Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Analyse de mouvements faciaux à partir d'images vidéo

Lors d'une intervention conversationnelle, le langage est supporté par une communication non-verbale qui joue un rôle central dans le comportement social humain en permettant de la rétroaction et en gérant la synchronisation, appuyant ainsi le contenu et la signification du discours. En effet, 55% du message est véhiculé par les expressions faciales, alors que seulement 7% est dû au message linguistique et 38% au paralangage. L'information concernant l'état émotionnel d'une personne est généralement inférée par les attributs faciaux. Cependant, on ne dispose pas vraiment d'instruments de mesure spécifiquement dédiés à ce type de comportements. En vision par ordinateur, on s'intéresse davantage au développement de systèmes d'analyse automatique des expressions faciales prototypiques pour les applications d'interaction homme-machine, d'analyse de vidéos de réunions, de sécurité, et même pour des applications cliniques. Dans la présente recherche, pour appréhender de tels indicateurs observables, nous essayons d'implanter un système capable de construire une source consistante et relativement exhaustive d'informations visuelles, lequel sera capable de distinguer sur un visage les traits et leurs déformations, permettant ainsi de reconnaître la présence ou absence d'une action faciale particulière. Une réflexion sur les techniques recensées nous a amené à explorer deux différentes approches. La première concerne l'aspect apparence dans lequel on se sert de l'orientation des gradients pour dégager une représentation dense des attributs faciaux. Hormis la représentation faciale, la principale difficulté d'un système, qui se veut être général, est la mise en œuvre d'un modèle générique indépendamment de l'identité de la personne, de la géométrie et de la taille des visages. La démarche qu'on propose repose sur l'élaboration d'un référentiel prototypique à partir d'un recalage par SIFT-flow dont on démontre, dans cette thèse, la supériorité par rapport à un alignement conventionnel utilisant la position des yeux. Dans une deuxième approche, on fait appel à un modèle géométrique à travers lequel les primitives faciales sont représentées par un filtrage de Gabor. Motivé par le fait que les expressions faciales sont non seulement ambigües et incohérentes d'une personne à une autre mais aussi dépendantes du contexte lui-même, à travers cette approche, on présente un système personnalisé de reconnaissance d'expressions faciales, dont la performance globale dépend directement de la performance du suivi d'un ensemble de points caractéristiques du visage. Ce suivi est effectué par une forme modifiée d'une technique d'estimation de disparité faisant intervenir la phase de Gabor. Dans cette thèse, on propose une redéfinition de la mesure de confiance et introduisons une procédure itérative et conditionnelle d'estimation du déplacement qui offrent un suivi plus robuste que les méthodes originales.

Évaluation d'un modèle a priori basé sur un seuillage de la TCD en super-résolution et comparaison avec d'autres modèles a priori

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Video-based postural sway analysis in a controlled environment

À mesure que la population des personnes agées dans les pays industrialisés augmente au fil de années, les ressources nécessaires au maintien du niveau de vie de ces personnes augmentent aussi. Des statistiques montrent que les chutes sont l’une des principales causes d’hospitalisation chez les personnes agées, et, de plus, il a été démontré que le risque de chute d’une personne agée a une correlation avec sa capacité de maintien de l’équilibre en étant debout. Il est donc d’intérêt de développer un système automatisé pour analyser l’équilibre chez une personne, comme moyen d’évaluation objective. Dans cette étude, nous avons proposé l’implémentation d’un tel système. En se basant sur une installation simple contenant une seule caméra sur un trépied, on a développé un algorithme utilisant une implémentation de la méthode de détection d’objet de Viola-Jones, ainsi qu’un appariement de gabarit, pour suivre autant le mouvement latéral que celui antérieur-postérieur d’un sujet. On a obtenu des bons résultats avec les deux types de suivi, cependant l’algorithme est sensible aux conditions d’éclairage, ainsi qu’à toute source de bruit présent dans les images. Il y aurait de l’intérêt, comme développement futur, d’intégrer les deux types de suivi, pour ainsi obtenir un seul ensemble de données facile à interpréter.

