le modèle global du système est obtenu en exploitant la modularité de la REM (représentation énergétique macroscopique), qui est le formalisme utilisé pour la modélisation. Finalement Une méthode de gestion énergétique basé sur l’« Energy consumption Minimization Strategy » (ECMS) est proposée. La stratégie proposée est validée par étude comparative des résultats avec ceux de la programmation dynamique.

This work is focused on the real-time optimal control of a stand-alone system consisting of a photovoltaic generator, a PEM fuel cell, an alkaline electrolyzer, a battery and supercapacitor pack for a stationary application. The coupling of these different sources aims to improve performance, the availability of the resulting electrical grid, the supply of electricity over much longer periods, and especially the satisfaction of the load by using each source in a controlled way.First, a thorough study of the feasibility of the system from a technical, energetic, economic and environmental point of view is carried out.As a result, an optimal sizing method is proposed. A sensitivity analysis to evaluate the influence of subsystems cost and the size respectively on the overall energy cost and the equivalent CO2 emitted by the system is also discussed. Then, a model enabling easy scaling of components to achieve the capacity required for the system is developped. The global model of the system is obtained by exploiting the modularity of the formalism used for modeling (the Energetic Macroscopic Representation). Finally, an energy management method based on Energy consumption Minimization Strategy (ECMS) is proposed. A comparative study of the results obtained by the ECMS and those obtained by dynamic programming has enabled the validation of the optimal control strategy developed.; Ce travail est axé sur le contrôle optimal en temps réel d’un système autonome constitué d’un générateur photovoltaïque, d’une pile à combustible de technologie PEM, d’un électrolyseur alcalin, d’une batterie et d’un pack de supercondensateurs pour une application stationnaire. Le couplage de ces différentes sources a pour but d’améliorer les performances, la disponibilité du réseau électrique résultant, la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues, et surtout la satisfaction de la charge en utilisant chaque source de façon raisonnée.D’abord, une étude approfondie sur la faisabilité du système du point de vue technique, énergétique, économique et environnemental est effectué.En conséquence une méthode de dimensionnement optimal est proposée. Une analyse de sensibilité permettant d’évaluer l’influence du coût et de la taille des sous-systèmes respectivement sur le coût énergétique global et l’équivalent CO2 émis par le système est également effectuée. Ensuite un modèle permettant une mise à l’échelle aisée des composants afin d’atteindre la capacité requise pour le système est développé. Le modèle global du système est obtenu en exploitant la modularité de la REM (représentation énergétique macroscopique), qui est le formalisme utilisé pour la modélisation. Finalement Une méthode de gestion énergétique basé sur l’« Energy consumption Minimization Strategy » (ECMS) est proposée. La stratégie proposée est validée par étude comparative des résultats avec ceux de la programmation dynamique.

The first part of this thesis is dedicated to the modeling of image or video backgrounds, applied to anomaly detection. In the case of anomaly detection on a single image, our analysis leads us to find five different families of structural assumptions on the background. We propose new algorithms for single-image anomaly detection, small target detection on moving background, change detection on satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) images and cloud detection on a sequence of satellite optical images.In the second part, we study two further applications of background modeling. To perform video denoising we search, for every video patch, similar patches in the video sequence, and feed their central pixels to a convolutional neural network (CNN). The background model in this case is hidden in the CNN weights. In our experiments, the proposed method is the best performing of the compared CNN-based methods. We also study exemplar-based texture synthesis. In this problem texture samples have to be generated based on only one reference sample. Our survey classifies the families of algorithms for this task according to their model assumptions. In addition, we propose improvements to fix the border behavior issues that we pointed out in several deep learning based methods.In the third part, we propose real-time GPU implementations for B-spline interpolation and for several image and video denoising algorithms: NL-means, BM3D and VBM3D. The speed of the proposed implementations enables their use in real-time scenarios, and they are currently being transitioned to industry., {La première partie de cette thèse est dédiée à la modélisation d'images ou de vidéos considérés comme des fonds sur lesquels on s'attache à détecter des anomalies. Notre analyse de la littérature de la détection d'anomalie sur une seule image nous a fait identifier cinq différentes familles d'hypothèses structurelles sur le fond. Nous proposons de nouveaux algorithmes pour les problèmes de détection d'anomalie sur seule image, de détection de petites cibles sur un fond en mouvement, de détection de changements sur des images satellitaires SAR (Synthetic Aperture Radar) et de détection de nuages dans des séquences d'images de satellite optique.Dans une seconde partie, nous étudions deux autres applications de la modélisation de fond. Pour le débruitage vidéo, nous cherchons pour chaque patch de la vidéo, des patchs similaires le long de la séquence vidéo, et fournissons à un réseau de neurones convolutif les pixels centraux de ces patchs. Le modèle de fond est caché dans les poids du réseau de neurones. Cette méthode s'avère être la plus performante des méthodes par réseau de neurones comparées. Nous étudions également la synthèse de texture à partir d'un exemple. Dans ce problème, des échantillons de texture doivent être générés à partir d'un seul exemple servant de référence. Notre étude distingue les familles d'algorithmes en fonction du type de modèle adopté. Dans le cas des méthodes par réseau de neurones, nous proposons une amélioration corrigeant les artefacts de bord.Dans une troisième partie, nous proposons des implémentations temps-réel GPU de l'interpolation B-spline et de plusieurs algorithmes de débruitage d'images et de vidéo: NL-means, BM3D et VBM3D. La rapidité des implémentations proposées permet leur utilisation dans des scénarios temps-réel, et elles sont en cours de transfert vers l'industrie.

Real time system are often used for applications in avionic or automotive domains. For those systems, timing constraints are as important as functional constraints. Thus, for each functionality it is necessary to compute the maximum duration between the acquisition of the inputs and the production of the corresponding outputs, duration denoted worst case latency. Given the needs that we identify at Thales, we consider uni-processor systems scheduled under fixed priority preemptive scheduling with task chains mapped on them. Each chain implements a functionality and each task has a fix and unique priority. The finishing time of a task corresponds to the activation of the following one in the chain. The processor always executes the task with the highest priority. Then, we use scheduling analysis to characterize the timing behavior of systems and to compute the worst case latency of chains. If the worst case latency of each chain is lower than or equal to its timing constraint, then the system is schedulable. To guarantee the schedulability of a system, we compute upper bounds that are higher than or equal to the worst case latency. Depending on the precision of the analysis, these bounds may be more of less over-approximated. For a given system, if the over-approximations are too large, then it is necessary to over-dimension the system in order to guarantee its schedulability, which is not desirable in a industrial context. To solve this over-dimensioning problem, we compute more precise upper bounds and on more general systems than in the state of the art. When computing these upper bounds, it is useful to measure the gap between the worst case latency and its upper bound. To achieve this, we compute a lower bound on the worst case latency to evaluate the precision of the upper bound. In the state of the art, lower bounds are computed using simulation. We propose instead to use schedulability analysis to compute lower bounds that we define as execution scenarios that are realizable considering the system model. Our lower bounds are computed with equations similar to those established to compute our upper bounds. Finally, considering the very long lifetime of systems and the quick evolution of technologies, many systems have to evolve during their lifetime. A relevant evolution in an industrial context consists in adding a new chain to an existing system. To guarantee the schedulability of a system in this context, we present a methodology to compute the worst-case latency of a new chain while providing guarantees on the schedulability of the new system. This analysis can be used to determine the sensitivity and/or the robustness of a system with respect to timing parameter changes, such as the execution times of its tasks. This consists in finding extreme values of its timing parameters such that the system remains schedulable. In this thesis, we present analyses to compute upper and lower bounds on the worst case latency, and to schedule a new chain while giving guarantee on its schedulability. These results may be extended in the future to handle more complex systems, and the computation of lower bound may be adapted to other analyses. Finally, the developed analyses are complex, so it would be interesting to certify that they are correct using a proof assistant to guarantee that they are exact.; Les systèmes temps réel sont développés pour de nombreuses applications dans les domaines de l'avionique ou l'automobile. Pour ces systèmes, les contraintes temporelles sont aussi importantes que les contraintes fonctionnelles. Ainsi pour chaque fonctionnalité il faut calculer le délai maximum entre l'acquisition d'une entrée et la restitution de la sortie correspondante, délai appelé latence pire cas. Compte tenu des besoins rencontrés au sein de l'entreprise Thales, nous considérons des systèmes mono-processeurs ordonnancés sous ordonnanceur préemptif à priorités fixes, sur lesquels sont alloués des chaînes de tâches. Chaque chaîne implémente une fonctionnalité distincte et chaque tâche possède une priorité fixe et unique. La terminaison d'une tâche au sein d'une chaîne entraîne le démarrage de la tâche suivante. Quant au processeur, il exécute toujours la tâche de priorité maximale. Nous utilisons ensuite l'analyse d'ordonnançabilité pour caractériser le comportement temporel des systèmes et calculer la latence au pire cas des chaînes. Si la latence au pire cas de chaque chaîne du système est inférieure à son échéance temporelle alors ce système est ordonnançable. Pour garantir l'ordonnançabilité d'un système, nous calculons des majorants, qui sont supérieurs ou égaux à la latence au pire cas, et qui peuvent être plus ou moins sur-approximés selon la précision des analyses. Pour un système donné, si les sur-aproximations sont trop importantes alors il faut le sur-dimensionner afin de garantir son ordonnançabilité, ce qui n'est pas souhaitable dans un contexte industriel. Pour résoudre ce problème de sur-dimensionnement, nous calculons un majorant qui est plus précis et/ou plus général que ceux présentés dans l'état de l'art. Une fois le majorant calculé, il est utile de mesurer l'écart maximum entre la latence au pire cas d'une chaîne et son majorant. Dans cet objectif, nous calculons un minorant sur la latence au pire cas. Dans l'état de l'art, les minorants sont calculés par simulation. Nous proposons quant à nous d'utiliser l'analyse d'ordonnançabilité pour calculer des minorants que nous définissons comme des scénarios réalisables compte tenu du modèle du système. Les minorants sont calculés grâce à des analyses similaires à celles développées pour le calcul des majorants. Pour finir, compte tenu des long cycles de vies et de l'évolution rapide des technologies, de nombreux systèmes sont amenés à évoluer. Une évolution pertinente dans un contexte industriel consiste au rajout d'une chaîne de tâches à un système existant. Pour garantir l'ordonnançabilité du système dans ce contexte, nous présentons une méthode pour calculer le plus grand temps d'exécution qui peut être alloué à la nouvelle chaîne tout en garantissant l'ordonnançabilité du nouveau système. Cette analyse peut être utilisée pour analyser la sensibilité et/ou la robustesse d'un système face à des changements de paramètres, comme par exemple les temps d'exécution des tâches. Cela consiste à trouver les valeurs extrêmes d'un paramètre temporel de telle sorte que le système reste ordonnançable. Dans cette thèse, nous avons présenté des analyses pour majorer et minorer la latence au pire cas d'une chaîne et permettre à un système d'ordonnancer une nouvelle chaîne tout en étant garanti ordonnançable. Ces travaux pourront être étendus dans le futur en analysant des systèmes plus complexes et en adaptant le calcul des minorants à d'autres types d'analyses. Pour finir, les analyses développées sont complexes, il serait donc intéressant de les formaliser dans un assistant de preuve interactif, afin de garantir leur exactitude.

Traditional single-cores are no longer sufficient to meet the growing needs of performance in avionics domain. Multi-core and many-core processors have emerged in the recent years in order to integrate several functions thanks to the resource sharing. In contrast, all multi-core and many-core processorsdo not necessarily satisfy the avionic constraints. We prefer to have more determinism than computing power because the certification of such processors depends on mastering the determinism.The aim of this thesis is to evaluate the many-core processor (MPPA-256) from Kalray in avionic context. We choose the maintenance function HMS (Health Monitoring System) which requires an important bandwidth and a response time guarantee. In addition, this function has also parallelism properties. It computes data from sensors that are functionally independent and, therefore their processing can be parallelized in several cores. This study focuses on deploying the existing sequential HMS on a many-core processor from the data acquisition to the computation of the health indicators with a strongemphasis on the input flow.Our research led to five main contributions:• Transformation of the global existing algorithms into a real-time ones which can process data as soon as they are available.• Management of the input flow of vibration samples from the sensors to the computation of the health indicators, the availability of raw vibration data in the internal cluster, when they are consumed and finally the workload estimation.• Implementing a lightweight Timing measurements directly on the MPPA-256 by adding timestamps in the data flow.• Software architecture that respects real-time constraints even in the worst cases. The software architecture is based on three pipeline stages.• Illustration of the limits of the existing function: our experiments have shown that the contextual parameters of the helicopter such as the rotor speed must be correlated with the health indicators to reduce false alarms., Les processeurs mono-coeurs traditionnels ne sont plus suffisants pour répondre aux besoins croissants en performance des fonctions avioniques. Les processeurs multi/many-coeurs ont emergé ces dernières années afin de pouvoir intégrer plusieurs fonctions et de bénéficier de la puissance par Watt disponible grâce aux partages de ressources. En revanche, tous les processeurs multi/many-coeurs ne répondent pas forcément aux besoins des fonctions avioniques. Nous préférons avoir plus de déterminisme que de puissance de calcul car la certification de ces processeurs passe par la maîtrise du déterminisme. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le processeur many-coeur (MPPA-256) de Kalray dans un contexte industriel aéronautique. Nous avons choisi la fonction de maintenance HMS (Health Monitoring System) qui a un besoin important en bande passante et un besoin de temps de réponse borné.Par ailleurs, cette fonction est également dotée de propriétés de parallélisme car elle traite des données de vibration venant de capteurs qui sont fonctionnellement indépendants, et par conséquent leur traitement peut être parallélisé sur plusieurs coeurs. La particularité de cette étude est qu’elle s’intéresse au déploiement d’une fonction existante séquentielle sur une architecture many-coeurs en partant de l’acquisition des données jusqu’aux calculs des indicateurs de santé avec un fort accent sur le fluxd’entrées/sorties des données. Nos travaux de recherche ont conduit à 5 contributions:• Transformation des algorithmes existants en algorithmes incrémentaux capables de traiter les données au fur et mesure qu’elles arrivent des capteurs.• Gestion du flux d’entrées des échantillons de vibrations jusqu’aux calculs des indicateurs de santé,la disponibilité des données dans le cluster interne, le moment où elles sont consommées et enfinl’estimation de la charge de calcul.• Mesures de temps pas très intrusives directement sur le MPPA-256 en ajoutant des timestamps dans le flow de données.• Architecture logicielle qui respecte les contraintes temps-réel même dans les pires cas. Elle estbasée sur une pipeline à 3 étages.• Illustration des limites de la fonction existante: nos expériences ont montré que les paramètres contextuels de l’hélicoptère tels que la vitesse du rotor doivent être corrélés aux indicateurs de santé pour réduire les fausses alertes.

