Дисертації з теми "Surfaces – Texture – Simulation, Méthodes de"

L'objectif principal de cette these consiste a integrer des surfaces complexes y compris les textures dans un calcul de radiosite. Dans une approche de radiosite habituelle, tous les objets contenus dans la scene, y compris les objets complexes et les textures, sont systematiquement subdivises en un certain nombre fini de carreaux. Selon la complexite des objets et des textures, une telle subdivision peut generer un nombre tres important de carreaux. Le calcul de radiosite devient alors couteux en temps de calcul et en espace memoire. Nous avons introduit quelques techniques permettant le calcul de l'eclairage global pour des scenes composees de n'importe quel type de surface ou texture. Des surfaces virtuelles hierarchiques ont ete utilisees pour l'estimation des echanges d'energie entre differentes surfaces complexes. L'utilisation de brdfs au niveau de ces surfaces virtuelles permet de mieux tenir compte de la geometrie des surfaces complexes lors du calcul de l'eclairage. Nous avons propose deux methodes de radiosite pour le calcul de ces echanges d'energie. La premiere, basee sur une radiosite progressive, utilise des facteurs de forme de monte carlo complexes aux surfaces virtuelles. La deuxieme methode est une technique hierarchique avec regroupement de carreaux utilisant les brdfs associees aux surfaces virtuelles. Le rendu final est assure par l'utilisation d'un eclairement solide (ou plan selon le type de la surface complexe). Une combinaison de cette approche avec celle d'un cumul final partiel permet de tirer profit de leurs avantages respectifs. Grace a la hierarchie des surfaces virtuelles et leur combinaison avec un sur-echantillonnage (une technique classique mais tres couteuse), l'aliassage est fortement diminue au moment du rendu des surfaces complexes. Des methodes simples de traitement des effets d'inter-reflexions au niveau micro-echelle, non pris en compte par les precedentes techniques, ont ete proposees.

La technologie haptique offre aux utilisateurs un moyen unique d'interagir avec les mondes virtuels en permettant le transfert direct d'informations entre les interfaces et l'être humain par le biais du sens du toucher. Les dispositifs haptiques de surface utilisent différentes techniques pour moduler la friction afin de simuler la texture. Dans le cas des surfaces haptiques à ultrasons, on utilise des céramiques piézoélectriques qui, alimentées par une tension alternative sinusoïdale, provoquent un mouvement à la surface du dispositif. Ce mouvement est transmis et amplifié par le matériau, à sa fréquence de résonance.Les modes vibratoires transversaux sont couramment utilisés dans la technologie haptique des surfaces ultrasoniques. Ce travail évalue la possibilité d'utiliser les vibrations longitudinales comme une alternative technologique pour produire un retour haptique dans les dispositifs à ultrasons. Pour cela, des comparaisons sont effectuées sur les deux familles de modes, à partir d’un dispositif dédié à la fois d’un point de vue performances énergétiques et qualité des stimuli perçus. L'action et la perception de l'homme dans ce contexte sont très importantes. Malheureusement, en raison de la complexité des phénomènes de friction, la réponse sensorielle est différente d'un utilisateur à l'autre, avec le même stimulus haptique. Pour cette raison, il est intéressant d'explorer l'humain dans la boucle de simulation tactile. Dans ce but, une première tentative de développer le concept de "Human-in-the-Loop" en haptique de surface est présentée dans cette thèse, en utilisant le formalisme EMR (Energetic Macroscopic Representation) développé au sein de l'équipe de contrôle du L2EP et déjà couramment appliqué au HIL (Hardware in the Loop).Cette thèse est organisée comme suit : le chapitre 1 présente l'état de l'art et le positionnement. Le chapitre 2 présente la création et le contrôle d'un dispositif haptique de surface à ondes longitudinales. Dans le chapitre 3, le modèle d'interaction à l'origine de l'effet de modulation de la friction avec la vibration longitudinale ultrasonique est proposé et validé pour le cas où l'exploration se fait dans le même axe que le mouvement de l'onde, ainsi que le cas plus général où l'exploration se fait dans toute autre direction. Dans le chapitre 4, une série d'expériences est conçue pour effectuer une analyse comparative entre la vibration ultrasonore longitudinale et transversale, en termes de besoins énergétiques pour une intensité de texture donnée. A partir de cette étude, il est possible de percevoir une problématique importante dans la conception de dispositifs haptiques de surface à ultrasons : l'adaptation du retour haptique à chaque utilisateur pour obtenir une perception standardisée. Le chapitre 5 traite de cette problématique, en introduisant le concept de force acoustique du doigt et sa corrélation avec le phénomène de réduction de la friction. Enfin, le chapitre 6 présente les leçons apprises dans les chapitres précédents dans une perspective "Human-in-the-loop" et explore les applications futures possibles de ce type d'analyse.Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Mint à l'IRCICA. Il fait donc partie de l'équipe collaborative 'CRIStAL-L2EP-MINT, et du groupe CNRS GdR TACT
Haptic technology offers users a unique way of interacting with the virtual world, as it allows direct information transfer between the interfaces and the human through the sense of touch. Surface haptic devices use different techniques to achieve friction modulation in order to simulate texture. In the case of ultrasonic surface haptics, this is achieved with the use of piezoelectric ceramics, which, supplied by a sinusoidal alternating voltage, elicit motion on the surface of the device. This motion is transmitted and amplified by the material, at its resonance frequency.Transversal vibrational modes are commonly used in ultrasonic surface haptic technology. This work evaluates the possibility to use longitudinal vibration as a technological alternative to produce haptic return in ultrasonic devices. Valuable comparisons between transverse and longitudinal modes are performed on a dedicated device, both on the point of view of energetic behavior and stimuli perception quality. The action and perception of the human in this context are very important. Unfortunately, due to the complexity of friction phenomena, the sensory response is different from one user to another, with the same haptic stimulus. For this reason, it is interesting to explore the human in the tactile simulation loop. With this purpose in mind, an initial attempt to develop the concept of "Human-in-the-Loop" in surface haptics is given in this thesis, using the EMR formalism, (Energetic Macroscopic Representation)developed within the L2EP Control team and already commonly applied to HIL (Hardware in the Loop).This PhD thesis is organized as follows: chapter 1 presents the state of the art and the positioning. Chapter 2 presents the creation and control of a longitudinal wave surface haptic device. In Chapter 3, the interaction model at the origin of the friction modulation effect with ultrasonic longitudinal vibration is proposed and validated for the case where the exploration occurs in the same axis as the wave motion, as well as the more general case where the exploration occurs in any other direction. In Chapter 4, a series of experiments are conceived to perform a comparative analysis between longitudinal and transverse ultrasonic vibration, in terms of energetic requirements for a given texture intensity. From this study, it is possible to perceive one important problematic in the design of ultrasonic surface haptic devices: the adaptation of the haptic feedback to each user to achieve a standardized perception. Chapter 5 deals with this problematic, by introducing the concept of acoustic finger force and its correlation with the friction reduction phenomenon. Finally, Chapter 6 presents the lessons learned in the previous chapters in a ‘Human-in-the-loop’ perspective and explores the possible future applications of this type of analysis.This work has been carried out within the framework of the Mint Project at IRCICA. It takes, therefore, part in the collaborative ‘CRIStAL-L2EP-MINT’ team, and CNRS GdR TACT group