A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

Détection de mouvement par modèle biologique de fusion de donnée inspiré de la rétine humaine

Ce mémoire s'intéresse à la détection de mouvement dans une séquence d'images acquises à l'aide d'une caméra fixe. Dans ce problème, la difficulté vient du fait que les mouvements récurrents ou non significatifs de la scène tels que les oscillations d'une branche, l'ombre d'un objet ou les remous d'une surface d'eau doivent être ignorés et classés comme appartenant aux régions statiques de la scène. La plupart des méthodes de détection de mouvement utilisées à ce jour reposent en fait sur le principe bas-niveau de la modélisation puis la soustraction de l'arrière-plan. Ces méthodes sont simples et rapides mais aussi limitées dans les cas où l'arrière-plan est complexe ou bruité (neige, pluie, ombres, etc.). Cette recherche consiste à proposer une technique d'amélioration de ces algorithmes dont l'idée principale est d'exploiter et mimer deux caractéristiques essentielles du système de vision humain. Pour assurer une vision nette de l’objet (qu’il soit fixe ou mobile) puis l'analyser et l'identifier, l'œil ne parcourt pas la scène de façon continue, mais opère par une série de ``balayages'' ou de saccades autour (des points caractéristiques) de l'objet en question. Pour chaque fixation pendant laquelle l'œil reste relativement immobile, l'image est projetée au niveau de la rétine puis interprétée en coordonnées log polaires dont le centre est l'endroit fixé par l'oeil. Les traitements bas-niveau de détection de mouvement doivent donc s'opérer sur cette image transformée qui est centrée pour un point (de vue) particulier de la scène. L'étape suivante (intégration trans-saccadique du Système Visuel Humain (SVH)) consiste ensuite à combiner ces détections de mouvement obtenues pour les différents centres de cette transformée pour fusionner les différentes interprétations visuelles obtenues selon ses différents points de vue.

Scoliosis Follow-Up Using Noninvasive Trunk Surface Acquisition

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a musculoskeletal pathology. It is a complex spinal curvature in a 3-D space that also affects the appearance of the trunk. The clinical follow-up of AIS is decisive for its management. Currently, the Cobb angle, which is measured from full spine radiography, is the most common indicator of the scoliosis progression. However, cumulative exposure to X-rays radiation increases the risk for certain cancers. Thus, a noninvasive method for the identification of the scoliosis progression from trunk shape analysis would be helpful. In this study, a statistical model is built from a set of healthy subjects using independent component analysis and genetic algorithm. Based on this model, a representation of each scoliotic trunk from a set of AIS patients is computed and the difference between two successive acquisitions is used to determine if the scoliosis has progressed or not. This study was conducted on 58 subjects comprising 28 healthy subjects and 30 AIS patients who had trunk surface acquisitions in upright standing posture. The model detects 93% of the progressive cases and 80% of the nonprogressive cases. Thus, the rate of false negatives, representing the proportion of undetected progressions, is very low, only 7%. This study shows that it is possible to perform a scoliotic patient's follow-up using 3-D trunk image analysis, which is based on a noninvasive acquisition technique.

Analysis of scoliosis trunk deformities using ICA

This paper describes a method for analyzing scoliosis trunk deformities using Independent Component Analysis (ICA). Our hypothesis is that ICA can capture the scoliosis deformities visible on the trunk. Unlike Principal Component Analysis (PCA), ICA gives local shape variation and assumes that the data distribution is not normal. 3D torso images of 56 subjects including 28 patients with adolescent idiopathic scoliosis and 28 healthy subjects are analyzed using ICA. First, we remark that the independent components capture the local scoliosis deformities as the shoulder variation, the scapula asymmetry and the waist deformation. Second, we note that the different scoliosis curve types are characterized by different combinations of specific independent components.