Traditional single-cores are no longer sufficient to meet the growing needs of performance in avionics domain. Multi-core and many-core processors have emerged in the recent years in order to integrate several functions thanks to the resource sharing. In contrast, all multi-core and many-core processorsdo not necessarily satisfy the avionic constraints. We prefer to have more determinism than computing power because the certification of such processors depends on mastering the determinism.The aim of this thesis is to evaluate the many-core processor (MPPA-256) from Kalray in avionic context. We choose the maintenance function HMS (Health Monitoring System) which requires an important bandwidth and a response time guarantee. In addition, this function has also parallelism properties. It computes data from sensors that are functionally independent and, therefore their processing can be parallelized in several cores. This study focuses on deploying the existing sequential HMS on a many-core processor from the data acquisition to the computation of the health indicators with a strongemphasis on the input flow.Our research led to five main contributions:• Transformation of the global existing algorithms into a real-time ones which can process data as soon as they are available.• Management of the input flow of vibration samples from the sensors to the computation of the health indicators, the availability of raw vibration data in the internal cluster, when they are consumed and finally the workload estimation.• Implementing a lightweight Timing measurements directly on the MPPA-256 by adding timestamps in the data flow.• Software architecture that respects real-time constraints even in the worst cases. The software architecture is based on three pipeline stages.• Illustration of the limits of the existing function: our experiments have shown that the contextual parameters of the helicopter such as the rotor speed must be correlated with the health indicators to reduce false alarms.; Les processeurs mono-coeurs traditionnels ne sont plus suffisants pour répondre aux besoins croissants en performance des fonctions avioniques. Les processeurs multi/many-coeurs ont emergé ces dernières années afin de pouvoir intégrer plusieurs fonctions et de bénéficier de la puissance par Watt disponible grâce aux partages de ressources. En revanche, tous les processeurs multi/many-coeurs ne répondent pas forcément aux besoins des fonctions avioniques. Nous préférons avoir plus de déterminisme que de puissance de calcul car la certification de ces processeurs passe par la maîtrise du déterminisme. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le processeur many-coeur (MPPA-256) de Kalray dans un contexte industriel aéronautique. Nous avons choisi la fonction de maintenance HMS (Health Monitoring System) qui a un besoin important en bande passante et un besoin de temps de réponse borné.Par ailleurs, cette fonction est également dotée de propriétés de parallélisme car elle traite des données de vibration venant de capteurs qui sont fonctionnellement indépendants, et par conséquent leur traitement peut être parallélisé sur plusieurs coeurs. La particularité de cette étude est qu’elle s’intéresse au déploiement d’une fonction existante séquentielle sur une architecture many-coeurs en partant de l’acquisition des données jusqu’aux calculs des indicateurs de santé avec un fort accent sur le fluxd’entrées/sorties des données. Nos travaux de recherche ont conduit à 5 contributions:• Transformation des algorithmes existants en algorithmes incrémentaux capables de traiter les données au fur et mesure qu’elles arrivent des capteurs.• Gestion du flux d’entrées des échantillons de vibrations jusqu’aux calculs des indicateurs de santé,la disponibilité des données dans le cluster interne, le moment où elles sont consommées et enfinl’estimation de la charge de calcul.• Mesures de temps pas très intrusives directement sur le MPPA-256 en ajoutant des timestamps dans le flow de données.• Architecture logicielle qui respecte les contraintes temps-réel même dans les pires cas. Elle estbasée sur une pipeline à 3 étages.• Illustration des limites de la fonction existante: nos expériences ont montré que les paramètres contextuels de l’hélicoptère tels que la vitesse du rotor doivent être corrélés aux indicateurs de santé pour réduire les fausses alertes.

The improvement running performance has become a major topic lately. We are getting closer to running a marathon in under 2 hours. However, there are not so many professionals working transversally regarding pre-race and in-race preparation concerning the general public. Training plans are based on trainers' experience and are often not custom-made. This exposes the runners to injury risk and motivation loss. It seems that the current analysis of training plans has reached a limit. The aim for BillaTraining® is to go beyond this limit by connecting the research with the general public of runners.This PhD has two main goals. The first one is trying to contribute to the research about running. After gathering and formatting trainings and races data from different origins, we tried to isolate and describe how humans run marathons including 2.5 to 4-hour performances. We studied acceleration, speed and heart rate time series among other things, with the idea of understanding the different running strategies.The second one is the development of a web application embracing the three steps of the BillaTraining® method. The first step is an energetic audit which is a 30-minute running session guided by the runner's sensations. The second step is the energetic radar which is the results of the audit. The last step is a tailor-made training plan built depending on the runner's objectives.In order to come up with a solution, we had to bring together Physiology, Mathematics and Computer Science.The knowledge we had in Physiology was based on professor Véronique Billat's past and current researches. These researches are now part of BillaTraining® and are central for the growth of the company.We used Mathematics to try to describe physiological phenomenons thanks to Statistics. By applying the Ornstein-Uhlenbeck model, we found that humans are able to run at an even acceleration. By using the PELT (Pruned Exact Linear Time) method we automated changepoints detection in time series.Finally, Computer Science allowed a communication between Physiology and Mathematics for research, as well as marketing training tools at the forefront of innovation., L'amélioration de la performance en course à pied, lors de courses sur du plat, raisonne avec l'actualité et l'objectif de voir un athlète descendre en dessous des deux heures sur Marathon. Cependant, il existe peu d'équipes travaillant de façon transverse sur les sujets de préparation et de stratégie de course à destination du grand public. Les programmes d'entraînement, fondés sur l'expérience des entraîneurs, ne sont pas, ou peu, personnalisés ce qui conduit à des risques de blessures et une perte de la motivation. Une limite de l'analyse actuelle des programmes d'entraînement semble avoir été atteinte et l'entreprise BillaTraining® a pour objectif de construire un pont entre la recherche scientifique et les coureurs amateurs.L'objectif principal de ce travail de thèse est double. Premièrement, nous avons essayé d'apporter une contribution à la recherche dans le domaine de la course à pied. Après avoir accumulé et formaté des données d'entraînements et de courses provenant de différentes sources, nous avons cherché à décrire des phénomènes tels que l'accélération humaine ou encore les différentes stratégies de course employées sur Marathon pour des coureurs dont les performances de durée de course sont comprises entre 2h30 et 4 heures.Deuxièmement, nous avons développé une application web intégrant les trois phases de la méthode BillaTraining®. La première étape est un audit énergétique qui n'est autre qu'un entraînement de trente minutes à la sensation, permettant de connaitre les capacités physiques d'un coureur. La second étape, le radar énergétique, est le bilan de l'audit et agit comme point d'entrée de l'entraînement sur-mesure qui est la troisième et dernière étape.Afin de répondre à ces deux objectifs, nous avons intégré des notions de physiologie, de mathématiques et d'informatique.Les connaissances en physiologie sont basées sur l'état de l'art ainsi que les recherches passées et présentes du professeur Véronique Billat. Par extension, il s'agit du coeur de métier de l'entreprise BillaTraining®. Les idées de recherche présentent dans cette thèse émanent de la physiologie.Les mathématiques, quand à elles, nous ont permis de décrire certains phénomènes physiologiques grâce notamment aux statistiques. Nous avons eu l'occasion d'utiliser le modèle d'Ornstein-Uhlenbeck de retour à la moyenne ou encore la méthode PELT (Pruned Exact Linear Time) pour la détection d'instants de ruptures dans une série temporelle.Finalement, l'informatique permet de faire communiquer les mathématiques et la physiologie à des fins de recherche scientifique et commerciales.

Numerical models used for surgical application require simultaneously a precision close to the millimeter, high speed resolution and to account for the patient variabilities. In the present study, we develop a numerical model of the liver, which relies on hyper-elastic mechanical behavior completed with the vascularization impact on the macroscopic level. Once completed and implemented, the model is treated with model reduction and learning tools in order to provide a real-time response. Mechanical properties are extracted from numerical indentations and homogeneised to build a model accounting for the impact of the vascularization. Once validated on a real sample, simulated deformations are used as input to a learning solution to build a functional solution. Finally, the function is integrated in a surgical tool, to provide a quick and precise representation of the liver deformations.; Les modèles numériques présents dans les salles de chirurgie requièrent simultanément une précision millimétrique, une vitesse de résolution importante, tout en prenant en compte la variabilité inter-patient. Dans l’étude proposée, nous développons un modèle numérique du foie, intégrant des lois de comportement hyper-élastiques ainsi que l’impact mécanique de la vascularisation. Une fois constitué, le modèle est traité par des outils mathématiques de réduction de modèles et d’apprentissage afin de fournir une réponse en temps réel. Pour cela, des données mécaniques sont extraites d’indentations numériques puis homogénéisées, pour construire un modèle numérique intégrant l’impact de la vascularisation. Une fois validé sur un échantillon réel les déformations simulées sont utilisées par une méthode d’apprentissage pour construire une réponse fonctionnelle. Une fois intégrée dans un outil chirurgical, ce dernier permet de fournir une réponse en temps réel des déformations du foie.

Our daily use of the Internet and related technologies generates, at a rapid and variable speeds, large volumes of heterogeneous data issued from sensor networks, search engine logs, multimedia content sites, weather forecasting, geolocation, Internet of Things (IoT) applications, etc. Processing such data in conventional databases (Relational Database Management Systems) may be very expensive in terms of time and memory storage resources. To effectively respond to the needs of rapid decision-making, these streams require real-time processing. Data Stream Management Systems (SGFDs) evaluate queries on the recent data of a stream within structures called windows. The input data are different formats such as CSV, XML, RSS, or JSON. This heterogeneity lock comes from the nature of the data streams and must be resolved. For this, several research groups have benefited from the advantages of semantic web technologies (RDF and SPARQL) by proposing RDF data streams processing systems called RSPs. However, large volumes of RDF data, high input streams, concurrent queries, combination of RDF streams and large volumes of stored RDF data and expensive processing drastically reduce the performance of these systems. A new approach is required to considerably reduce the processing load of RDF data streams. In this thesis, we propose several complementary solutions to reduce the processing load in centralized environment. An on-the-fly RDF graphs streams sampling approach is proposed to reduce data and processing load while preserving semantic links. This approach is deepened by adopting a graph-oriented summary approach to extract the most relevant information from RDF graphs by using centrality measures issued from the Social Networks Analysis. We also adopt a compressed format of RDF data and propose an approach for querying compressed RDF data without decompression phase. To ensure parallel and distributed data streams management, the presented work also proposes two solutions for reducing the processing load in distributed environment. An engine and parallel processing approaches and distributed RDF graphs streams. Finally, an optimized processing approach for static and dynamic data combination operations is also integrated into a new distributed RDF graphs streams management system.; Notre utilisation quotidienne de l’Internet et des technologies connexes génère, de manière continue et à des vitesses rapides et variables, de grandes quantités de données hétérogènes issues des réseaux de capteurs, des logs de moteurs de recherches génériques ou spécialisés, des données de sites de contenu multimédia, des données de mesure de stations météorologiques, de la géolocalisation, des applications IoT (l’Internet des objets), etc. Traiter de telles données dans les bases de données conventionnelles (Systèmes de Gestion de Bases de Données Relationnelles) peut être très coûteux en ressources temporelles et mémoires. Pour répondre efficacement aux besoins et aider à la prise de décision, ces flots d’informations nécessitent des traitements en temps réel. Les Systèmes de Gestion de Flux de Données (SGFDs) posent et évaluent des requêtes sur les données récentes d’un flux dans des structures appelées fenêtre. Les données en entrée des SGFDs sont de différents formats bruts tels que CSV, XML, RSS, ou encore JSON. Ce verrou d’hétérogénéité émane de la nature des flux de données et doit être levé. Pour cela, plusieurs groupes de recherche ont bénéficié des avantages des technologies du web sémantique (RDF et SPARQL) en proposant des systèmes de traitement de flux de données RDF appelés RSPs. Cependant, la volumétrie des données, le débit d’entrée élevé, les requêtes concurrentes, le croisement des flux RDF à de larges volumes de données stockées et les calculs coûteux baissent considérablement les performances de ces systèmes. Il faut prévoir une nouvelle approche de réduction de la charge de traitement des flux de données RDF. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs solutions pour réduire la charge de traitement de flux de données en mode centralisé. Une approche d’échantillonnage à la volée de flux de graphes RDF est proposée afin de réduire la charge de données et du traitement des flux tout en préservant les liens sémantiques. Cette approche est approfondie en adoptant une méthode de résumé orienté graphe pour extraire des graphes RDF les informations les plus pertinentes en utilisant des mesures de centralité issues de l’Analyse des Réseaux Sociaux. Nous adoptons également un format compressé des données RDF et proposons une approche d’interrogation de données RDF compressées sans phase de décompression. Pour assurer une gestion parallèle et distribuée des flux de données, le travail présenté propose deux solutions supplémentaires de réduction de la charge de traitement en mode distribué : un moteur de traitement parallèle et distribué de flux de graphes RDF et une approche de traitement optimisé des opérations de croisement entre données statiques et dynamiques sont présentés.

The aim of this work is to position terahertz imaging as a new tool dedicated to metrology and non-destructive testing. Its astonishing properties of both high penetration in dielectric materials and wavelength millimeter or even submillimetric make it a very exciting tool for applications such as non-destructive testing (NDT).First, we presented two imaging techniques: one to move the object, point by point, in a focused terahertz beam to reconstruct, pixel by pixel, a two-dimensional image. The other technique is based on the use of a lens and a matrix sensor in the state of the art operating at room temperature. Thus we have imaged objects of interest, without mechanical displacement. Although this last technique is much faster than point-by-point imaging, the quality of the images obtained is not comparable and this because of two drawbacks. Thus, part of the work consists in the study of lighting strategies to limit the interferential optical effects induced by the coherence of the source. In addition, by deploying simulations of the entire optical chain with Zemax software, numerous quality images make it possible to consider applications in 2D (metrology, NDT) and 3D imaging. Thus, two complementary tomographic reconstruction techniques are tested on images obtained in real time; a technique inspired by X-ray imaging and a technique used in 3D optical microscopy that exploits the reduced depth of field of the lens. Finally, several spectroscopic and metrological studies are carried out in order to evaluate the behavior of the materials and the dimension of the objects starting from their THz images in 2D or with their 3D tomographic reconstruction. The work done is the foundation for deploying terahertz imagery to the application domain with unmatched image quality and real-time acquisition.; L’objectif de ce travail est de positionner l’imagerie terahertz comme un nouvel outil dédié à la métrologie et au contrôle non destructif. Ses propriétés étonnantes à la fois de forte pénétration dans les matériaux diélectriques et de longueur d’onde de dimension millimétrique voire submillimétrique en font un outil très enthousiasmant pour des applications comme le contrôle non destructif (CND).En premier lieu, nous avons présenté deux techniques d’imagerie : une consistant à déplacer l’objet, point par point, dans un faisceau terahertz focalisé pour reconstruire, pixel par pixel, une image en deux dimensions. L’autre technique repose sur l’utilisation d’un objectif et d’un capteur matriciel à l’état de l’art fonctionnant à température ambiante. Ainsi nous avons imagé des objets d’intérêts, sans déplacement mécanique. Bien que cette dernière technique soit beaucoup plus rapide que l’imagerie point par point, la qualité des images obtenues n’est pas comparable et ceci à cause de deux verrous. Ainsi, une partie du travail a consisté en l’étude des stratégies d’éclairage pour limiter les effets optiques interférentiels induits par la cohérence de la source. De plus, en déployant des simulations de toute la chaine optique avec le logiciel Zemax, de nombreuses images de qualité permettent d’envisager des applications en imagerie 2D (métrologie, CND) et en imagerie 3D. Ainsi, deux techniques complémentaires de reconstruction tomographique sont expérimentées sur des images obtenues en temps réel ; une technique inspirée de l’imagerie par rayon X et une technique utilisée en microscopie optique 3D qui exploite la profondeur de champ réduite de l’objectif. Enfin, plusieurs études spectroscopiques et métrologiques sont menées afin d’évaluer le comportement des matériaux et la dimension des objets à partir de leurs images THz en 2D ou avec leur reconstruction tomographique 3D. Les travaux effectués constituent les briques de base au déploiement de l’imagerie terahertz vers le domaine applicatif grâce à une qualité d’image incomparable et des acquisitions en temps réels.