Dans le contexte actuel de diminution des pollutions d'origine agricole, laréduction des apports d'intrants devient un enjeu primordial. En France, laviticulture est l'activité qui possède le taux le plus important de traitementsphytosanitaires par unité de surface. Elle représente, à elle seule, 20% de laconsommation annuelle de pesticides. Par conséquent, il est nécessaire d'étudierle devenir des pesticides appliqués afin de réduire les quantités perduesdans l'environnement. Dans le cadre de la réduction d'apport de produitsphytosanitaires dans les vignes, de nombreux travaux ont été effectués sur lamodélisation du comportement d'un spray de gouttelettes et sa répartitionau niveau de la parcelle et de l'air environnant. Cependant, il est égalementimportant de s'intéresser au comportement de la gouttelette directement auniveau de la feuille. Les progrès dans le domaine de l'imagerie et la diminutiondu coût des systèmes ont rendus ces systèmes beaucoup plus attractifs.Le travail de cette thèse consiste en la mise en place d'un système d'imagerierapide qui permet l'observation du comportement à l'impact de gouttelettesrépondant aux conditions de pulvérisation. Les caractéristiques ainsi que lecomportement associé de chaque gouttelette sont extraits grâce à une méthodede suivi d'objets. Une analyse statistique basée sur un nombre représentatifde résultats permet ensuite d'évaluer de manière robuste le devenir d'unegoutte en fonction de ses caractéristiques. Parallèlement, un paramètre décrivantl'état de surface de la feuille est également étudié grâce à l'imagerie : larugosité qui joue un rôle prédominant dans la compréhension des mécanismesd'adhésion