Studies on the Development and Control of Desiccation cracks in compacted clay liner soils

The present study aimed at critically looking at the current practice of the installation of compacted clay liner using bentonite enhanced sand (BES). The application of bentonite is currently the most accepted practice for lining purposes. The ideal bentonite sand combination, which satisfies the liner requirements is 20% bentonite and 80% sand, was selected as one of the liner materials for the investigation of development of desiccation cracks. Locally available sundried marine clay and its combination with bentonite were also included in the study. The desiccation tests on liner materials were conducted for wet/dry cycles to simulate the seasonal variations. Digital image processing techniques were used to measure the crack intensity factor (CIF), a useful and effective parameter for quantification of desiccation cracking. The repeatability of the tests could be well established, as the variation in CIF values of identical samples had a very narrow range of 0 to 2%. The studies on the development of desiccation cracks showed that the CIF of bentonite enhanced sand mixture (BES) was 18.09%, 39.75% and 21.22% for the first, second and third cycles respectively, while it was only 9.83%, 7.52% and 4.58% respectively for sun dried marine clay (SMC). Thus the locally available, alternate liner material suggested, viz SMC, is far superior to BES, when subjected to alternate wet/dry cycles. Further, the improvement of these liner materials when amended with randomly distributed fibre reinforcements was also investigated. Three types of fibres ,namely nylon fibre, polypropylene monofilament and polypropylene fibre mesh were used for the study of fibre amended BES and SMC.The influence of these amendments on the properties of the above liner materials is also studied. The results showed that there is definite improvement in the properties of the liner materials when it is reinforced with discrete random fibres. The study also proved that the desiccation cracks could be controlled with the help of fibre reinforcement.

Development of Time - Frequency Techniques for Sonar Applications

Sonar signal processing comprises of a large number of signal processing algorithms for implementing functions such as Target Detection, Localisation, Classification, Tracking and Parameter estimation. Current implementations of these functions rely on conventional techniques largely based on Fourier Techniques, primarily meant for stationary signals. Interestingly enough, the signals received by the sonar sensors are often non-stationary and hence processing methods capable of handling the non-stationarity will definitely fare better than Fourier transform based methods.Time-frequency methods(TFMs) are known as one of the best DSP tools for nonstationary signal processing, with which one can analyze signals in time and frequency domains simultaneously. But, other than STFT, TFMs have been largely limited to academic research because of the complexity of the algorithms and the limitations of computing power. With the availability of fast processors, many applications of TFMs have been reported in the fields of speech and image processing and biomedical applications, but not many in sonar processing. A structured effort, to fill these lacunae by exploring the potential of TFMs in sonar applications, is the net outcome of this thesis. To this end, four TFMs have been explored in detail viz. Wavelet Transform, Fractional Fourier Transfonn, Wigner Ville Distribution and Ambiguity Function and their potential in implementing five major sonar functions has been demonstrated with very promising results. What has been conclusively brought out in this thesis, is that there is no "one best TFM" for all applications, but there is "one best TFM" for each application. Accordingly, the TFM has to be adapted and tailored in many ways in order to develop specific algorithms for each of the applications.

Development of a New Transform:MRT

Fourier transform methods are employed heavily in digital signal processing. Discrete Fourier Transform (DFT) is among the most commonly used digital signal transforms. The exponential kernel of the DFT has the properties of symmetry and periodicity. Fast Fourier Transform (FFT) methods for fast DFT computation exploit these kernel properties in different ways. In this thesis, an approach of grouping data on the basis of the corresponding phase of the exponential kernel of the DFT is exploited to introduce a new digital signal transform, named the M-dimensional Real Transform (MRT), for l-D and 2-D signals. The new transform is developed using number theoretic principles as regards its specific features. A few properties of the transform are explored, and an inverse transform presented. A fundamental assumption is that the size of the input signal be even. The transform computation involves only real additions. The MRT is an integer-to-integer transform. There are two kinds of redundancy, complete redundancy & derived redundancy, in MRT. Redundancy is analyzed and removed to arrive at a more compact version called the Unique MRT (UMRT). l-D UMRT is a non-expansive transform for all signal sizes, while the 2-D UMRT is non-expansive for signal sizes that are powers of 2. The 2-D UMRT is applied in image processing applications like image compression and orientation analysis. The MRT & UMRT, being general transforms, will find potential applications in various fields of signal and image processing.