We are studying a new kind of embedded real-time mesh network. Mesh networking of the components of embedded systems reconciles their real-time constraints with the new application needs in terms of bandwidth and tight interactions. The plurality of communication paths results in increased flexibility, resilience, scalability and load balancing characteristics. However, this requires the ability to dynamically allocate network resource with respect to the needs of running applications. Our approach is to allow applications to make online real-time flow resource requests and consequently allot network resources according to these requirements. To this end, we have designed the Software-Defined Real-time Networking (SDRN) architecture. It addresses flow isolation, timing analysis, routing, fault tolerance, as well as the interfaces with the application layer and the lower layers of the system. It also allows any module to be replaced without interfering with the remainder of the architecture. It has been validated via an implementation on an in-silicon RapidIO platform. This thesis describes our research on the SDRN architecture. It also proposes an original method for experimenting on embedded networks, ERICA. The ERICA framework automatically generates all what is needed to conduct a network experiment in a selected environment (such as a simulator or a testbed), with both physical and simulated aspects. Hence, it allows the researcher to perform a high-level thinking of the whole experimentation process and to reuse applications and experiment designs from an experimentation stack to another; Dans le cadre d'une thèse CIFRE conjointe entre le Loria et Thales Research & Technology, nous étudions un nouveau type de réseau maillé embarqué temps réel. La mise en réseau maillé des composants des systèmes embarqués concilie les contraintes temps réel des applications avec leurs besoins croissants en termes de bande passante et collaboration. La pluralité des chemins de communication résulte en de meilleures propriétés de flexibilité, résilience, passage à l'échelle et répartition de charge. Cependant, ceci nécessite d'être capable d'allouer dynamiquement les ressources réseau en fonction des besoins des applications. Notre approche consiste à permettre aux applications de faire des requêtes de flux temps réel à l'exécution, puis allouer dynamiquement les ressources correspondant aux besoins en communication. A cette fin, nous avons conçu l'architecture Software-Defined Real-time Networking (SDRN). Elle aborde en même temps les problématiques d'isolation des flux, analyse temporelle, routage, tolérance aux fautes, ainsi que les interfaces avec les couches applicatives et les couches basses du système. Elle est également modulaire, c'est-à-dire que certaines parties de l'architecture peuvent être remplacées sans remettre en cause les autres modules. Enfin, elle a été validée par une implémentation sur plateforme matérielle RapidIO. Ce document restitue les travaux de recherche sur SDRN. Il s'intéresse également à la problématique de l'expérimentation sur les réseaux embarqués et propose une approche originale d'expérimentation, ERICA. Cette approche facilite la mise en place d'expérimentations mêlant aspects réels et simulés. ERICA génère les fichiers nécessaires à la mise en place du scénario défini dans une interface graphique haut niveau. Elle permet ainsi au chercheur d'appliquer une réflexion haut niveau sur ses expérimentations et de réutiliser les couches communes à plusieurs scénarios d'expérimentation

International audience; Data Art is an emerging trend in digital art. Data artists try to go beyond displaying data for purposes of aesthetics and offer a critical representation of the world. Factual data and fictional storytelling can thus give birth to hybrid narrative objects. The use of real time data streams disrupts the story's form and creates a specific system of fiction, a dialogue between the reality of the phenomenon acting as the source of data and the story that can be perceived through the work. From the analysis of Jonathan Flectcher Moore and Fabio Piparo's Artificial Killing Machine arise issues relating to such a mode of storytelling : how collecting and filtering data can be made a part of the story's construction, how the viewer can be included in the narrative, how facts and fiction articulates together and how real time can have effects on the story.; Le Data Art est une tendance émergente de l'art numérique. Les data artists tentent de dépasser la visualisation esthétique des données pour proposer une représentation critique du monde. Données factuelles et récit fictionnel peuvent ainsi donner lieu à des objets narratifs hybrides. L'utilisation de flux de données en temps réel bouleverse la forme du récit et crée un régime de fiction spécifique, fait de va-et-vient entre la réalité du phénomène à la source des données et la fiction qui est donnée à percevoir dans l'oeuvre. L'analyse de l'oeuvre de Jonathan Fletcher Moore et Fabio Piparo Artificial Killing Machine permet d'appréhender les questions que pose une telle mise en récit : comment recueil et filtrage des données participent de la mise en récit, l'inclusion du spectateur dans la narration, l'agencement des faits et de la fiction et les effets de l'utilisation du temps réel dans le récit.

Context: IP Leanware is a growing start-up. Created in 2008, its consolidated sales has quadrupled in 4 years and established two subsidiaries (Brazil and the United States). Since then, its growth has been two digits (2015). It optimizes the performance of industrial companies with software (BrainCube) that identifies overperformance conditions. The thesis, carried out in CIFRE within the R&D service led by Sylvain Rubat du Mérac, is located at the interface of management control, production management and information systems.Aim: BrainCube manages massive descriptive data of its customers' process flows. Its analysis engine identifies overperformance situations and broadcasts them in real time through tactile interfaces. BrainCube couples two flows: informational and physical. The mission is to integrate the economic variable. A literature study shows that simultaneous real-time evaluation of physical, informational and financial flows coupled with continuous improvement of production processes is not realized.Result: A literature review examines the practices and methods of management control to propose a real-time method adapted to the specificities of BrainCube. The case study, based on an engineering-research, proposes a generic modeling methodology of the economic variable. Configurable generic decision models are proposed. They must facilitate the use of real time information with high granularity. The contributions, limits and perspectives highlight the interest of works for the company and the management sciences.; Contexte: La société IP Leanware est une start-up en pleine expansion. Créée en 2008, son C.A. a quadruplé en 4 ans et elle a implantée deux filiales (Brésil et Etats-Unis). Depuis, sa croissance est à deux chiffres (2015). Elle optimise la performance d’entreprises industrielles par un logiciel (BrainCube) qui identifie les conditions de sur-performance. La thèse, réalisée en CIFRE au sein du service R&D dirigé par Sylvain Rubat du Mérac, se situe à l’interface du contrôle de gestion, de la gestion de production et des systèmes d’information.Objectif: BrainCube gère des données descriptives massives des flux des processus de ses clients. Son moteur d’analyse identifie les situations de sur-performance et les diffusent en temps réel par des interfaces tactiles. BrainCube couple deux flux : informationnels et physiques. La mission est d'intégrer la variable économique. Une étude de la littérature montre qu’une évaluation simultanée en temps réel des flux physiques, informationnels et financiers, couplée à une amélioration continue des processus de production, n'est pas réalisée.Résultat:Une revue de la littérature étudie les pratiques et les méthodes du contrôle de gestion pour proposer une méthode temps réel adaptée aux spécificités de BrainCube. L'étude de cas, basée sur une recherche-ingénierique, propose une méthodologie de modélisation générique de la variable économique. Des modèles génériques décisionnels paramétrables sont proposés. Ils doivent faciliter l'usage d'une information temps réel à forte granularité. Les apports, limites et perspectives mettent en relief l'intérêt des travaux pour l'entreprise et les sciences de gestion.

ContextIP Leanware is a growing start-up. Created in 2008, its consolidated sales has quadrupled in 4 years and established two subsidiaries (Brazil and the United States). Since then, its growth has been two digits (2015). It optimizes the performance of industrial companies with software (BrainCube) that identifies overperformance conditions. The thesis, carried out in CIFRE within the R&D service led by Sylvain Rubat du Mérac, is located at the interface of management control, production management and information systems.AimBrainCube manages massive descriptive data of its customers' process flows. Its analysis engine identifies overperformance situations and broadcasts them in real time through tactile interfaces. BrainCube couples two flows: informational and physical. The mission is to integrate the economic variable. A literature study shows that simultaneous real-time evaluation of physical, informational and financial flows coupled with continuous improvement of production processes is not realized.ResultA literature review examines the practices and methods of management control to propose a real-time method adapted to the specificities of BrainCube. The case study, based on an engineering-research, proposes a generic modeling methodology of the economic variable. Configurable generic decision models are proposed. They must facilitate the use of real time information with high granularity. The contributions, limits and perspectives highlight the interest of works for the company and the management sciences., ContexteLa société IP Leanware est une start-up en pleine expansion. Créée en 2008, son C.A. a quadruplé en 4 ans et elle a implantée deux filiales (Brésil et Etats-Unis). Depuis, sa croissance est à deux chiffres (2015). Elle optimise la performance d’entreprises industrielles par un logiciel (BrainCube) qui identifie les conditions de sur-performance. La thèse, réalisée en CIFRE au sein du service R&D dirigé par Sylvain Rubat du Mérac, se situe à l’interface du contrôle de gestion, de la gestion de production et des systèmes d’information.ObjectifBrainCube gère des données descriptives massives des flux des processus de ses clients. Son moteur d’analyse identifie les situations de sur-performance et les diffusent en temps réel par des interfaces tactiles. BrainCube couple deux flux : informationnels et physiques. La mission est d'intégrer la variable économique. Une étude de la littérature montre qu’une évaluation simultanée en temps réel des flux physiques, informationnels et financiers, couplée à une amélioration continue des processus de production, n'est pas réalisée.RésultatUne revue de la littérature étudie les pratiques et les méthodes du contrôle de gestion pour proposer une méthode temps réel adaptée aux spécificités de BrainCube. L'étude de cas, basée sur une recherche-ingénierique, propose une méthodologie de modélisation générique de la variable économique. Des modèles génériques décisionnels paramétrables sont proposés. Ils doivent faciliter l'usage d'une information temps réel à forte granularité. Les apports, limites et perspectives mettent en relief l'intérêt des travaux pour l'entreprise et les sciences de gestion.

Context: IP Leanware is a growing start-up. Created in 2008, its consolidated sales has quadrupled in 4 years and established two subsidiaries (Brazil and the United States). Since then, its growth has been two digits (2015). It optimizes the performance of industrial companies with software (BrainCube) that identifies overperformance conditions. The thesis, carried out in CIFRE within the R&D service led by Sylvain Rubat du Mérac, is located at the interface of management control, production management and information systems.Aim: BrainCube manages massive descriptive data of its customers' process flows. Its analysis engine identifies overperformance situations and broadcasts them in real time through tactile interfaces. BrainCube couples two flows: informational and physical. The mission is to integrate the economic variable. A literature study shows that simultaneous real-time evaluation of physical, informational and financial flows coupled with continuous improvement of production processes is not realized.Result: A literature review examines the practices and methods of management control to propose a real-time method adapted to the specificities of BrainCube. The case study, based on an engineering-research, proposes a generic modeling methodology of the economic variable. Configurable generic decision models are proposed. They must facilitate the use of real time information with high granularity. The contributions, limits and perspectives highlight the interest of works for the company and the management sciences., Contexte: La société IP Leanware est une start-up en pleine expansion. Créée en 2008, son C.A. a quadruplé en 4 ans et elle a implantée deux filiales (Brésil et Etats-Unis). Depuis, sa croissance est à deux chiffres (2015). Elle optimise la performance d’entreprises industrielles par un logiciel (BrainCube) qui identifie les conditions de sur-performance. La thèse, réalisée en CIFRE au sein du service R&D dirigé par Sylvain Rubat du Mérac, se situe à l’interface du contrôle de gestion, de la gestion de production et des systèmes d’information.Objectif: BrainCube gère des données descriptives massives des flux des processus de ses clients. Son moteur d’analyse identifie les situations de sur-performance et les diffusent en temps réel par des interfaces tactiles. BrainCube couple deux flux : informationnels et physiques. La mission est d'intégrer la variable économique. Une étude de la littérature montre qu’une évaluation simultanée en temps réel des flux physiques, informationnels et financiers, couplée à une amélioration continue des processus de production, n'est pas réalisée.Résultat:Une revue de la littérature étudie les pratiques et les méthodes du contrôle de gestion pour proposer une méthode temps réel adaptée aux spécificités de BrainCube. L'étude de cas, basée sur une recherche-ingénierique, propose une méthodologie de modélisation générique de la variable économique. Des modèles génériques décisionnels paramétrables sont proposés. Ils doivent faciliter l'usage d'une information temps réel à forte granularité. Les apports, limites et perspectives mettent en relief l'intérêt des travaux pour l'entreprise et les sciences de gestion.

Our daily use of the Internet and related technologies generates, at a rapid and variable speeds, large volumes of heterogeneous data issued from sensor networks, search engine logs, multimedia content sites, weather forecasting, geolocation, Internet of Things (IoT) applications, etc. Processing such data in conventional databases (Relational Database Management Systems) may be very expensive in terms of time and memory storage resources. To effectively respond to the needs of rapid decision-making, these streams require real-time processing. Data Stream Management Systems (SGFDs) evaluate queries on the recent data of a stream within structures called windows. The input data are different formats such as CSV, XML, RSS, or JSON. This heterogeneity lock comes from the nature of the data streams and must be resolved. For this, several research groups have benefited from the advantages of semantic web technologies (RDF and SPARQL) by proposing RDF data streams processing systems called RSPs. However, large volumes of RDF data, high input streams, concurrent queries, combination of RDF streams and large volumes of stored RDF data and expensive processing drastically reduce the performance of these systems. A new approach is required to considerably reduce the processing load of RDF data streams. In this thesis, we propose several complementary solutions to reduce the processing load in centralized environment. An on-the-fly RDF graphs streams sampling approach is proposed to reduce data and processing load while preserving semantic links. This approach is deepened by adopting a graph-oriented summary approach to extract the most relevant information from RDF graphs by using centrality measures issued from the Social Networks Analysis. We also adopt a compressed format of RDF data and propose an approach for querying compressed RDF data without decompression phase. To ensure parallel and distributed data streams management, the presented work also proposes two solutions for reducing the processing load in distributed environment. An engine and parallel processing approaches and distributed RDF graphs streams. Finally, an optimized processing approach for static and dynamic data combination operations is also integrated into a new distributed RDF graphs streams management system., Notre utilisation quotidienne de l’Internet et des technologies connexes génère, de manière continue et à des vitesses rapides et variables, de grandes quantités de données hétérogènes issues des réseaux de capteurs, des logs de moteurs de recherches génériques ou spécialisés, des données de sites de contenu multimédia, des données de mesure de stations météorologiques, de la géolocalisation, des applications IoT (l’Internet des objets), etc. Traiter de telles données dans les bases de données conventionnelles (Systèmes de Gestion de Bases de Données Relationnelles) peut être très coûteux en ressources temporelles et mémoires. Pour répondre efficacement aux besoins et aider à la prise de décision, ces flots d’informations nécessitent des traitements en temps réel. Les Systèmes de Gestion de Flux de Données (SGFDs) posent et évaluent des requêtes sur les données récentes d’un flux dans des structures appelées fenêtre. Les données en entrée des SGFDs sont de différents formats bruts tels que CSV, XML, RSS, ou encore JSON. Ce verrou d’hétérogénéité émane de la nature des flux de données et doit être levé. Pour cela, plusieurs groupes de recherche ont bénéficié des avantages des technologies du web sémantique (RDF et SPARQL) en proposant des systèmes de traitement de flux de données RDF appelés RSPs. Cependant, la volumétrie des données, le débit d’entrée élevé, les requêtes concurrentes, le croisement des flux RDF à de larges volumes de données stockées et les calculs coûteux baissent considérablement les performances de ces systèmes. Il faut prévoir une nouvelle approche de réduction de la charge de traitement des flux de données RDF. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs solutions pour réduire la charge de traitement de flux de données en mode centralisé. Une approche d’échantillonnage à la volée de flux de graphes RDF est proposée afin de réduire la charge de données et du traitement des flux tout en préservant les liens sémantiques. Cette approche est approfondie en adoptant une méthode de résumé orienté graphe pour extraire des graphes RDF les informations les plus pertinentes en utilisant des mesures de centralité issues de l’Analyse des Réseaux Sociaux. Nous adoptons également un format compressé des données RDF et proposons une approche d’interrogation de données RDF compressées sans phase de décompression. Pour assurer une gestion parallèle et distribuée des flux de données, le travail présenté propose deux solutions supplémentaires de réduction de la charge de traitement en mode distribué : un moteur de traitement parallèle et distribué de flux de graphes RDF et une approche de traitement optimisé des opérations de croisement entre données statiques et dynamiques sont présentés.