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’aspect général des surfaces rugueuses, et tout particulièrement à celui de surfaces d’acier, revêtues ou non,pouvant se destiner à de très larges domaines d’applications. Par aspect de surface, nous entendons ici caractéristiques générales de texture sans nous focaliser sur des défauts très localisés. Actuellement, le contrôle de l’aspect des surfaces en phase de production s’obtient par échantillonnage régulier du produit et par comparaison visuelle avec des échantillons de référence. Non seulement cette méthode ne permet pas un contrôle continu des tôles produites, mais elle introduit également une certaine subjectivité dans l’évaluation de leur apparence. Dans un premier temps, nous développons un système de caractérisation des surfaces basé sur l’extraction de descripteurs morphologiques (segmentation des surfaces, granulométrie, courbe de tortuosité) et statistiques (courbe de covariance, histogramme des pentes, orientation des normales). Nous nous intéressons ensuite à la distribution, et en particulier à la variance, de ces descripteurs lorsque l’on observe plusieurs fois une même surface en plusieurs endroits différents. Ceci nous amènera tout d’abord à utiliser des techniques de géostatistique puis à exploiter des méthodes de sur-échantillonnage de type bootstrap dans des situations délicates de dépendance entre variables. Dans un second temps, nous proposons une méthode statistique basée sur plusieurs étapes d’analyse factorielle permettant de choisir un espace de représentation adapté à la mise en oeuvre d’une classification bayesienne. Cette méthodologie générale d’étude des surfaces sera ensuite appliquée à une situation réelle : la classification automatique de surfaces de type "peau d’orange" en fonction de la qualité de leur aspect. Après plusieurs essais en laboratoire, nous étudions la mise en ligne d’un système d’acquisition d’images de façon à mettre en place un contrôle systématique de l’aspect des surfaces lors de leur production. Pour améliorer encore les performances de notre système, nous envisageons une possible caractérisation des surfaces par des arbres d’inondation et nous développons un algorithme de division d’arbre en sous-arbre afin d’appliquer des méthodes de bootstrap à ces structures particulières. Enfin, nous nous intéressons au comportement optique des surfaces à travers deux problèmes. Nous simulons d’abord, à partir de données topographiques, l’image caméra que l’on obtiendrait dans une configuration optique donnée, puis nous abordons le problème inverse, qui consiste à calculer la topographie d’une surface à partir d’une seule image caméra. Tous ces éléments s’inscrivent dans le cadre d’un effort marqué des producteur d’acier en général, et d’Arcelor en particulier, pour mieux comprendre la notion d’esthétisme pour les surfaces afin de prévoir et même d’anticiper les attentes des utilisateurs en ce domaine. Dans cette optique, les outils que nous avons développés ouvrent des perspectives pour tenter de caractériser au mieux la "surface idéale" pour une application donnée
In this PhD, we have focused our interest on studying general aspect of rough surfaces and particularly steel surfaces, that can be coated and designed for any kind of applications. In the following, the words surface aspect have to be understood as general texture characteristics without taking into account local defects. The control of such an aspect during production process is performed by regular sampling of the product and visual comparison with a reference data set. This method does not only forbid a continuous quality control of surface aspect, but also introduces a very subjective part in surfaces appearance evaluation. Firstly, we develop a set of morphological features (based on surface segmentation, tortuosity map, granulometry. . . ) as well as statistical features (covariance curve, slopes histogram. . . ), that leads us to surface characterization. The question of features stability is then considered by means of features variance when a large surface is characterized several times using independent observation windows. Some geostatistical tools enable us to address this problem in some particular cases and bootstrap over-sampling is also introduced with special care to statistical dependence between variables. A statistical method based on different steps of factorial analysis is then introduced in order to chose a representation space that is well suited for bayesian classification. This very generic methodology for analyzing surface texture is then applied to a real problem. We study the automatic classification of surfaces with "orangepeel" aspect according to the quality of their appearance. Once successful experiments were performed in laboratory using interferometric microscopy, we design a vision system based on a collimated source and a matricial camera, so that an automatic and systematic quality control of surface aspect can be set up on production line. In order to improve our classifier performance, the possibility of using flooding trees for texture characterization is considered and we develop an algorithm to divide a flooding tree into subtrees so that bootstrap techniques become usable with such a particular data structure. Finally, the optical behavior of surfaces is modeled by the way of ray casting in order to simulate the image obtained by a camera under specific lighting conditions. Reciprocally, we propose an algorithm to compute a surface topography if only a single camera image is known. All these points join a recent dynamic coming from steel industry in general and Arcelor group in particular, that should lead to a better understanding of esthetic for surfaces, the final aim being the prediction and anticipation of consumer’s desires in this particular field. Considering this, our tools open perspectives for defining the "ideal surface" for a given application

La modulation de frottement par vibrations ultrasoniques est une des méthodes utilisées pour produire une stimulation tactile. L’amplitude de vibration est modulée en fonction de la position du doigt pour donner l’illusion à l’utilisateur de toucher une texture. L’objectif de cette thèse est de développer une interface tactile permettant de simuler la sensation tactile de textures complexes telles que des surfaces textiles. Pour ce faire, nous avons tout d’abord implanté une méthode de contrôle robuste du stimulateur tactile du L2EP grâce au développement d’un modèle du comportement vibratoire. Ce contrôle assure également le suivi de la fréquence de résonance afin d’optimiser l’efficacité énergétique du dispositif. Dans un second temps et après avoir évalué la relation entre les aspects tribologiques de l’interaction doigt/stimulateur et la perception des stimuli, nous avons prouvé par une étude statistique que le «contraste en frottement» est le paramètre le plus significatif et donc celui à programmer pour qualifier la variation de perception du frottement. Cette étude nous a menés à concevoir un nouveau dispositif tactile appelé SmartTac, intégrant des nouveaux capteurs de force permettant de mesurer et contrôler directement le coefficient de frottement qu’il soit adaptatif au doigt du sujet. Enfin, après avoir décrit une méthode d’extraction des propriétés tribologiques de trois surfaces textiles très différentes, la simulation de ces textures est entreprise avec le SmartTac. Notre approche est testée par la réalisation d’une expérience psychophysique sur la correspondance entre surfaces simulées et surfaces réelles: un taux de réussite de 78% valide notre démarche
The friction modulation produced by ultrasonic vibrations is one of the methods which produce the tactile stimulation. The vibration amplitude is modulated depending on the finger position to give the illusion of touching a texture. This thesis aims at developing a tactile device able to simulate the sensation of touching complex textures such as textile fabrics. For this aim, we modelled first the vibration behaviour and proposed a new strategy to track the resonance frequency of the tactile device and to improve the robustness of the control. On the other hand, the relationship between the tribological aspects of interaction finger / stimulator and the perception of stimuli is assessed to define the most perceived tribological criteria. The tribological parameter named “friction contrast” is introduced. Following this tribological study, we developed a new tactile device called SmartTac integrating new force sensors to measure and control directly the coefficient of friction and to make it adaptive to the user’s finger. Last, a method for extracting the tribological properties of three various textile fabrics is applied to simulate them. Our method is validated by conducting a psychophysical experiment with a success rate of 78%, matching the simulated surfaces to real surfaces