Development of Shape Descriptors Based on Legendre Polynomials and Content-Based Retrieval of Scoliosis Images

The wealth of information available freely on the web and medical image databases poses a major problem for the end users: how to find the information needed? Content –Based Image Retrieval is the obvious solution.A standard called MPEG-7 was evolved to address the interoperability issues of content-based search.The work presented in this thesis mainly concentrates on developing new shape descriptors and a framework for content – based retrieval of scoliosis images.New region-based and contour based shape descriptor is developed based on orthogonal Legendre polymomials.A novel system for indexing and retrieval of digital spine radiographs with scoliosis is presented.

Fractal based techniques for classification of mammograms and identification of microcalcifications

After skin cancer, breast cancer accounts for the second greatest number of cancer diagnoses in women. Currently the etiologies of breast cancer are unknown, and there is no generally accepted therapy for preventing it. Therefore, the best way to improve the prognosis for breast cancer is early detection and treatment. Computer aided detection systems (CAD) for detecting masses or micro-calcifications in mammograms have already been used and proven to be a potentially powerful tool , so the radiologists are attracted by the effectiveness of clinical application of CAD systems. Fractal geometry is well suited for describing the complex physiological structures that defy the traditional Euclidean geometry, which is based on smooth shapes. The major contribution of this research include the development of • A new fractal feature to accurately classify mammograms into normal and normal (i)With masses (benign or malignant) (ii) with microcalcifications (benign or malignant) • A novel fast fractal modeling method to identify the presence of microcalcifications by fractal modeling of mammograms and then subtracting the modeled image from the original mammogram. The performances of these methods were evaluated using different standard statistical analysis methods. The results obtained indicate that the developed methods are highly beneficial for assisting radiologists in making diagnostic decisions. The mammograms for the study were obtained from the two online databases namely, MIAS (Mammographic Image Analysis Society) and DDSM (Digital Database for Screening Mammography.

A Study of Morphological Operators with Applications

The present work deals with the A study of morphological opertors with applications. Morphology is now a.necessary tool for engineers involved with imaging applications. Morphological operations have been viewed as filters the properties of which have been well studied (Heijmans, 1994). Another well-known class of non-linear filters is the class of rank order filters (Pitas and Venetsanopoulos, 1990). Soft morphological filters are a combination of morphological and weighted rank order filters (Koskinen, et al., 1991, Kuosmanen and Astola, 1995). They have been introduced to improve the behaviour of traditional morphological filters in noisy environments. The idea was to slightly relax the typical morphological definitions in such a way that a degree of robustness is achieved, while most of the desirable properties of typical morphological operations are maintained. Soft morphological filters are less sensitive to additive noise and to small variations in object shape than typical morphological filters. They can remove positive and negative impulse noise, preserving at the same time small details in images. Currently, Mathematical Morphology allows processing images to enhance fuzzy areas, segment objects, detect edges and analyze structures. The techniques developed for binary images are a major step forward in the application of this theory to gray level images. One of these techniques is based on fuzzy logic and on the theory of fuzzy sets.Fuzzy sets have proved to be strongly advantageous when representing in accuracies, not only regarding the spatial localization of objects in an image but also the membership of a certain pixel to a given class. Such inaccuracies are inherent to real images either because of the presence of indefinite limits between the structures or objects to be segmented within the image due to noisy acquisitions or directly because they are inherent to the image formation methods.