Hallucination is a transient subjective experience perceived as real, but occurring in the absence of an appropriate stimulation coming from the external environment. Hallucinatory events, which can occur across every sensory modality, are observed in various neurological and psychiatric disorders but also among “non-clinical” populations. The most frequent disorder associated with hallucinations in the field of psychiatry is schizophrenia. Auditory-verbal experiences are particularly frequent, with a lifetime-prevalence of 60 to 80% in patients suffering from schizophrenia. Hallucinations may cause long-term disability and poorer quality of life.In this context, the management of auditory-verbal hallucinations in patients with schizophrenia constitutes a major challenge. However, despite the increasing sophistication of biological and psychosocial research methods in the field, no significant therapeutic breakthrough has occurred in the last decade and a consensus exists that a significant proportion of patients with schizophrenia (i.e., around 25 %), exhibit drug-resistant auditory-verbal hallucinations. Non-pharmacological treatments, such as repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) or transcranial direct current stimulation (tDCS) have been proposed as an option for addressing the unmet medical needs described above. However, these neuromodulation techniques show a moderate effect in alleviating drug-resistant auditory-verbal hallucinations and the development of innovative therapeutic strategies remains a major challenge.In recent years, the number of brain imaging studies in the field of auditory-verbal hallucinations has grown substantially, leading to a better pathophysiological understanding of this subjective phenomenon. Recent progress in deciphering the neural underpinnings of AVHs has strengthened transdiagnostic neurocognitive models that characterize auditory-verbal hallucinations, but more specifically these findings built the bases for new therapeutic strategies. In this regards the development of auditory hallucinations “capture" brain-imaging studies (i.e. the identification of functional patterns associated with the occurrence of auditory hallucinations), was the main topic of this thesis.The first part of this work is devoted to the automatized detection of auditory-verbal hallucinations using functional MRI (fMRI). The identification of hallucinatory periods occurring during a fMRI session is now possible using a semi-automatized procedure based on an independent component analysis applied to resting fMRI data combined with a post-fMRI interview (i.e. the patient is asked to report auditory-verbal hallucinations immediately after acquisition). This “two-steps method” allows for the identification of hallucination periods (ON) and non-hallucination ones (OFF). However, the time-consuming nature of this a posteriori labelling procedure considerably limits its use. In these regards, we show how machine-learning, especially support vector machine (SVM), allows the automation of hallucinations capture. We present new results of accurate and generalizable classifiers which could be used in real-time because of their low computational-cost. We also highlight that algorithms able to identify the "pre-hallucinatory" period exhibit significant performances. Finally, we propose the use of an alternative learning-machine strategy, based on TV-Elastic-net, which achieves slightly better performances and more interpretable discriminative maps than SVM [...]; L’hallucination est une expérience subjective vécue en pleine conscience consistant en une perception impossible à distinguer d’une perception réelle, mais survenant en l’absence de tout stimulus en provenance de l’environnement externe. Les symptômes hallucinatoires, qui peuvent concerner toutes les modalités sensorielles, sont retrouvés dans divers troubles neurologiques et psychiatriques mais également chez certains sujets indemnes de toute pathologie. Dans le champ de la psychiatrie, la pathologie la plus fréquemment associée aux hallucinations reste la schizophrénie et la modalité auditive est la plus représentée, puisque 60 à 80% des patients souffrant de ce trouble sont concernés. Le retentissement fonctionnel des hallucinations auditives peut être important, altérant significativement la qualité de vie des patients.Dans ce contexte, la prise en charge de ce type de symptômes s’avère un enjeu considérable pour les personnes souffrant de schizophrénie. Pourtant, les moyens thérapeutiques actuellement disponibles (traitements médicamenteux antipsychotiques notamment) ne permettent pas toujours une rémission complète de la symptomatologie hallucinatoire et l’on considère que 25 à 30% des hallucinations auditives sont « pharmaco-résistantes ». C’est à partir de ce constat que, ces dernières années, ont émergé, pour le traitement des hallucinations auditives, des techniques de neuromodulation comme la stimulation magnétique transcrânienne répétée ou la stimulation électrique transcrânienne par courant continu. Toutefois, les résultats de ces nouvelles thérapies sur les hallucinations auditives résistantes restent modérés et le développement de stratégies alternatives demeure un enjeu de recherche majeur.Actuellement, les travaux en imagerie fonctionnelle permettent d'affiner les modèles physiopathologiques des hallucinations auditives, mais leur intérêt pourrait aller au-delà de la recherche fondamentale, avec possiblement des applications cliniques telles que l'assistance thérapeutique. Ce travail de thèse s’inscrit précisément dans le développement de l’imagerie cérébrale de « capture » des hallucinations auditives, c’est-à-dire l’identification des patterns d’activation fonctionnels associés à la survenue des hallucinations auditives.La première partie de ce travail est consacrée à la détection automatisée des hallucinations auditives en IRM fonctionnelle. L’identification des périodes hallucinatoires survenues au cours d’une session d’IRM fonctionnelle est actuellement possible par une méthode de capture semi-automatisée validée. Celle-ci permet une labellisation des données acquises au cours d’une session de repos en périodes « hallucinatoires » et « non-hallucinatoires ». Toutefois, le caractère long et fastidieux de cette méthode limite largement son emploi. Nous avons donc souhaité montrer comment les stratégies d’apprentissage machine (support vector machine ou SVM, notamment) permettent l’automatisation de cette technique par le développement de classificateurs performants, généralisables et associés à un faible coût de calcul (indispensable en vue d’une utilisation en temps réel). Nous proposons également le développement d’algorithmes de reconnaissance de la période « pré-hallucinatoire », en mettant en évidence que ce type de classificateur présente aussi des performances largement significatives. Enfin, nous avons pu montrer que l’utilisation de stratégies d’apprentissage-machine alternatives au SVM (e.g, le TV-Elastic-net), obtient des performances significativement supérieures au SVM [...]

Hallucination is a transient subjective experience perceived as real, but occurring in the absence of an appropriate stimulation coming from the external environment. Hallucinatory events, which can occur across every sensory modality, are observed in various neurological and psychiatric disorders but also among “non-clinical” populations. The most frequent disorder associated with hallucinations in the field of psychiatry is schizophrenia. Auditory-verbal experiences are particularly frequent, with a lifetime-prevalence of 60 to 80% in patients suffering from schizophrenia. Hallucinations may cause long-term disability and poorer quality of life.In this context, the management of auditory-verbal hallucinations in patients with schizophrenia constitutes a major challenge. However, despite the increasing sophistication of biological and psychosocial research methods in the field, no significant therapeutic breakthrough has occurred in the last decade and a consensus exists that a significant proportion of patients with schizophrenia (i.e., around 25 %), exhibit drug-resistant auditory-verbal hallucinations. Non-pharmacological treatments, such as repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) or transcranial direct current stimulation (tDCS) have been proposed as an option for addressing the unmet medical needs described above. However, these neuromodulation techniques show a moderate effect in alleviating drug-resistant auditory-verbal hallucinations and the development of innovative therapeutic strategies remains a major challenge.In recent years, the number of brain imaging studies in the field of auditory-verbal hallucinations has grown substantially, leading to a better pathophysiological understanding of this subjective phenomenon. Recent progress in deciphering the neural underpinnings of AVHs has strengthened transdiagnostic neurocognitive models that characterize auditory-verbal hallucinations, but more specifically these findings built the bases for new therapeutic strategies. In this regards the development of auditory hallucinations “capture" brain-imaging studies (i.e. the identification of functional patterns associated with the occurrence of auditory hallucinations), was the main topic of this thesis.The first part of this work is devoted to the automatized detection of auditory-verbal hallucinations using functional MRI (fMRI). The identification of hallucinatory periods occurring during a fMRI session is now possible using a semi-automatized procedure based on an independent component analysis applied to resting fMRI data combined with a post-fMRI interview (i.e. the patient is asked to report auditory-verbal hallucinations immediately after acquisition). This “two-steps method” allows for the identification of hallucination periods (ON) and non-hallucination ones (OFF). However, the time-consuming nature of this a posteriori labelling procedure considerably limits its use. In these regards, we show how machine-learning, especially support vector machine (SVM), allows the automation of hallucinations capture. We present new results of accurate and generalizable classifiers which could be used in real-time because of their low computational-cost. We also highlight that algorithms able to identify the "pre-hallucinatory" period exhibit significant performances. Finally, we propose the use of an alternative learning-machine strategy, based on TV-Elastic-net, which achieves slightly better performances and more interpretable discriminative maps than SVM [...]; L’hallucination est une expérience subjective vécue en pleine conscience consistant en une perception impossible à distinguer d’une perception réelle, mais survenant en l’absence de tout stimulus en provenance de l’environnement externe. Les symptômes hallucinatoires, qui peuvent concerner toutes les modalités sensorielles, sont retrouvés dans divers troubles neurologiques et psychiatriques mais également chez certains sujets indemnes de toute pathologie. Dans le champ de la psychiatrie, la pathologie la plus fréquemment associée aux hallucinations reste la schizophrénie et la modalité auditive est la plus représentée, puisque 60 à 80% des patients souffrant de ce trouble sont concernés. Le retentissement fonctionnel des hallucinations auditives peut être important, altérant significativement la qualité de vie des patients.Dans ce contexte, la prise en charge de ce type de symptômes s’avère un enjeu considérable pour les personnes souffrant de schizophrénie. Pourtant, les moyens thérapeutiques actuellement disponibles (traitements médicamenteux antipsychotiques notamment) ne permettent pas toujours une rémission complète de la symptomatologie hallucinatoire et l’on considère que 25 à 30% des hallucinations auditives sont « pharmaco-résistantes ». C’est à partir de ce constat que, ces dernières années, ont émergé, pour le traitement des hallucinations auditives, des techniques de neuromodulation comme la stimulation magnétique transcrânienne répétée ou la stimulation électrique transcrânienne par courant continu. Toutefois, les résultats de ces nouvelles thérapies sur les hallucinations auditives résistantes restent modérés et le développement de stratégies alternatives demeure un enjeu de recherche majeur.Actuellement, les travaux en imagerie fonctionnelle permettent d'affiner les modèles physiopathologiques des hallucinations auditives, mais leur intérêt pourrait aller au-delà de la recherche fondamentale, avec possiblement des applications cliniques telles que l'assistance thérapeutique. Ce travail de thèse s’inscrit précisément dans le développement de l’imagerie cérébrale de « capture » des hallucinations auditives, c’est-à-dire l’identification des patterns d’activation fonctionnels associés à la survenue des hallucinations auditives.La première partie de ce travail est consacrée à la détection automatisée des hallucinations auditives en IRM fonctionnelle. L’identification des périodes hallucinatoires survenues au cours d’une session d’IRM fonctionnelle est actuellement possible par une méthode de capture semi-automatisée validée. Celle-ci permet une labellisation des données acquises au cours d’une session de repos en périodes « hallucinatoires » et « non-hallucinatoires ». Toutefois, le caractère long et fastidieux de cette méthode limite largement son emploi. Nous avons donc souhaité montrer comment les stratégies d’apprentissage machine (support vector machine ou SVM, notamment) permettent l’automatisation de cette technique par le développement de classificateurs performants, généralisables et associés à un faible coût de calcul (indispensable en vue d’une utilisation en temps réel). Nous proposons également le développement d’algorithmes de reconnaissance de la période « pré-hallucinatoire », en mettant en évidence que ce type de classificateur présente aussi des performances largement significatives. Enfin, nous avons pu montrer que l’utilisation de stratégies d’apprentissage-machine alternatives au SVM (e.g, le TV-Elastic-net), obtient des performances significativement supérieures au SVM [...]

In the recent years, the civilian UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) have become an interesting tool in aerial photography and in photogrammetry. This led the LOEMI (Laboratoire d'Opto-électronique, de Métrologie et d'Instrumentation) team of IGN (Institut National de l'Information Géographique) to design an light-weight digital camera better adapted for exploiting photogrammetry and metrology applications than consumer cameras. This camera consists essentially of a CMOS ``global shutter'' sensor, an inertial measurement unit IMU, and a system on chip (FPGA + 2 CPUs) used originally to acquire image data from the sensor. This SoC/FPGA-based camera opens the door to implement in hardware some real-time image processing algorithms. Night-time surveys and narrow spectral band with imagery are one of the next applications targeted by IGN, this type of applications needs a long-exposure time imagery that usually exhibits a motion blur due to erratic movements of the UAV. This thesis consists in the implementation on the light-weight IGN camera of an alogirithm which makes it possible to remedy this problem of motion blur. The first part of this work was devoted to the development of the method which consists in acquiring several images with a short exposure time and then using an image processing algorithm in order to generate a stacked image with the equivalent of a long-exposure time. To obtain the correct parameters for the resampling of images, the presented method accurately estimates the geometrical relation between the first and the nth image, taking into account the internal parameters and thedistortion of the camera. Features are detected in the first image by the FAST detector, than homologous points on other images are obtained by template matching aided by the IMU sensors. In order to speed up the processing of our algorithm, some phases are accelerated by implementing them in the hardware (SoC / FPGA).The results obtained on real surveys show that the final stacked image does not present a motion blur. The time results of the different phases of the algorithm also show that the execution of the algorithm has a quasi-zero time. One of the interesting byproducts of this work is the recalibration of the IMU sensors, Au cours des dernières années, les drones civils sont devenus un outil intéressant dans la photographie aérienne et dans les travaux de photogrammétrie. Cela a poussé le LOEMI (Laboratoire d’Opto-Electronique, Métrologie et Instrumentation) de l'IGN (Institut National de l'Information Géographique et Forestière) de mettre au point une nouvelle caméra aérienne mieux adaptée pour l'exploitation photogrammétrique et métrologiques des images que les caméras grand public. Cette caméra est composée essentiellement d'un capteur CMOS ``global-shutter'', d'une centrale inertielle IMU, et d'un système sur puce (FPGA + 2 CPUs) pour la gestion de l'acquisition des images. Ce SoC/FPGA ouvre la porte à l'implémentation temps-réel des algorithmes de traitement d'image. Parmi les travaux futurs de l'IGN, on peut distinguer certaines applications qui nécessitent l'acquisition des images aériennes avec un temps d'exposition long, comme par exemple les prises de vue aériennes en bande spectrale étroite et les prises de vue aériennes de nuit. Ce type de prises de vue manifeste un flou de bougé dans les images dû aux mouvements erratiques du drone. Cette thèse consiste en l'implémentation dans la caméra légère de l'IGN d'un algorithme qui permet de remédier ce problème de flou de bougé. La première partie de ce travail a été consacrée au développement de la méthode qui consiste à acquérir plusieurs images avec un temps de pose court, puis utiliser un algorithme de traitement d'image afin de générer une image empilée finale avec l'équivalent d'un temps de pose long. Les paramètres des orientations correctes pour le ré-échantillonnage des images sont obtenus par l'estimation de la transformation géométrique entre la première image et la nième image à partir des points d'intérêts détectés par FAST dans la première image et les points homologues obtenus par corrélation dans les autres images accélérées par les capteurs inertiels intégrés à la caméra. Afin d'accélérer le traitement de calcul de notre algorithme, certaines phases sont accélérées en les implémentant dans le matériel (SoC/FPGA).Les résultats obtenus sur des jeux de tests acquis avec un drone type Copter 1B UAV et la caméra ultra-légère de l'IGN montrent que l'image finale empilée ne présente pas un flou de bougé. Les résultats de temps des différentes phases de l'algorithme montrent aussi que l'exécution de notre algorithme a un temps quasi-nulle. Un des sous-produits intéressants de ces travaux est la ré-étalonnage des capteurs IMU