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de la segmentation de portraits numériques. Nous appelons portrait numérique la photographie d’une personne avec un cadre allant grossièrement du gros plan au plan poitrine. Le problème abordé dans ce travail est un cas spécifique de la segmentation d’images où il s’agit notamment de définir précisément la frontière de la région « cheveux ». Ce problème est par essence très délicat car les attributs de la région « cheveux » (géométrie, couleur, texture) présentent une grande variabilité à la fois entre les personnes et au sein de la région. Notre cadre applicatif est un système d’« essayage virtuel » de lunettes à destination du grand public, il n’est pas possible de contrôler les conditions de prise de vue comme l’éclairage de la scène ou la résolution des images, ce qui accroît encore la diculté du problème. L’approche proposée pour la segmentation de portraits numériques est une approche du plus grossier au plus fin procédant par étapes successives. Nous formulons le problème comme celui d’une segmentation multi-régions, en introduisant comme « régions secondaires », les régions adjacentes à la région « cheveux » , c.-à-d. les régions « peau » et « fond ». La méthode est fondée sur l’apparence (appearance-based method) et a comme spécificité le fait de déterminer les descripteurs de régions les plus adaptés à partir d’une base d’images d’apprentissage et d’outils statistiques. À la première étape de la méthode, nous utilisons l’information contextuelle d’un portrait numérique — connaissances a priori sur les relations spatiales entre régions— pour obtenir des échantillons des régions « cheveux », « peau » et « fond ». L’intérêt d’une approche fondée sur l’apparence est de pouvoir s’adapter à la fois aux conditions de prises de vue ainsi qu’aux attributs de chaque régions. Au cours de cette étape, nous privilégions les modèles de forme polygonaux couplés aux contours actifs pour assurer la robustesse du modèle. Lors de la seconde étape, à partir des échantillons détectés à l’étape précédente, nous introduisons un descripteur prenant en compte l’information de couleur et de texture. Nous proposons une segmentation grossière par classification en nous appuyant à nouveau sur l’information contextuelle : locale d’une part grâce aux champs de Markov, globale d’autre part grâce à un modèle a priori de segmentation obtenu par apprentissage qui permet de rendre les résultats plus robustes. La troisième étape ane les résultats en définissant la frontière des « cheveux » comme une région de transition. Cette dernière contient les pixels dont l’apparence provient du mélange de contributions de deux régions (« cheveux »et « peau » ou «fond »). Ces deux régions de transition sont post-traitées par un algorithme de «démélange » (digital matting) pour estimer les coecients de transparence entre « cheveux » et « peau », et entre « cheveux » et « fond ». À l’issue de ces trois étapes, nous obtenons une segmentation précise d’un portrait numérique en trois « calques », contenant en chaque pixel l’information de transparence entre les régions « cheveux », « peau » et « fond ». Les résultats obtenus sur une base d’images de portraits numériques ont mis en évidence les bonnes performances de notre méthode.

Nous abordons dans cette étude le problème de la reconstruction de courbes et de surfaces, à partir de points leur appartenant et sous l'hypothèse que la seule connaissance que nous avons sur ces points est celle de leurs coordonnées. Dans le cas des courbes, nous proposons une méthode basée sur l'approximation locale de la courbe par des cercles et sur le traitement global de sous-ensembles de points. Une méthode d'approximation robuste au moyen d'un problème de minimisation permet donc d'approcher localement la courbe par un cercle, et d'ordonner les sous-ensembles de points ainsi approchés. Des méthodes algorithmiques de découpe et de raccord permettent alors de mener à bien la reconstruction d'une courbe. L'existence de points multiples ou de points de rebroussement est prise en compte par une stratégie d'énumération des différentes morphologies locales de la courbe. La méthode s'avère aussi robuste lorsque les points initiaux sont perturbés. Les complexités temporelle et en place mémoire optimales des algorithmes et de la structure de données, ainsi que l'ordonnancement global permettent de traiter des ensembles initiaux comportant un grand nombre de points. Des cas de surfaces radiales ou de surfaces correspondant au graphe d'une fonction ont été traités en approchant le nuage de points par une sphère. Les points sont projetés et triangulés selon la triangulation de Delaunay sur la sphère, et nous obtenons alors une surface polyèdrique liant les points. Des tests et des comparaisons avec des méthodes du type triangulations dépendantes des données sont établis sur ces catégories de surfaces