In the recent years, the civilian UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) have become an interesting tool in aerial photography and in photogrammetry. This led the LOEMI (Laboratoire d'Opto-électronique, de Métrologie et d'Instrumentation) team of IGN (Institut National de l'Information Géographique) to design an light-weight digital camera better adapted for exploiting photogrammetry and metrology applications than consumer cameras. This camera consists essentially of a CMOS ``global shutter'' sensor, an inertial measurement unit IMU, and a system on chip (FPGA + 2 CPUs) used originally to acquire image data from the sensor. This SoC/FPGA-based camera opens the door to implement in hardware some real-time image processing algorithms. Night-time surveys and narrow spectral band with imagery are one of the next applications targeted by IGN, this type of applications needs a long-exposure time imagery that usually exhibits a motion blur due to erratic movements of the UAV. This thesis consists in the implementation on the light-weight IGN camera of an alogirithm which makes it possible to remedy this problem of motion blur. The first part of this work was devoted to the development of the method which consists in acquiring several images with a short exposure time and then using an image processing algorithm in order to generate a stacked image with the equivalent of a long-exposure time. To obtain the correct parameters for the resampling of images, the presented method accurately estimates the geometrical relation between the first and the nth image, taking into account the internal parameters and thedistortion of the camera. Features are detected in the first image by the FAST detector, than homologous points on other images are obtained by template matching aided by the IMU sensors. In order to speed up the processing of our algorithm, some phases are accelerated by implementing them in the hardware (SoC / FPGA).The results obtained on real surveys show that the final stacked image does not present a motion blur. The time results of the different phases of the algorithm also show that the execution of the algorithm has a quasi-zero time. One of the interesting byproducts of this work is the recalibration of the IMU sensors, Au cours des dernières années, les drones civils sont devenus un outil intéressant dans la photographie aérienne et dans les travaux de photogrammétrie. Cela a poussé le LOEMI (Laboratoire d’Opto-Electronique, Métrologie et Instrumentation) de l'IGN (Institut National de l'Information Géographique et Forestière) de mettre au point une nouvelle caméra aérienne mieux adaptée pour l'exploitation photogrammétrique et métrologiques des images que les caméras grand public. Cette caméra est composée essentiellement d'un capteur CMOS ``global-shutter'', d'une centrale inertielle IMU, et d'un système sur puce (FPGA + 2 CPUs) pour la gestion de l'acquisition des images. Ce SoC/FPGA ouvre la porte à l'implémentation temps-réel des algorithmes de traitement d'image. Parmi les travaux futurs de l'IGN, on peut distinguer certaines applications qui nécessitent l'acquisition des images aériennes avec un temps d'exposition long, comme par exemple les prises de vue aériennes en bande spectrale étroite et les prises de vue aériennes de nuit. Ce type de prises de vue manifeste un flou de bougé dans les images dû aux mouvements erratiques du drone. Cette thèse consiste en l'implémentation dans la caméra légère de l'IGN d'un algorithme qui permet de remédier ce problème de flou de bougé. La première partie de ce travail a été consacrée au développement de la méthode qui consiste à acquérir plusieurs images avec un temps de pose court, puis utiliser un algorithme de traitement d'image afin de générer une image empilée finale avec l'équivalent d'un temps de pose long. Les paramètres des orientations correctes pour le ré-échantillonnage des images sont obtenus par l'estimation de la transformation géométrique entre la première image et la nième image à partir des points d'intérêts détectés par FAST dans la première image et les points homologues obtenus par corrélation dans les autres images accélérées par les capteurs inertiels intégrés à la caméra. Afin d'accélérer le traitement de calcul de notre algorithme, certaines phases sont accélérées en les implémentant dans le matériel (SoC/FPGA).Les résultats obtenus sur des jeux de tests acquis avec un drone type Copter 1B UAV et la caméra ultra-légère de l'IGN montrent que l'image finale empilée ne présente pas un flou de bougé. Les résultats de temps des différentes phases de l'algorithme montrent aussi que l'exécution de notre algorithme a un temps quasi-nulle. Un des sous-produits intéressants de ces travaux est la ré-étalonnage des capteurs IMU

Dans les systèmes informatiques temps réel, les tâches logicielles sont contraintes par le temps. Pour garantir la sûreté du système critique controlé par le système temps réel, il est primordial d'estimer de manière sûre le pire temps d'exécution de chaque tâche. Les performances des processeurs actuels du commerce permettent de réduire en moyenne le temps d'exécution des tâches, mais la complexité des composants d'optimisation de la plateforme rendent difficile l'estimation du pire temps d'exécution. Il existe différentes approches d'estimation du pire temps d'exécution, souvent ségréguées et difficilement généralisables ou au prix de modèles coûteux. Les approches probabilistes basées mesures existantes sont vues comme étant rapides et simples à mettre en œuvre, mais souffrent d'un manque de systématisme et de confiance dans les estimations qu'elles fournissent. Les travaux de cette thèse étudient les conditions d'application de la théorie des valeurs extrêmes à une suite de mesures de temps d'exécution pour l'estimation du pire temps d'exécution probabiliste, et ont été implémentées dans l'outil diagxtrm. Les capacités et les limites de l'outil ont été étudiées grâce à diverses suites de mesures issues de systèmes temps réel différents. Enfin, des méthodes sont proposées pour déterminer les conditions de mesure propices à l'application de la théorie des valeurs extrêmes et donner davantage de confiance dans les estimations. Software tasks are time constrained in real time computing systems. To ensure the safety of the critical systems that embeds the real time system, it is of paramount importance to safely estimate the worst-case execution time of each task. Modern commercial processors optimisation components enable to reduce in average the task execution time at the cost of a hard to determine task worst-case execution time. Many approaches for executing a task worst-case execution time exist but are usually segregated and hardly scalable, or by building very complex models. Measurement-based probabilistic timing analysis approaches are said to be easy and fast, but they suffer from a lack of systematism and confidence in their estimates. This thesis studies the applicability of the extreme value theory to a sequence of execution time measurements for the estimation of the probabilistic worst-case execution time, leading to the development of the diagxtrm tool. Thanks to a large panel of sequences of measurements from different real time systems, capabilities and limits of the tool are enlightened. Finally, a couple of methods are provided for determining measurements conditions that foster the application of the theory and raise more confidence in the estimates.

In the industry domain, applications such as quality control, automation of complex tasks or maintenance support with Augmented Reality (AR) could greatly benefit from visual tracking of 3D objects. However, this technology is under-exploited due to the difficulty of providing deployment easiness, localization quality and genericity simultaneously. Most existing solutions indeed involve a complex or an expensive deployment of motion capture sensors, or require human supervision to simplify the 3D model. And finally, most tracking solutions are restricted to textured or polyhedral objects to achieved an accurate camera pose estimation.Tracking any object is a challenging task due to the large variety of object forms and appearances. Industrial objects may indeed have sharp edges, or occluding contours that correspond to non-static and view-point dependent edges. They may also be textured or textureless. Moreover, some applications require to take large amplitude motions as well as object occlusions into account, tasks that are not always dealt with common model-based tracking methods. These approaches indeed exploit 3D features extracted from a model, that are matched with 2D features in the image of a video-stream. However the accuracy and robustness of the camera localization depend on the visibility of the object as well as on the motion of the camera. To better constrain the localization when the object is static, recent solutions rely on environment features that are reconstructed online, in addition to the model ones. These approaches combine SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) and model-based tracking solutions by using constraints from the 3D model of the object of interest. Constraining SLAM algorithms with a 3D model results in a drift free localization. However, such approaches are not generic since they are only adapted for textured or polyhedral objects. Furthermore, using the 3D model to constrain the optimization process may generate high memory consumption,and limit the optimization to a temporal window of few cameras. In this thesis, we propose a solution that fulfills the requirements concerning deployment easiness, localization quality and genericity. This solution, based on a visual key-frame-based constrained SLAM, only exploits an RGB camera and a geometric CAD model of the static object of interest. An RGB camera is indeed preferred over an RGBD sensor, since the latter imposes limits on the volume, the reflectiveness or the absorptiveness of the object, and the lighting conditions. A geometric CAD model is also preferred over a textured model since textures may hardly be considered as stable in time (deterioration, marks,...) and may vary for one manufactured object. Furthermore, textured CAD models are currently not widely spread. Contrarily to previous methods, the presented approach deals with polyhedral and curved objects by extracting dynamically 3D contour points from a model rendered on GPU. This extraction is integrated as a structure constraint into the constrained bundle adjustment of a SLAM algorithm. Moreover we propose different formalisms of this constraint to reduce the memory consumption of the optimization process. These formalisms correspond to hybrid structure/trajectory constraints, that uses output camera poses of a model-based tracker. These formalisms take into account the structure information given by the 3D model while relying on the formalism of trajectory constraints. The proposed solution is real-time, accurate and robust to occlusion or sudden motion. It has been evaluated on synthetic and real sequences of different kind of objects. The results show that the accuracy achieved on the camera trajectory is sufficient to ensure a solution perfectly adapted for high-quality Augmented Reality experiences for the industry.; Un besoin applicatif existe en terme de localisation 3D d’objets par vision. Cette technologie devient en effet de plus en plus populaire dans le milieu industriel où elle peut être utile lors de contrôle qualité, de robotisation de tâches ou encore d’aide à la maintenance par Réalité Augmentée. Néanmoins, le déploiement de telles applications est actuellement limité en raison de la difficulté à allier qualité de localisation, facilité de mise en oeuvre et généricité de la solution. En effet, la majorité des solutions implique : soit des étapes de mise en oeuvre complexes comme avec l’installation de capteurs de mouvement ou une préparation supervisée du modèle CAO; soit un manque de précision de la localisation dans le cadre de certaines applications nécessitant de prendre en compte des mouvements de fortes amplitudes de la caméra (provoquant du flou de bouger et des tremblements dans le flux vidéo) ainsi que des occultations partielles ou totales de l’objet ; soit enfin une restriction sur la nature de l’objet, celui-ci devant être texturé, de petite taille ou encore polyédrique pour avoir une bonne localisation. La plupart des solutions de localisation existantes correspondent à des approches de suivi basé modèle. Cette méthode consiste à estimer la pose relative entre la caméra et l’objet d’intérêt par mises en correspondance de primitives 3D extraites du modèle avec des primitives 2D extraites d’images d’un flux vidéo. Pour autant, cette approche atteint ses limites lorsque l’objet est difficilement observable dans l’image.Afin d’améliorer la localisation lorsque l’application concerne un objet fixe, de récentes solutions se sont appuyées en complément des primitives du modèle, sur des primitives de l’environnement reconstruites au cours du processus de localisation. Ces approches combinent algorithmes de SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) et de suivi d’objet basé contours en utilisant les informations du modèle comme contrainte dans le processus d’optimisation du SLAM. Pour cela, un terme d’erreur est ajouté à la fonction de coût classique.Celui-ci mesure l’erreur de re-projection entre des primitives 3D issues des arêtes franches du modèle et les points de contour 2D dans l’image qui leur sont associés. L’ajout de cette contrainte permet d’exprimer la localisation du SLAM dans le repère de l’objet d’intérêt tout en réduisant sa dérive. Les solutions de SLAM contraint au modèle n’exploitant cependant que les contours francs du modèle, ne sont pas génériques et ne permettent de localiser que des objets polyédriques. De plus, l’ajout de cette contrainte entraîne une forte augmentation de la consommation mémoire, les images de contours nécessaires à l’étape de mise en correspondance devant être conservées.Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse visent à fournir une solution répondant simultanément à l’ensemble des besoins concernant la facilité de déploiement, la qualité de localisation et la généricité sur la nature des objets suivis. Aussi, notre solution basée sur un algorithme de SLAM visuel contraint basé images clés, se restreint-elle au seul usage d’une caméra couleur, les caméras RGBD impliquant généralement une limite sur le volume, la nature réflective ou absorbante de l’objet, et sur la luminosité de son environnement. Cette étude est en outre restreinte à la seule exploitation de modèles 3D géométrique non texturés, les textures pouvant difficilement être considérées comme stables dans le temps (usure, taches...) et pouvant varier pour un même objet manufacturé. De plus, les modèles à base de nuages de descripteurs locaux ou les modèles surfaciques texturés sont actuellement des données peu disponibles dans l’industrie. Enfin, nous faisons le choix d’estimer la pose de la caméra de manière géométrique et non par apprentissage. Le suivi d’objets à l’aide d’apprentissage automatique est en effet encore difficilement exploitable en milieu industriel. (...)

In the industry domain, applications such as quality control, automation of complex tasks or maintenance support with Augmented Reality (AR) could greatly benefit from visual tracking of 3D objects. However, this technology is under-exploited due to the difficulty of providing deployment easiness, localization quality and genericity simultaneously. Most existing solutions indeed involve a complex or an expensive deployment of motion capture sensors, or require human supervision to simplify the 3D model. And finally, most tracking solutions are restricted to textured or polyhedral objects to achieved an accurate camera pose estimation.Tracking any object is a challenging task due to the large variety of object forms and appearances. Industrial objects may indeed have sharp edges, or occluding contours that correspond to non-static and view-point dependent edges. They may also be textured or textureless. Moreover, some applications require to take large amplitude motions as well as object occlusions into account, tasks that are not always dealt with common model-based tracking methods. These approaches indeed exploit 3D features extracted from a model, that are matched with 2D features in the image of a video-stream. However the accuracy and robustness of the camera localization depend on the visibility of the object as well as on the motion of the camera. To better constrain the localization when the object is static, recent solutions rely on environment features that are reconstructed online, in addition to the model ones. These approaches combine SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) and model-based tracking solutions by using constraints from the 3D model of the object of interest. Constraining SLAM algorithms with a 3D model results in a drift free localization. However, such approaches are not generic since they are only adapted for textured or polyhedral objects. Furthermore, using the 3D model to constrain the optimization process may generate high memory consumption,and limit the optimization to a temporal window of few cameras. In this thesis, we propose a solution that fulfills the requirements concerning deployment easiness, localization quality and genericity. This solution, based on a visual key-frame-based constrained SLAM, only exploits an RGB camera and a geometric CAD model of the static object of interest. An RGB camera is indeed preferred over an RGBD sensor, since the latter imposes limits on the volume, the reflectiveness or the absorptiveness of the object, and the lighting conditions. A geometric CAD model is also preferred over a textured model since textures may hardly be considered as stable in time (deterioration, marks,...) and may vary for one manufactured object. Furthermore, textured CAD models are currently not widely spread. Contrarily to previous methods, the presented approach deals with polyhedral and curved objects by extracting dynamically 3D contour points from a model rendered on GPU. This extraction is integrated as a structure constraint into the constrained bundle adjustment of a SLAM algorithm. Moreover we propose different formalisms of this constraint to reduce the memory consumption of the optimization process. These formalisms correspond to hybrid structure/trajectory constraints, that uses output camera poses of a model-based tracker. These formalisms take into account the structure information given by the 3D model while relying on the formalism of trajectory constraints. The proposed solution is real-time, accurate and robust to occlusion or sudden motion. It has been evaluated on synthetic and real sequences of different kind of objects. The results show that the accuracy achieved on the camera trajectory is sufficient to ensure a solution perfectly adapted for high-quality Augmented Reality experiences for the industry.; Un besoin applicatif existe en terme de localisation 3D d’objets par vision. Cette technologie devient en effet de plus en plus populaire dans le milieu industriel où elle peut être utile lors de contrôle qualité, de robotisation de tâches ou encore d’aide à la maintenance par Réalité Augmentée. Néanmoins, le déploiement de telles applications est actuellement limité en raison de la difficulté à allier qualité de localisation, facilité de mise en oeuvre et généricité de la solution. En effet, la majorité des solutions implique : soit des étapes de mise en oeuvre complexes comme avec l’installation de capteurs de mouvement ou une préparation supervisée du modèle CAO; soit un manque de précision de la localisation dans le cadre de certaines applications nécessitant de prendre en compte des mouvements de fortes amplitudes de la caméra (provoquant du flou de bouger et des tremblements dans le flux vidéo) ainsi que des occultations partielles ou totales de l’objet ; soit enfin une restriction sur la nature de l’objet, celui-ci devant être texturé, de petite taille ou encore polyédrique pour avoir une bonne localisation. La plupart des solutions de localisation existantes correspondent à des approches de suivi basé modèle. Cette méthode consiste à estimer la pose relative entre la caméra et l’objet d’intérêt par mises en correspondance de primitives 3D extraites du modèle avec des primitives 2D extraites d’images d’un flux vidéo. Pour autant, cette approche atteint ses limites lorsque l’objet est difficilement observable dans l’image.Afin d’améliorer la localisation lorsque l’application concerne un objet fixe, de récentes solutions se sont appuyées en complément des primitives du modèle, sur des primitives de l’environnement reconstruites au cours du processus de localisation. Ces approches combinent algorithmes de SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) et de suivi d’objet basé contours en utilisant les informations du modèle comme contrainte dans le processus d’optimisation du SLAM. Pour cela, un terme d’erreur est ajouté à la fonction de coût classique.Celui-ci mesure l’erreur de re-projection entre des primitives 3D issues des arêtes franches du modèle et les points de contour 2D dans l’image qui leur sont associés. L’ajout de cette contrainte permet d’exprimer la localisation du SLAM dans le repère de l’objet d’intérêt tout en réduisant sa dérive. Les solutions de SLAM contraint au modèle n’exploitant cependant que les contours francs du modèle, ne sont pas génériques et ne permettent de localiser que des objets polyédriques. De plus, l’ajout de cette contrainte entraîne une forte augmentation de la consommation mémoire, les images de contours nécessaires à l’étape de mise en correspondance devant être conservées.Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse visent à fournir une solution répondant simultanément à l’ensemble des besoins concernant la facilité de déploiement, la qualité de localisation et la généricité sur la nature des objets suivis. Aussi, notre solution basée sur un algorithme de SLAM visuel contraint basé images clés, se restreint-elle au seul usage d’une caméra couleur, les caméras RGBD impliquant généralement une limite sur le volume, la nature réflective ou absorbante de l’objet, et sur la luminosité de son environnement. Cette étude est en outre restreinte à la seule exploitation de modèles 3D géométrique non texturés, les textures pouvant difficilement être considérées comme stables dans le temps (usure, taches...) et pouvant varier pour un même objet manufacturé. De plus, les modèles à base de nuages de descripteurs locaux ou les modèles surfaciques texturés sont actuellement des données peu disponibles dans l’industrie. Enfin, nous faisons le choix d’estimer la pose de la caméra de manière géométrique et non par apprentissage. Le suivi d’objets à l’aide d’apprentissage automatique est en effet encore difficilement exploitable en milieu industriel. (...)

The biological and health effects of radiofrequency (RF) electromagnetic fields (EMF) exposure have been very actively studied in the past two decades, mainly triggered by concerns about potential health effects of wireless communication systems. This physical agent is among the most common, fastest-growing environmental factors, triggering concerns in the population, as even a minor effect of EMF exposure on health could have a major public health impact. While the effects of extremely low frequency electromagnetic fields (ELF EMF) on the excitation of nerve and muscle cells have been well-characterized, the only well-described effects of radiofrequency electromagnetic fields (RF EMF) on biological systems are caused by dielectric-relaxation heating. In contrast, “nonthermal” RF EMF effects refer to other potential biological effects that are not caused by temperature elevation of living tissue or cell culture medium. The investigation of such mechanisms has been hampered by the absence of robust, reliable and repeatable effects occurring as a consequence of low-level exposures, for which temperature elevation is minimal. Moreover, no plausible mechanistic hypotheses have been given concerning thermal or nonthermal effects of low-level RF EMF exposures, making difficult to draw conclusions on the basis of available experimental results. Nonetheless, in 2011, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classified RF emitted by cell phones as “possibly carcinogenic to humans” (Class 2B). The characterization of nonthermal biological RF EMF effects is therefore of primary importance for setting safety limits since guidelines and standards have so far been set to protect from the known health risks associated only with the thermal effects of RF EMF exposures. The aim of this basic science thesis work is to characterize the effects of environmental RF EMF signals on living matter at the cellular and molecular level. In this work, we took advantage of modern and innovative methods to observe the behavior of living matter under RF EMF exposure in real time at various specific absorption rates (SAR). In particular, we have studied: (i) Specific RF EMF effects on the ionic channel TRPV1, a major thermoreceptor in our body. TRPV1 activation under RF EMF exposure was studied using the bioluminescence resonance energy transfer (BRET) technique. The implementation of this technique called for the construction and characterization of BRET probes targeting TRP channels as well as the development of a device for the remote measurement of BRET spectra, using an optical fiber. The conclusion of this part of the thesis is that RFs are able to activate the TRPV1 channel by producing a dielectric heating but in the absence of temperature increase there is no RF effect on the basal activation state of TRPV1 and no change of capsaicin maximal efficacy to activate TRPV1. (ii) The analysis of the global behavior of cells in culture under RF exposure was carried out using a modified xCELLigence system where the array of electrodes of the measuring plates were also used to expose the cells to RF EMF. Using this device, we were able to perform SH-SY5Y cell exposures with a SAR of 24 W/kg without causing heating in the culture medium or in the cell culture. No effect of RF EMF on the behavior of the neuroblastoma SH-SY5Y line could however be demonstrated, either in the absence or in the presence of a co-stimulation by a chemical agent. The conclusion of this study is that under conditions where the temperature remains stable, we have not been able to demonstrate any changes in the functioning of living cells, ether at the molecular level or at the cellular level. The tools developed in this thesis work offer important prospects both in the field of drug screening using spectral BRET, and pave the ways for future studies in bioelectromagnetics.; Durant les quinze dernières années, une attention particulière a été portée aux effets potentiels sur le vivant des champs radiofréquence (RF) des communications sans fil. Malgré l’intensité des efforts de recherche sur les effets biologiques et sanitaires potentiels des RF, nos connaissances en bioélectromagnétisme n’ont pu suivre l’évolution rapide des technologies.[…] La capacité des RF à provoquer un échauffement des tissus est parfaitement caractérisée. Des recommandations et des normes ont été définies afin de protéger les populations des risques associés, sachant qu’aucun échauffement n’est provoqué par l’exposition aux dispositifs de communications sans fil en raison des très faibles niveaux correspondant. Il est donc capital de savoir si l’on peut totalement exclure que des effets non-thermiques des RF de faible niveau existent au niveau moléculaire au sein de la matière vivante. L’objectif de cette thèse est d’évaluer en temps réel et sur cellules vivantes, les effets de l'exposition aux champs radiofréquences (CW, GSM-1800, UMTS, Wi-Fi, WiMax, LTE), soit au niveau moléculaire en ciblant l’activité du canal ionique TRPV1 qui est l’un des thermorécepteurs de notre organisme, soit au niveau cellulaire en étudiant le comportement général de cellules exposées aux RF à l’aide d’une technique dite « sans marquage », l’impédancemétrie. Le suivi de l’activité du canal TRPV1 sous exposition RF a été réalisé à l’aide de la technique du transfert d’énergie en résonance de bioluminescence (BRET), une technique spectroscopique qui permet l’analyse des interactions protéines-protéines ou des changements de conformation des protéines en temps réel et sur cellules vivantes. La mise en place de cette technique a demandé la construction et la caractérisation de sondes BRET ciblant les canaux TRP ainsi que la mise au point d’un dispositif de mesure déporté des spectres de BRET à l’aide d’une fibre optique, afin de pouvoir exposer les échantillons aux champs RF. La conclusion de ce volet de la thèse est que les RF sont capables d’activer le canal TRPV1 en produisant un échauffement diélectrique, mais qu’en absence d’augmentation de la température il n’y a aucun effet des RF sur le niveau d’activité basal du canal TRPV1 ou sur l’efficacité de la Capsaïcine, un agoniste, à activer TRPV1. L’analyse du comportement global de cellules en culture sous exposition RF a été réalisée à l’aide d’un système xCELLigence modifié afin de pouvoir à la fois suivre le comportement cellulaire par impédancemétrie tout en utilisant le réseau d’électrodes des plaques de mesure pour exposer les cellules mises en culture aux RF. À l’aide de ce dispositif, nous avons pu réaliser des expositions de cellules SH-SY5Y avec un DAS de 24 W/Kg sans provoquer d’échauffement dans le milieu de culture ou dans les cellules. Aucun effet des RF sur le comportement de la lignée de neuroblastome SH-SY5Y n’a cependant pu être mis en évidence, que ce soit en absence ou en présence d’une co-stimulation par un agent chimique. La conclusion de cette étude est que dans des conditions où la température reste stable, nous n’avons pas pu mettre en évidence de modification du fonctionnement du vivant que ce soit au niveau moléculaire ou au niveau cellulaire. Les outils développés dans ce travail de thèse ouvrent, de plus, d’importantes perspectives tant dans le domaine du criblage de médicaments candidats à l’aide du BRET spectral, que pour de futures études en bioélectromagnétisme.

In this thesis, we investigate a new paradigm for text-to-speech synthesis (TTS) allowing to deliver synthetic speech while the text is being inputted : incremental text-to-speech synthesis. Contrary to conventional TTS systems, that trigger the synthesis after a whole sentence has been typed down, incremental TTS devices deliver speech in a ``piece-meal'' fashion (i.e. word after word) while aiming at preserving the speech quality achievable by conventional TTS systems.By reducing the waiting time between two speech outputs while maintaining a good speech quality, such a system should improve the quality of the interaction for speech-impaired people using TTS devices to express themselves.The main challenge brought by incremental TTS is the synthesis of a word, or of a group of words, with the same segmental and supra-segmental quality as conventional TTS, but without knowing the end of the sentence to be synthesized. In this thesis, we propose to adapt the two main modules (natural language processing and speech synthesis) of a TTS system to the incremental paradigm.For the natural language processing module, we focused on part-of-speech tagging, which is a key step for phonetization and prosody generation. We propose an ``adaptive latency algorithm'' for part-of-speech tagging, that estimates if the inferred part-of-speech for a given word (based on the n-gram approach) is likely to change when adding one or several words. If the Part-of-speech is considered as likely to change, the synthesis of the word is delayed. In the other case, the word may be synthesized without risking to alter the segmental or supra-segmental quality of the synthetic speech. The proposed method is based on a set of binary decision trees trained over a large corpus of text. We achieve 92.5% precision for the incremental part-of-speech tagging task and a mean delay of 1.4 words.For the speech synthesis module, in the context of HMM-based speech synthesis, we propose a training method that takes into account the uncertainty about contextual features that cannot be computed at synthesis time (namely, contextual features related to the following words). We compare the proposed method to other strategies (baselines) described in the literature. Objective and subjective evaluation show that the proposed method outperforms the baselines for French.Finally, we describe a prototype developed during this thesis implementing the proposed solution for incremental part-of-speech tagging and speech synthesis. A perceptive evaluation of the word grouping derived from the proposed adaptive latency algorithm as well as the segmental quality of the synthetic speech tends to show that our system reaches a good trade-off between reactivity (minimizing the waiting time between the input and the synthesis of a word) and speech quality (both at segmental and supra-segmental levels)., Ce travail de thèse porte sur un nouveau paradigme pour la synthèse de la parole à partir du texte, à savoir la synthèse incrémentale. L'objectif est de délivrer la parole de synthèse au fur et à mesure de la saisie du texte par l'utilisateur, contrairement aux systèmes classiques pour lesquels la synthèse est déclenchée après la saisie d'une ou plusieurs phrases. L'application principale visée est l'aide aux personnes présentant un trouble sévère de la communication orale, et communiquant principalement à l'aide d'un synthétiseur vocal. Un synthétiseur vocal incrémental permettrait de fluidifier une conversation en limitant le temps que passe l'interlocuteur à attendre la fin de la saisie de la phrase à synthétiser. Un des défi que pose ce paradigme est la synthèse d'un mot ou d'un groupe de mot avec une qualité segmentale et prosodique acceptable alors que la phrase qui le contient n'est que partiellement connue au moment de la synthèse. Pour ce faire, nous proposons différentes adaptations des deux principaux modules d'un système de synthèse de parole à partir du texte : le module de traitement automatique de la langue naturelle (TAL) et le module de synthèse sonore. Pour le TAL en synthèse incrémentale, nous nous sommes intéressé à l'analyse morpho-syntaxique, qui est une étape décisive pour la phonétisation et la détermination de la prosodie cible. Nous décrivons un algorithme d'analyse morpho-syntaxique dit "à latence adaptative". Ce dernier estime en ligne si une classe lexicale (estimée à l'aide d'un analyseur morpho-syntaxique standard basé sur l'approche n-gram), est susceptible de changer après l'ajout par l'utilisateur d'un ou plusieurs mots. Si la classe est jugée instable, alors la synthèse sonore est retardée, dans le cas contraire, elle peut s'effectuer sans risque a priori de dégrader de la qualité segmentale et suprasegmentale. Cet algorithme exploite une ensemble d'arbre de décisions binaires dont les paramètres sont estimés par apprentissage automatique sur un large corpus de texte. Cette méthode nous permet de réaliser un étiquetage morpho-syntaxique en contexte incrémental avec une précision de 92,5% pour une latence moyenne de 1,4 mots. Pour la synthèse sonore, nous nous plaçons dans le cadre de la synthèse paramétrique statistique, basée sur les modèles de Markov cachés (Hidden Markov Models, HMM). Nous proposons une méthode de construction de la voix de synthèse (estimation des paramètres de modèles HMM) prenant en compte une éventuelle incertitude sur la valeur de certains descripteurs contextuels qui ne peuvent pas être calculés en synthèse incrémentale (c'est-à-dire ceux qui portent sur les mots qui ne sont pas encore saisis au moment de la synthèse).Nous comparons la méthode proposée à deux autres stratégies décrites dans la littérature. Les résultats des évaluations objectives et perceptives montrent l’intérêt de la méthode proposée pour la langue française. Enfin, nous décrivons un prototype complet qui combine les deux méthodes proposées pour le TAL et la synthèse par HMM incrémentale. Une évaluation perceptive de la pertinence et de la qualité des groupes de mots synthétisés au fur et à mesure de la saisie montre que notre système réalise un compromis acceptable entre réactivité (minimisation du temps entre la saisie d'un mot et sa synthèse) et qualité (segmentale et prosodique) de la parole de synthèse.