La présence des structures normales du sein (texture) dans les images mammographiques numériques dégrade la pertormance de détection des radiologues. Nous proposons de nouveaux outils et de nouvelles méthodes pour étudier l'impact de la présence de texture sur la pertormance de détection des lésions dans ces images. Nous développons un outil permettant de synthétiser des images mammographiques avec une texture d'apparence réaliste. Nous évaluons l'impact de la texture sur le scoring d'un fantôme contraste-détail couramment utilisé en mammographie. Nous montrons que c fantôme non texturé est pertinent d'un point de vue clinique pour évaluer la détectabilité des microcalcifications, mais pas des lésions plu grandes comme les opacités. Nous proposons un nouvel observateur mathématique, basé sur une approche a-contrario introduite récemment. Avec une stratégie de détection proche de celle des radiologues dans leur tâche clinique, notre observateur est une alternative pertinente pour modéliser la perception visuelle humaine. Nous élargissons la méthode a-contrario au cas des images texturées et démontrons la capacité de cet observateur à prédire les lois de détectabilité dans diverses textures dont les textures mammographiques. Nous appliquons ces outils et méthodes à l'optimisation des paramètres d'acquisition d'un système de mammographie numérique. Nous montrons que le système actuel a atteint un optimum de fonctionnement. De plus, la variabilité induite par la texture ne peut pas être compensée en optimisant les paramètres d'acquisition du système, ce qui met en évidence l'intérêt des technologies d'imagerie du sein permettant de réduire l'influence de la texture
The presence of normal breast structure (texture) in digital mammography images decreases the detection pertormance of radiologists. We propose new tools and methods to study the impact of the presence of breast texture on the detectability of les ions in such images. We develop an image simulation tool which enables to synthesize mammography images with realistic texture appearance. We evaluate the impact of the texture on the scoring of a contrast-detail phantom commonly used in mammography. We show that this flat-field phantom is clinically relevant to assess the detectability of microcalcifications, but not of larger lesions such as masses. We propose a new mathematical observer, based on the recenUy introduced a-contrario framework. With a detection strategy close to th one of radiologists when looking for les ions in real clinical situations, this observer is a relevant alternative to model human visual perception. Extending the a-contrario framework to the case of textured backgrounds, we demonstrate the ability of the a-contrario observer to predict detectability laws in various textures and iparticular in mammography textures. We apply these new tools to the optimization of the acquisition parameters in digital mammography in presence of texture. We show that the current digital mammography systems have reached an optimal usage. Furthermore, we demonstrate that the variability on detection pertormance induced by breast texture can not be overcome by optimizing the acquisition techniques, highlighting the benefit of any breast imaging technology reducing the influence of breast texture

Chaque cadre doit contenir un résumé de 1000 caractères maximum, espaces compris. En cas de dépassement, la coupure sera automatique. Le doctorant adressera son texte sous forme électronique (disquette, etc. ) Pour les modalités pratiques, contactez votre bibliothèques. Le principal objectif de cette thèse est la conception et la production d'outils à destination des radiologues pour la délinéation des organes à risque dans le cadre du traitement par radiothérapie du cancer de la prostate. Les images passées entrées sont des images CT. Elles sont d'abord placées dans un repère commun à l'aide d'un recalage log-euclidien concentré sur les structures osseuses du pubis. Une suite progressive de traitements est ensuite appliquée: dans un premier temps, la vessie est segmentée, puis la prostate est ensuite localisée paralellement à la vessie, pour finir avec l'intégration de la délinéation du rectum. Compte tenu de l'hétérogénéité des images de la base de données sur laquelle nous avons travaillé, notre contribution principale est la flexibilité. La vessie est une structure à forte variabilité en termes de forme et d'intensité, notamment à cause du degré de remplissage et la présence ou l'absence d'un produit de contraste. La méthode proposée s'adapte non seulement aux formes très différentes des vessies de notre base de donnée, mais aussi au degré de replissage donnant lieu, dans le cas ou un produit de contraste a été administré, une h'etérogénéité notable dans la structure à segmenter. Le contraste de la prostate avec les tissus environnants est quasi-nul; son interface avec la vessie est souvent très difficile à distinguer, même par les experts médicaux. L'incorporation d'informations anatomiques sur la forme et d'informations images, couplée à une nouvelle contrainte d'interaction entre deux maillages, permet d'obtenir une bonne segmentation de la prostate et d'éliminer les ambiguités au niveau de l'interface entre les deux structures. L'incorportation du rectum est l'étape la plus délicate: les différences entre les protocoles d'acquisition de la base de données utilisée interdisent toute modélisation de l'intérieur du rectum: présence de matières fécales, insuflation d'air, présence d'un produit de contraste, présence d'une sonde etc. Les hypotheses faites sur les tissus connexes au rectum ainsi qu'une nouvelle contrainte tubulaire couplée a une pré-segmentation du squelette du rectum permettent d'obtenir un résultat probant. La chaîne de traitement qui a conduit a l'élaboration de cette thèse est en cours d'incorporation dans le logiciel Isogray produit par DOSIsoft, ce qui permet une validation plus approfondie dans des conditions cliniques
The main objective of this thesis is to provide radio--oncology specialists with automatic tools for delineating organs at risk of a patient undergoing a radiotherapy treatment of prostate tumors. In order to achieve this goal, we work with CT Scan images. The images are first put in a common frame of reference by means of locally--affine registration based on the pelvic bone structures. A progressive approach consisting of three stages is then applied: the bladder is first delineated, the prostate is later included, and the rectum segmentation is finally integrated. Given the highly heterogenous nature of the images in our database, our contribution for the segmentation process is centered on emph{flexibility}. The bladder is a highly variable structure, both in terms of shape (fillings, compression by surrounding organs) and of intensity levels, the latter due to inhomogeneities caused by the presence or absence (to various levels) of a contrast agent. We propose a segmentation approach that is able to automatically adapt both to the shape and, most remarkably, to the intensity variability. The prostate shows no distinct "edge" in the image itself; its interface with the bladder is often very difficult (if not impossible) to discern, even for the trained eye of medical experts. We have incorporated anatomical information and taken the intensity similarities into account in our approach to contour this structure. An original non--overlapping constraint optimizes the result in terms of image and shape prior information, in order to avoid ambiguities in the delineation of the common boundaries. Finally, the rectum is incorporated in the segmentation. Different acquisition protocols for the CT scans result in images containing rectums with very different characteristics in terms of shape and intensity (due to filling level and nature, air insufflation, contrast agent, etc. ). A flexible method that makes no assumptions about the interior of the structure has been developped and thoroughly tested. The developments that resulted from this thesis have been incorporated to the Isogray software by DOSIsoft, allowing further validation in clinical conditions