This thesis aims at designing an embedded stereoscopic perception system that enables autonomous robot navigation in dynamic environments (i.e. including mobile objects). To do so, we need to satisfy several constraints: 1) We want to be able to navigate in unknown environment and with any type of mobile objects, thus we adopt a geometric approach. 2) We want to ensure the best possible coverage of the field of view, so we employ dense methods that process every pixel in the image. 3) The algorithms must be compliant with an embedded platform, therefore we must carefully design the algorithms so they are fast enough to keep a certain level of reactivity. The approach presented in this thesis manuscript and the contributions are summarized below. First, we study several stereo matching algorithms that estimate a disparity map from which we can deduce a depth map, by triangulation. This comparative study highlights one algorithm that is not in the KITTI benchmarks, but that gives a great accuracy/processing time tradeoff. We also propose a filtering method to post-process the disparity maps. By coding these algorithm in CUDA to benefit from hardware acceleration on Graphics Processing Unit, we show that they can perform very fast (19ms on KITTI images, with a GPU GeForce GTX Titan).Second, we want to detect mobile objects and estimate their motion. To do so we compute the stereo rig motion using visual odometry, in order to isolate the part induced by moving objects in the 2D or 3D apparent motion (estimated by optical flow or scene flow algorithms). Considering that the only optical flow algorithm able to perform in real-time is FOLKI, we propose several modifications of it to slightly improve its performances at the cost of a slower processing time. Regarding the scene flow estimation, existing algorithms cannot reach the desired computation speed, so we propose a new approach by decoupling structure and motion for a fast scene flow estimation. Three algorithms are proposed to use this structure-motion decomposition, and one of them, particularly efficient, enables very fast scene flow computing with a relatively good accuracy. To our knowledge it is the only published scene flow algorithm able to perform at framerate on KITTI dataset (10 Hz).Third, to detect moving objects and segment them in the image, we show several statistical models and residual quantities on which we can base the detection by thresholding a chi2 criterion. We propose a rigorous statistical modeling that takes into account all the uncertainties occurring during the estimation, in particular during the visual odometry, which had not been done to our knowledge, in the context of moving object detection. We also propose a new residual quantity for the detection, using an image prediction approach to facilitate uncertainty propagation and the chi2 criterion modeling. The benefit brought by the proposed residual quantity and error model is demonstrated by evaluating detection algorithms on a samples of annotated KITTI data. Finally, we implement our algorithms on ROS to run the perception system on en embedded platform, and we code some algorithms in CUDA to accelerate the computing using GPU. We describe the perception and the navigation system that we use for the experimental validation. We show in our experiments that the proposed stereovision perception system is suitable for embedded robotic applications., L'objectif de cette thèse est de concevoir un système de perception stéréoscopique embarqué, permettant une navigation robotique autonome en environnement dynamique (i.e. comportant des objets mobiles). Pour cela, nous nous sommes imposé plusieurs contraintes : 1) Puisque l'on souhaite pouvoir naviguer en terrain inconnu et en présence de tout type d'objets mobiles, nous avons adopté une approche purement géométrique. 2) Pour assurer une couverture maximale du champ visuel nous avons choisi d'employer des méthodes d'estimation denses qui traitent chaque pixel de l'image. 3) Puisque les algorithmes utilisés doivent pouvoir s'exécuter en embarqué sur un robot, nous avons attaché le plus grand soin à sélectionner ou concevoir des algorithmes particulièrement rapides, pour nuire au minimum à la réactivité du système. La démarche présentée dans ce manuscrit et les contributions qui sont faites sont les suivantes. Dans un premier temps, nous étudions plusieurs algorithmes d’appariement stéréo qui permettent d'estimer une carte de disparité dont on peut déduire, par triangulation, une carte de profondeur. Grâce à cette évaluation nous mettons en évidence un algorithme qui ne figure pas sur les benchmarks KITTI, mais qui offre un excellent compromis précision/temps de calcul. Nous proposons également une méthode pour filtrer les cartes de disparité. En codant ces algorithmes en CUDA pour profiter de l’accélération des calculs sur cartes graphiques (GPU), nous montrons qu’ils s’exécutent très rapidement (19ms sur les images KITTI, sur GPU GeForce GTX Titan).Dans un deuxième temps, nous souhaitons percevoir les objets mobiles et estimer leur mouvement. Pour cela nous calculons le déplacement du banc stéréo par odométrie visuelle pour pouvoir isoler dans le mouvement apparent 2D ou 3D (estimé par des algorithmes de flot optique ou de flot de scène) la part induite par le mouvement propre à chaque objet. Partant du constat que seul l'algorithme d'estimation du flot optique FOLKI permet un calcul en temps-réel, nous proposons plusieurs modifications de celui-ci qui améliorent légèrement ses performances au prix d'une augmentation de son temps de calcul. Concernant le flot de scène, aucun algorithme existant ne permet d'atteindre la vitesse d'exécution souhaitée, nous proposons donc une nouvelle approche découplant structure et mouvement pour estimer rapidement le flot de scène. Trois algorithmes sont proposés pour exploiter cette décomposition structure-mouvement et l’un d’eux, particulièrement efficace, permet d'estimer très rapidement le flot de scène avec une précision relativement bonne. A notre connaissance, il s'agit du seul algorithme publié de calcul du flot de scène capable de s'exécuter à cadence vidéo sur les données KITTI (10Hz).Dans un troisième temps, pour détecter les objets en mouvement et les segmenter dans l'image, nous présentons différents modèles statistiques et différents résidus sur lesquels fonder une détection par seuillage d'un critère chi2. Nous proposons une modélisation statistique rigoureuse qui tient compte de toutes les incertitudes d'estimation, notamment celles de l'odométrie visuelle, ce qui n'avait pas été fait à notre connaissance dans le contexte de la détection d'objets mobiles. Nous proposons aussi un nouveau résidu pour la détection, en utilisant la méthode par prédiction d’image qui permet de faciliter la propagation des incertitudes et l'obtention du critère chi2. Le gain apporté par le résidu et le modèle d'erreur proposés est démontré par une évaluation des algorithmes de détection sur des exemples tirés de la base KITTI. Enfin, pour valider expérimentalement notre système de perception en embarqué sur une plateforme robotique, nous implémentons nos codes sous ROS et certains codes en CUDA pour une accélération sur GPU. Nous décrivons le système de perception et de navigation utilisé pour la preuve de concept qui montre que notre système de perception, convient à une application embarquée.

The biological and health effects of radiofrequency (RF) electromagnetic fields (EMF) exposure have been very actively studied in the past two decades, mainly triggered by concerns about potential health effects of wireless communication systems. This physical agent is among the most common, fastest-growing environmental factors, triggering concerns in the population, as even a minor effect of EMF exposure on health could have a major public health impact. While the effects of extremely low frequency electromagnetic fields (ELF EMF) on the excitation of nerve and muscle cells have been well-characterized, the only well-described effects of radiofrequency electromagnetic fields (RF EMF) on biological systems are caused by dielectric-relaxation heating. In contrast, “nonthermal” RF EMF effects refer to other potential biological effects that are not caused by temperature elevation of living tissue or cell culture medium. The investigation of such mechanisms has been hampered by the absence of robust, reliable and repeatable effects occurring as a consequence of low-level exposures, for which temperature elevation is minimal. Moreover, no plausible mechanistic hypotheses have been given concerning thermal or nonthermal effects of low-level RF EMF exposures, making difficult to draw conclusions on the basis of available experimental results. Nonetheless, in 2011, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classified RF emitted by cell phones as “possibly carcinogenic to humans” (Class 2B). The characterization of nonthermal biological RF EMF effects is therefore of primary importance for setting safety limits since guidelines and standards have so far been set to protect from the known health risks associated only with the thermal effects of RF EMF exposures. The aim of this basic science thesis work is to characterize the effects of environmental RF EMF signals on living matter at the cellular and molecular level. In this work, we took advantage of modern and innovative methods to observe the behavior of living matter under RF EMF exposure in real time at various specific absorption rates (SAR). In particular, we have studied: (i) Specific RF EMF effects on the ionic channel TRPV1, a major thermoreceptor in our body. TRPV1 activation under RF EMF exposure was studied using the bioluminescence resonance energy transfer (BRET) technique. The implementation of this technique called for the construction and characterization of BRET probes targeting TRP channels as well as the development of a device for the remote measurement of BRET spectra, using an optical fiber. The conclusion of this part of the thesis is that RFs are able to activate the TRPV1 channel by producing a dielectric heating but in the absence of temperature increase there is no RF effect on the basal activation state of TRPV1 and no change of capsaicin maximal efficacy to activate TRPV1. (ii) The analysis of the global behavior of cells in culture under RF exposure was carried out using a modified xCELLigence system where the array of electrodes of the measuring plates were also used to expose the cells to RF EMF. Using this device, we were able to perform SH-SY5Y cell exposures with a SAR of 24 W/kg without causing heating in the culture medium or in the cell culture. No effect of RF EMF on the behavior of the neuroblastoma SH-SY5Y line could however be demonstrated, either in the absence or in the presence of a co-stimulation by a chemical agent. The conclusion of this study is that under conditions where the temperature remains stable, we have not been able to demonstrate any changes in the functioning of living cells, ether at the molecular level or at the cellular level. The tools developed in this thesis work offer important prospects both in the field of drug screening using spectral BRET, and pave the ways for future studies in bioelectromagnetics., Durant les quinze dernières années, une attention particulière a été portée aux effets potentiels sur le vivant des champs radiofréquence (RF) des communications sans fil. Malgré l’intensité des efforts de recherche sur les effets biologiques et sanitaires potentiels des RF, nos connaissances en bioélectromagnétisme n’ont pu suivre l’évolution rapide des technologies.[…] La capacité des RF à provoquer un échauffement des tissus est parfaitement caractérisée. Des recommandations et des normes ont été définies afin de protéger les populations des risques associés, sachant qu’aucun échauffement n’est provoqué par l’exposition aux dispositifs de communications sans fil en raison des très faibles niveaux correspondant. Il est donc capital de savoir si l’on peut totalement exclure que des effets non-thermiques des RF de faible niveau existent au niveau moléculaire au sein de la matière vivante. L’objectif de cette thèse est d’évaluer en temps réel et sur cellules vivantes, les effets de l'exposition aux champs radiofréquences (CW, GSM-1800, UMTS, Wi-Fi, WiMax, LTE), soit au niveau moléculaire en ciblant l’activité du canal ionique TRPV1 qui est l’un des thermorécepteurs de notre organisme, soit au niveau cellulaire en étudiant le comportement général de cellules exposées aux RF à l’aide d’une technique dite « sans marquage », l’impédancemétrie. Le suivi de l’activité du canal TRPV1 sous exposition RF a été réalisé à l’aide de la technique du transfert d’énergie en résonance de bioluminescence (BRET), une technique spectroscopique qui permet l’analyse des interactions protéines-protéines ou des changements de conformation des protéines en temps réel et sur cellules vivantes. La mise en place de cette technique a demandé la construction et la caractérisation de sondes BRET ciblant les canaux TRP ainsi que la mise au point d’un dispositif de mesure déporté des spectres de BRET à l’aide d’une fibre optique, afin de pouvoir exposer les échantillons aux champs RF. La conclusion de ce volet de la thèse est que les RF sont capables d’activer le canal TRPV1 en produisant un échauffement diélectrique, mais qu’en absence d’augmentation de la température il n’y a aucun effet des RF sur le niveau d’activité basal du canal TRPV1 ou sur l’efficacité de la Capsaïcine, un agoniste, à activer TRPV1. L’analyse du comportement global de cellules en culture sous exposition RF a été réalisée à l’aide d’un système xCELLigence modifié afin de pouvoir à la fois suivre le comportement cellulaire par impédancemétrie tout en utilisant le réseau d’électrodes des plaques de mesure pour exposer les cellules mises en culture aux RF. À l’aide de ce dispositif, nous avons pu réaliser des expositions de cellules SH-SY5Y avec un DAS de 24 W/Kg sans provoquer d’échauffement dans le milieu de culture ou dans les cellules. Aucun effet des RF sur le comportement de la lignée de neuroblastome SH-SY5Y n’a cependant pu être mis en évidence, que ce soit en absence ou en présence d’une co-stimulation par un agent chimique. La conclusion de cette étude est que dans des conditions où la température reste stable, nous n’avons pas pu mettre en évidence de modification du fonctionnement du vivant que ce soit au niveau moléculaire ou au niveau cellulaire. Les outils développés dans ce travail de thèse ouvrent, de plus, d’importantes perspectives tant dans le domaine du criblage de médicaments candidats à l’aide du BRET spectral, que pour de futures études en bioélectromagnétisme.

To ease the complex task of anatomy learning, there exist many ways to represent and structure anatomy : illustrations, books, cadaver dissections and 3d models. However, it is difficult to understand and analyse anatomy motion, which is essential for medicine students. We present the "Living Book of Anatomy" (LBA), an original and innovative tool to learn anatomy. For a specific user, we superimpose a 3d anatomical model (skin, skeleton, muscles and visceras) onto the user’s color map and we animate it following the user’s movements. We present a real-time mirror-like augmented reality (AR) system. A Kinect is used to capturebody motions.The first innovation of our work is the identification of the user’s body measurements to register our 3d anatomical model. We propose two different methods to register anatomy.The first one is real-time and use affine transformations attached to rigid positioned on each joint given by the Kinect body tracking skeleton in order to deform the 3d anatomical model using skinning to fit the user’s measurements.The second method needs a few minutes to register the anatomy and is divided in 3 parts : skin deformation (using Kinect body tracking skeleton and the Kinect partial point cloud), with it and strict anatomical rules we register the skeleton. Lastly we deformm the soft tissues to completly fill the space inbetween the registered skeleton and skin.Secondly, we want to capture realistically and in real-time the user’s motion. To do that we need to reproduce anatomical structure motion but it is a complex task due to the noisy and often partial Kinect data. We propose here the use of anatomical rules concerning body articulations (angular limits and degrees of freedom) to constraint Kinect captured motion in order to obtain/gain plausible motions. a kalman filter is used to smooth the obtaiined motion capture.Lastly, to embed visual style and interaction, we use a full body reproduction to show general knowledge on human anatomy and its differents joints. We also use a lower-limb as structure of interest to higlight specific anatomical phenomenon, as muscular activity.All these tools have been integrated in a working system detailed in this thesis.We validated our tool/system by presenting it as a live demo during different conferences and through user studies done with students and professionnals from different backgrounds, La complexité de l’anatomie fait de son apprentissage une tâche difficile. Au fil des années, différents supports de connaissances ont vu le jour dans le but de représenter et structurer l’anatomie : des dessins au tableau, aux livres d’anatomie, en passant par l’étape incontournable de la dissection, et des travaux pratiques sur maquettes 3d. Il est néanmoins difficile d’appréhenderla dimension dynamique de l’anatomie avec les outils d’apprentissage conventionnels ; connaissance qui est pourtant essentielle à la formation des médecins. A travers ces travaux de thèse nous proposons un système original et innovant pour l’apprentissage de l’anatomie intitulé « Living Book of Anatomy » (LBA). L’idée étant, pour un utilisateur donné, de superposer à sa propre image une maquette anatomique 3d (peau, squelette, muscles et viscères) et del’animer en mimant les mouvements de celui-ci. Nous parlons ici d’une application temps-réel de type « miroir augmenté ». Nous utilisons la Kinect comme capteur de mouvement.Le premier défi à relever est l’identification de caractéristiques morphologiques qui nous permettront de recaler notre maquette anatomique 3d sur l’utilisateur. Nous proposons ici deux technologies interchangeables en fonction des besoins. La première méthode, temps-réel, est basée sur l’utilisation de transformations affines attachées entre les repères positionnés à chaque articulation du squelette donné par la Kinect pour déformer la maquette 3d à l’aide de poids de skinning prédéfinis. La seconde méthode, plus couteuse en temps (de l’ordre de quelques minutes), se découpe en trois parties : dans un premier temps nous déformons la peau à l’aide de la position des articulations du squelette d’animation Kinect et du nuage de pointpartiel de l’utilisateur ; à partir de cela et de règles anatomiques strictes nous déformons le squelette ; pour finir nous déformons les tissus mous pour qu’ils comblent l’espace entre le squelette et la peau. Le second défi concerne la capture réaliste et temps-réel des mouvements utilisateurs. Reproduire le comportement des structures anatomiques est une tâche complexe due aux informations Kinect souvent partielles et très bruitées. Nous proposons ici l’utilisation de règles anatomiques concernant les articulations du corps (axes de rotation et butées articulaires) pour contraindre les mouvements donnés par la Kinect et obtenir des mouvements réalistes. Pour obtenir des mouvements fluides nous nous proposons d’utiliser des filtrages, notamment le filtre de Kalman. Le dernier défi concerne la dominante de retour visuel et d’interaction.Lors de ces travaux nous nous sommes tout particulièrement intéressés à un renducorps complet pour montrer le fonctionnement général du corps humain et de ces différentes articulations. Nous avons également choisi le membre inférieur comme structure anatomique d’intérêt avec pour but la mise en avant de phénomènes anatomiques spécifiques, comme l’activité musculaire.Les différents éléments ont été intégrés dans un système opérationnel présenté en détails dans ce manuscrit de thèse. Grâce à des expérimentations - avec des étudiants et des professionnels de différents domaines - et la présentation de ces travaux sous forme de démonstrations lors de différents congrès, nous avons validé cet outil

Collaborative editors allow users to distribute the writing of a document across space and time. Thanks to their ease of use, real-time collaborative editors working in Web browsers vastly contributed to the adoption of such tools. However, current editors are centralized: a service provider's server hosts an editing session. It raises privacy and scalability issues.Recently, the enabling of browser-to-browser connection establishments opened new opportunities in favor of a decentralized Web. Decentralized real-time collaborative editors working in Web browsers must efficiently handle highly dynamic groups of different size.Contributions of this thesis are threefold:(i) To represent the document, we propose a replicated data structure for sequences using metadata the size of which scales sub-linearly compared to the number of inserted characters.(ii) To efficiently propagate the changes to all editors involved in the collaborative writing, we propose a random peer sampling protocol that supports Web browsers constraints and self-adjusts its functioning to the variations of network membership.(iii) To demonstrate the feasibility of a decentralized real-time collaborative editors running in Web browsers, we propose an editor using (i) and (ii), and we highlight its scalability.; Un éditeur collaboratif permet de répartir la tâche de rédaction d'un document à travers le temps et l'espace. Par leur simplicité d'utilisation, les éditeurs collaboratifs temps réel du Web ont contribué à l'adoption massive de ces outils par le grand public. Cependant, les éditeurs actuels sont centralisés : un serveur appartenant à un fournisseur de services gère une session d'édition. En résultent des problèmes de confidentialité, de censure, de propriété, de passage à l'échelle et de tolérance aux pannes.Récemment, la possibilité d'établir des communications d'un navigateur Web à l'autre a ouvert de nouvelles opportunités en faveur d'un Web décentralisé. Un éditeur collaboratif temps réel décentralisé fonctionnant dans les navigateurs Web doit gérer efficacement des groupes de taille variable et hautement dynamiques.Cette thèse comporte trois contributions :(i) Pour représenter le document, nous proposons une structure de données répliquée dont la taille des métadonnées croît de manière sous-linéaire par rapport au nombre de caractères insérés dans le document.(ii) Pour propager efficacement les changements à tous les éditeurs participant à l'édition, nous proposons un protocole d'échantillonnage aléatoire de pairs adapté aux contraintes des navigateurs Web et s'ajustant automatiquement au logarithme de la taille de la session d'édition.(iii) Pour démontrer la faisabilité d'un éditeur collaboratif temps réel décentralisé fonctionnant dans les navigateurs Web, nous proposons un éditeur réunissant (i) et (ii), et dont les performances passent à l'échelle.

Collaborative editors allow users to distribute the writing of a document across space and time. Thanks to their ease of use, real-time collaborative editors working in Web browsers vastly contributed to the adoption of such tools. However, current editors are centralized: a service provider's server hosts an editing session. It raises privacy and scalability issues.Recently, the enabling of browser-to-browser connection establishments opened new opportunities in favor of a decentralized Web. Decentralized real-time collaborative editors working in Web browsers must efficiently handle highly dynamic groups of different size.Contributions of this thesis are threefold:(i) To represent the document, we propose a replicated data structure for sequences using metadata the size of which scales sub-linearly compared to the number of inserted characters.(ii) To efficiently propagate the changes to all editors involved in the collaborative writing, we propose a random peer sampling protocol that supports Web browsers constraints and self-adjusts its functioning to the variations of network membership.(iii) To demonstrate the feasibility of a decentralized real-time collaborative editors running in Web browsers, we propose an editor using (i) and (ii), and we highlight its scalability.; Un éditeur collaboratif permet de répartir la tâche de rédaction d'un document à travers le temps et l'espace. Par leur simplicité d'utilisation, les éditeurs collaboratifs temps réel du Web ont contribué à l'adoption massive de ces outils par le grand public. Cependant, les éditeurs actuels sont centralisés : un serveur appartenant à un fournisseur de services gère une session d'édition. En résultent des problèmes de confidentialité, de censure, de propriété, de passage à l'échelle et de tolérance aux pannes.Récemment, la possibilité d'établir des communications d'un navigateur Web à l'autre a ouvert de nouvelles opportunités en faveur d'un Web décentralisé. Un éditeur collaboratif temps réel décentralisé fonctionnant dans les navigateurs Web doit gérer efficacement des groupes de taille variable et hautement dynamiques.Cette thèse comporte trois contributions :(i) Pour représenter le document, nous proposons une structure de données répliquée dont la taille des métadonnées croît de manière sous-linéaire par rapport au nombre de caractères insérés dans le document.(ii) Pour propager efficacement les changements à tous les éditeurs participant à l'édition, nous proposons un protocole d'échantillonnage aléatoire de pairs adapté aux contraintes des navigateurs Web et s'ajustant automatiquement au logarithme de la taille de la session d'édition.(iii) Pour démontrer la faisabilité d'un éditeur collaboratif temps réel décentralisé fonctionnant dans les navigateurs Web, nous proposons un éditeur réunissant (i) et (ii), et dont les performances passent à l'échelle.

In computer graphics, material appearance is a fundamental component of the final image quality. Many models have contributed to improve material appearance. Today, some materials remains hard to represent because of their complexity. Among them, anisotopic materials are especially complex and little studied. In this thesis, we propose a better comprehension of anisotropic materials providing a representation model and an editing tool to control their appearance. Our scratched material model is based on a light transport simulation in the micro-geometry of a scratch, preserves all the details and keeps an interactive rendering time. Our anisotropic reflections edition tool uses BRDF orientation fields to give the user the impression to draw or deform reflections directly on the surface., En informatique graphique, le rendu des matériaux occupe une place très importante dans la qualité de l’image finale. De nombreux modèles ont contribué à améliorer l’apparence des matériaux. Aujourd’hui, certains matériaux restent encore difficiles à représenter à cause de leur complexité. Parmi ceux ci,la famille des matériaux anisotropes reste peu étudiée et complexe. Dans cette thèse nous proposons une meilleure compréhension des matériaux anisotropes au travers d’un modèle pour les représenter ainsi qu’un outil permettant de mieux en contrôler l’apparence. Notre modèle de matériaux brossés ou rayés se base sur la simulation du transport lumineux au sein de la micro-géométrie d’une rayure pour restituer tous les détails en conservant des temps de rendus suffisamment courts pour rendre la scène de manière interactive.Notre outil d’édition des reflets anisotropes utilise le champ d’orientation des BRDF pour donner à l’utilisateur l’impression de dessiner ou de déformer des reflets directement sur l’objet.

In the field of wireless sensors networks (WSN), specialized network stacks have been a very active research field for many years. However, most of this research, especially on lower layers of the network stacks, did not go beyond theory. Their implementations have generally not been the subject of deep or systematic effort, especially within the framework of dedicated operating systems. We thus propose, in this thesis, to focus on interaction analysis between lower layers’ protocols and dedicated software platforms, and to optimize them, especially at the implementation level. We first review and evaluate the various dedicated operating systems, and choose the one offering the necessary features to implement efficient and innovative MAC/RDC protocols. We then study, improve and optimize these lower layers of specialized stacks, and show, with an actual implementation of one of our advanced MAC/RDC protocols, that we can bring significant improvements in the quality of service (QoS) of WSNs, especially under heavy network traffic. We also report inaccuracies in Cooja/MSPSim simulations/emulations, and analyze the reliability issues caused by the use of this tool for performing evaluations (especially time-related) of WSNs. We finally propose some new leads for future enhancements and optimizations of the lower layers of these specialized network stacks, in order to further improve the liability, performances and energy consumption of WSNs.; Dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil (dits « WSN »), les piles réseau spécialisées constituent un domaine de recherche très actif depuis maintenant de nombreuses années. Toutefois, beaucoup de ces études, notamment concernant les couches basses de ces piles réseau, n’ont pas dépassé le stade de la théorie. Leurs implantations n’ont sauf exception pas fait l’objet d’efforts poussés ou systématiques, surtout dans le cadre des systèmes d’exploitation spécialisés. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de nous focaliser sur l’analyse des interactions entre les protocoles des couches basses et les plates-formes logicielles dédiées, et de les optimiser, notamment au niveau de l’implantation. Nous passons d’abord en revue et évaluons les différents systèmes d’exploitation spécialisés, et choisissons celui offrant les fonctionnalités, notamment temps-réel, que nous estimons nécessaires pour implanter des protocoles MAC / RDC novateurs et performants. Nous entreprenons ensuite un effort d’étude, d’amélioration et d’optimisation de ces couches basses des piles spécialisées, et montrons, avec une implantation concrète d’un de nos protocoles MAC / RDC avancés, que nous pouvons amener des progrès notables dans la qualité de service (QdS) des WSN, notamment avec un trafic réseau intense. Nous examinons en outre des inexactitudes inattendues dans les simulations / émulations effectuées par Cooja / MSPSim, et analysons les problèmes de fiabilité posés par l’utilisation de cet outil pour effectuer des évaluations de performances, notamment temporelles, de WSN. Nous proposons enfin de nouvelles pistes pour de futures améliorations et optimisations de ces couches basses des piles réseau spécialisées, afin d’améliorer encore la fiabilité, les performances et la consommation énergétique des WSN.

The objective of this thesis was to develop a spectrophotometric sensor to quantify benzene, toluene and xylenes (BTX) in real time at the level of the occupational exposure limit values, ie 20 ppmv for toluene, 50 Ppmv for xylenes and 1 ppmv for benzene. The study was carried out with several sensitive layers, a solid silicic material synthesized by the sol-gel process or thin films (less than 5 μm) deposited on quartz by dip-coating a suspension of nanoparticles or a precursor solution leading to mesoporous silica thin films. We were able to demonstrate the effectiveness of BTX detection in real time. The use of continuous mesoporous films has enabled a correct repeatability of the sensor (standard deviation

Real-time collaborative editors, like GoogleDocs or Etherpad, allow the simultaneous edition of a document by several users. These applications need to replicate the edited document, for the so called real-time purpose of permitting a fast and reactive editing by any user at any time. Editing conflicts frequently occur, and must be automatically handled by the application, in order to provide every users with the same copy of the document, containing every modifications issued. Most of current real-time collaborative editing algorithms were designed for simple data structures, like linear text, and simple editing ways, like inserting or removing a character only. These algorithms fail to offer an appropriate editing conflict resolution when used with a complex data structure, like XML, or with complex operations, like moving some text or adding some style. Copies are the sames but users' intentions are not preserved. The goal of this thesis is to design new real-time collaborative editing algorithms that ensure a better preservation of users' intentions. The first contribution of this thesis is an algorithm based on the Operational Transformation approach (OT). Our contribution is designed to handle rich text document (with stylized text and paragraphs) and to preserve the intentions of a set of high editing level operations (add style, merge paragraphs...). This contribution has lead to an industrial transfer for our industrial partner.The second contribution uses the Commutative Replicated Data Types approach (CRDT), and offers an algorithm which preserves the update intention, while improving global performance of the approach when dealing with large blocs of data. This contribution has lead to a web real-time collaborative editing application developed by our research team, currently available and in continuous improvement.; L'édition collaborative en temps réel permet à plusieurs utilisateurs d'éditer un même document simultanément grâce à des outils informatiques. Les applications d'édition collaborative en temps réel, telles GoogleDocs ou Etherpad, répliquent les données éditées chez chaque utilisateur, pour garantir une édition des données réactive et possible à chaque instant. Les conflits d'édition sont fréquents, et doivent être gérés automatiquement par l'application. L'application doit faire converger toutes les répliques vers un document commun, qui contient toutes les modifications exprimées par tous les utilisateurs. Les algorithmes actuels fonctionnent de manière satisfaisante pour des types de données simples (des documents linéaires) et des possibilités d'édition minimes (insérer ou supprimer du texte). Lorsque le document est plus complexe (document XML, texte structuré), ou qu'il peut être édité avec un ensemble élargi d'opérations (déplacement de texte, styliser du texte), lors de la résolution de conflits d'édition, les algorithmes échouent à proposer un contenu qui convienne aux utilisateurs. Les intentions des utilisateurs ne sont pas respectées. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d'édition collaborative en temps réel qui respectent mieux les intentions des utilisateurs que les algorithmes actuels.La première contribution de cette thèse est un algorithme basé sur l'approche des transformées opérationnelles (OT), qui permet d'éditer et de styliser du texte hiérarchisé tout en respectant les intentions de style, de déplacement ou d'insertion de texte ou de paragraphes. Cet algorithme a donné lieu à un transfert technologique pour un de nos partenaires industriels.La deuxième contribution est basée sur l'approche des modèles de données répliquées commutatives (CRDT), et propose un algorithme capable de respecter l'intention de mise à jour d'un élément, tout en améliorant les performances globales de l'approche par rapport aux autres CRDTs. Notre algorithme a débouché sur la création d'une application web d'édition collaborative en temps réel, en continuelle amélioration par notre équipe de recherche.

A robot is a complex system combining hardware and software parts. In order to simplify the robot design, the whole system is split in several separated modules. However, the complexity of the functional and temporal validation to improve the safety counterweights the robot design simplicity.We can find scheduling analysis tools for task-based software. These tools are used to check and validate the schedulability of the tasks involved in a software, run on a specific hardware.However, these methods considers the tasks as monolithic entities, without taking into account their internal structure. The resulting analyses may be too much pessimistic and therefore not applicable to robotic applications.In this work, we have modeled the internal structure of the tasks as state-machines and used these state-machines into the schedulability analysis in order to improve the analysis precision.Moreover, the tools developed during this work have been tested on real robotic use-cases.; Un système robotique est un système complexe, à la fois d’un point de vue matériel et logiciel. Afin de simplifier la conception de ces machines, le développement est découpé en modules qui sont ensuite assemblés pour constituer le système complet. Cependant, la facilité de conception de ces systèmes est bien souvent contrebalancée par la complexité de leur mise en sécurité, à la fois d’un point de vue fonctionnel et temporel.Il existe des ensembles d’outils et de méthodes permettant l’étude d’ordonnançabilité d’un système logiciel à base de tâches. Ces outils permettent de vérifier qu’un système de tâches respecte ses contraintes temporelles. Cependant ces méthodes d’analyse considèrent les tâches comme des entités monolithiques, sans prendre en compte la structure interne des tâches, ce qui peut les rendre trop pessimistes et non adaptées à des applications robotiques.Cette étude consiste à prendre en compte la structure interne des tâches dans des méthodesd’analyse d’ordonnançabilité. Cette thèse montre que le découpage de tâches monolithiques permet d’améliorer la précision des analyses d’ordonnancement. De plus, les outils issus de cestravaux ont été expérimentés sur un cas d’application de robotique mobile autonome.