Un modèle de résolution bidimensionnelle qui permet une description précise des divers phénomènes intervenant dans le fonctionnement du TEC à grille submicronique. Ce modèle a permis d'analyser les influences du profil de dopage de la couche active, des phénomènes de surface et d'interface couche active-substrat semi-isolant, et de préciser l'intérêt de nouvelles structures à canal enterré (buried channel)

The aim of this work is to present a methodology permitting to quantify wind erosion, in particular the fluxes in mass on the southern Tunisian arid regions, A particular attention has been carried to the description and the assessment of the modifications of land use {extension of culture, change of agricultural practices, etc. ). An approach combining simulations in laboratory, experiences on parcels and modelling is implemented. Otherwise, this last technique, modelling, is considered like one main tools of investigating permitting to give elements of answer to the final objectives of this work. Some specific parametrisations bas been developed on the laboratory permitting, consequequently to describe the erosion fluxes on agricultural surfaces (Kardous. 2005a, 2005b). These relations, allow to derive solely from the geometric features of the ridged surfaces (the height, RH, and the spacing, RS) the aerodynamic roughness height (-„), the erosion threshold friction velocity and the saltation fluxes. To validate these parametrisation in situ, we had conduct in southern Tunisian arid region three experiences (2003. 2008 and 2009} on parcels plowed by three different tools (the disc, the moulboard and the tiller). These experiences show, on one hand that the model developed on the laboratory' reproduces very well the experimental results and describes on a satisfying way the saltation fluxes on agricultural surfaces in Tunisian arid zones. On the other hand, theses results indicate also that erosion fluxes are smaller for the mouldboard, intermediate with the tiller and the higher for the disc. To simulate the emission of erosion fluxes the scale of arid and desert Tunisian zones, we used a meso-scale model, the regional Atmospheric Modeling System (RAMS) coupled on line with the Dust production model (DPM) developed by Marticorena and Bergametti (1995) and Laurent (2005). We had, first identified the most frequent and intense simulated zones sources of clust emission, We evaluated also the relative contribution of both natural surfaces and land agricultural uses to the fluxes in mass. The results suggest that the wind erosion stays predominant on the natural surfaces. Finally. A very marked seasonal cycle of the emissions is simulated with a maximum in the spring and in the beginning of the summer. This cycle is mainly due to the high wind speed generally observed on this period of year. Iron dust solubility in atmospheric waters is critical to estimate the effect of its deposition on primary production, especially on global carbon cycle. My PhD studies the effect of atmospheric organic complexation on iron dust dissolution. First of all, I studied the water soluble fraction of collected aerosols in the source region during strong biomass burning event, an important source of organic compounds. Second of all, I performed laboratory experiments with dust particles from different African sources and different organic compounds measured in the atmosphere. This work have highlight that the variability of iron dust solubility could be linked to the organic complexation. Oxalic acid is the most important iron ligand in the atmosphère and is the one with the most important effect on iron solubility, but others organic compounds such as malonic, tartane, glycolic acids or HULIS could enhanced the dissolution of iron. This dissolution, without light, is reductive and lead to the formation of Fe(II). I found a linear dissolution for dust iron in presence of increasing concentration of oxalate and HULIS, but for the other compounds the dissolution seems to be limited. I also found that the mineralogical composition of iron contained in dust is very important, and the dissolution is controlled by me presence of iron from clay minerals rather than iron from (hydr-)oxides.

L'objectif de ce travail est le développement d'un modèle et d'une méthode numérique adaptés à la simulation du ruissellement d'eau de pluie sur des surfaces agricoles. Pour cela, nous utilisons un système d'équations aux dérivées partielles pour les eaux peu profondes : le système de Saint Venant. La pluie et l'infiltration y sont pris en compte par l'ajout de termes source et le couplage avec un modèle d'infiltration. Le système étant hyperbolique et conservatif nous choisissons d'utiliser un schéma aux volumes finis avec reconstruction hydrostatique. Avec cette reconstruction nous obtenons un schéma permettant de traiter les équilibres stationnaires et les interfaces sec/mouillé dues aux événements pluvieux. Tout d'abord, nous effectuons une comparaison systématique de différents flux numériques, de différentes reconstructions d'ordre deux (MUSCL et ENO modifiées) et de différentes méthodes de traitement des frottements sur des solutions analytiques unidimensionnelles. Ces comparaisons nous permettent de choisir une méthode numérique adaptée à la simulation du ruissellement qui en outre capture les phénomènes de type roll-waves. Ensuite nous nous intéressons au traitement de la pluie et de l'infiltration à l'aide du modèle de Green-Ampt. Cette méthode généralisée en dimension deux est validée sur des résultats expérimentaux obtenus à l'INRA d'Orléans et à l'IRD. La méthode numérique choisie et validée a été implémentée dans FullSWOF_2D un logiciel libre écrit en C++ pour la simulation de ruissellement d'eau de pluie sur des surfaces agricoles.

Le but principal de ce travail était d'optimiser le processus standard d'étirage des tubes de manière à contrôler l'excentricité, qui peut être la réduction ou l'augmentation de l'excentricité. Pour cette raison, l'inclinaison et / ou le déplacement ont été introduits respectivement dans le matrice et / ou le tube. Plusieurs tubes de matériaux différents - tels que le cuivre, l'aluminium, le laiton et l'acier - de différentes dimensions ont été étudiés. L’effet sur l'excentricité a été analysé en utilisant divers angles d'inclinaison, valeurs de déplacement ou combinaison d'inclinaison et de décalage. Tout en influençant et en contrôlant l'excentricité, l'évolution des contraintes résiduelles et de la texture due à l'inclinaison et / ou au décalage introduits ont été étudiées. L'autre objectif de ce travail était de développer un modèle FEM universel, afin d'obtenir les paramètres d'entrée requis, liés au matériau ou au processus ou aux deux. Ce modèle FEM a été utilisé pour accomplir la simulation du processus de formage du métal défini par l'utilisateur et pour analyser des situations plus complexes. À cet égard, un modèle de simulation multi-échelle a été développé à l'aide d'une méthode de simulation multi-échelle avec l'approche Integrated Computational Material Engineering
The main and foremost aim of this work was to optimize the standard tube drawing process in a way that the eccentricity can be controlled, which can be the reduction or increase of eccentricity. For this reason, tilting and/or shifting was introduced to the die and/or tube, respectively. Different tubes of varied materials, such as copper, aluminum, brass, and steel with different dimensions were investigated by various tilting angles, shifting values, or combination of tilting and shifting and their effect on the eccentricity was analyzed. Along influencing and controlling the eccentricity, the evolution of the residual stresses and texture due to the introduced tilting and /or shifting were investigated. The other aim of this work was to develop a universal FEM model, which can get the required or desired input parameters, which can be material-related or process related or both, and perform the simulation of the user-defined metal forming process and therewith analyze more complex situations. In this regard, a simulation model was developed using a multiscale simulation method with Integrated Computational Material Engineering approach

En raison de récents développements en microélectronique, un besoin croissant de techniques alternatives de caractérisation est apparu. L’analyse combinée quantitative par réflectométrie de rayons (XRR) et Fluorescence X en incidence rasante (GIXRF) est une technique de caractérisation prometteuse. En effet, elle permet d’accéder de façon non destructive et avec une bonne résolution au profil de distribution en profondeur de composition et de densité d’échantillons multicouches. Dans la littérature, peu ou pas de travaux utilise les potentialités de cette analyse combinée. Pour accélérer le développement de cette dernière, un groupe international collaboratif a donc été mis en place afin de partager les expertises, les équipements et les logiciels d'analyse. Leurs objectifs étaient d'appréhender les méthodologies pour l'acquisition et l'analyse des mesures combinées XRR-GIXRF, mais aussi d’évaluer les principes physiques, les possibilités ainsi que les limites de cette technique. Dans ce travail, après une présentation des protocoles et logiciels d'analyse existant, les solutions mises en œuvre dans différents logiciels afin de résoudre les problèmes de quantification et de correction des effets instrumentaux sont décrites. Des applications de l’analyse combinée XRR-GIXRF sur des échantillons d'intérêt sont ensuite présentées. En particulier, via l'étude des jonctions ultra fines et diverses multicouches, les capacités qualitatives et quantitatives de profilage en profondeur de la technique sont détaillées et comparées aux techniques de caractérisation classiques. Enfin, les limites de la technique XRR-GIXRF et les perspectives possibles sont également discutées
Due to recent developments in microelectronics, new in-depth characterization techniques are needed. Combined Grazing Incidence X-ray Fluorescence (GIXRF) and X-ray Reflectivity (XRR) analysis is as a promising alternative technique. Indeed, this technique allows obtaining, in a non-destructive way, the depth-profile composition and density of multilayered samples. In the literature, only few works using the potentiality of the XRR-GIXRF technique have been reported. Therefore, in order to accelerate the development of its application in materials characterization, a collaborative international group has been set up between laboratories to share expertise, equipment and analysis software. The objective was to apprehend the methodologies for the XRR-GIXRF acquisition, measurements analysis as well as the physical principles along with the possible limitations of the technique. In this work, after a presentation of the analysis protocols and software, the solutions implemented in different software in order to handle instrumental effects and quantification problems, are discussed. Subsequently, applications of the combined XRR-GIXRF technique on samples of interest are presented. In particular, through the investigation of Ultra-Shallow junctions and various multilayers, the qualitative and quantitative depth-profiling capabilities are demonstrated and compared to classical characterization techniques. Finally, limitations of the technique and possible outlooks are discussed

Les travaux réalisés ont pour principal objectif l’étude de l’interaction des ondes électromagnétiques avec une cible complexe; et aussi l’influence de l’environnement et les interactions EM qui peuvent avoir lieu entre la cible et la surface naturelle environnante considérée comme rugueuse. Ainsi, le présent travail vise l’étude et la simulation de la signature EM d’une cible complexe placée dans son environnement naturel. L’application retenue concerne la signature d’une cible complexe placée sur une surface maritime réaliste. La modélisation électromagnétique adoptée est basée sur les méthodes asymptotiques (Optique physique, Optique Géométrique, Méthode des Courants Equivalents) combinées à une méthode de tracer de rayons. La scène surface-cible est représentée par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible maillée est générée à l’aide d’un outil de CAO (CATIA), quant à la surface de mer, elle est générée à partir du spectre de mer d’Elfouhaily. L’ensemble surface-cible est ensuite traité comme une seule cible complexe. La méthodologie proposée a été évaluée via des simulations et aussi par des expérimentations. Les résultats de simulation ont été comparés à ceux publiés dans la littérature ouverte. Quant aux expérimentations, elles ont été effectuées dans la chambre anéchoïque du laboratoire en considérant différentes cibles (canoniques et ensuite complexes)
The purpose of this thesis is to study the electromagnetic scattering phenomena involved on rough sea surface in the presence of a complex object. To solve this problem, we have studied and applied a model based on asymptotic methods. The basic idea is to combine a ray tracing-based algorithm with the physical optics, geometrical optic and the method of equivalents edge currents. The comprehensive geometrical model of the complex object and sea surface is designed by CAD (CATIA) tools and the sea power spectrum. The sea surface is generated by using the Elfouhaily directional wave spectrum. Both the target and the sea surface are meshed with triangular patches in order to compute the scattered field. The results obtained were compared with those published in the literature and with measurements carried out in an anechoic chamber

Le mémoire est consacré à l'étude numérique des phénomènes survenant à l'interface solide-fluide. Trois processus ont été étudiés: auto-organisation de films moléculaires sur un substrat solide, adsorption du gaz moléculaires dans un matériau nanoporeux et la cristallisation à l'interface organique/inorganique. L'étude de l'auto-organisation et des transitions de phase dans des multicouches de l'azote moléculaires adsorbées sur graphite est présentée dans le chapitre III. L'analyse est focalisée sur l'hétérogénéité spatiale du système et son influence sur le mécanisme et température de transitions ordre/désordre et la fusion des couches. Elle complète ainsi l'étude numérique du diagramme de phase de l'azote moléculaire, bien connu pour le matériau massif (3D) et les monocouches (2D) adsorbées sur un substrat. Le chapitre IV présente une étude de cinétique du mélange des gaz (méthane et méthyle-mercaptan) confiné dans les nanopores de carbone (pores en forme de fentes, de dimensions latérales finies et largeur nanométrique). L'étude porte sur la capacité de stockage de pores, la dynamique des composantes du mélange des gaz sous confinement et l'évaluation de la quantité de l'odorant nécessaire pour une détection facile en cas de fuite. Chapitre V résume les résultats de l'étude préliminaire ayant pour but la mise en place des simulations de biomineralization à l'interface organique/inorganique. Les structures secondaires de deux biomolécules, human leucine-rich peptide hLRAP et full length amelogenin, rM179 ont été prédéterminées. Les plus probables configurations ont été optimisées dans un environnement aqueux
The present work is devoted to computer simulations of phenomena occurring at solid-fluid interfaces. Three processes have been studied in details: auto organization of molecular films at a solid substrate, adsorption of molecular gas in confined geometry and crystal formation at organic-inorganic interface. Two classical simulation methods have been used: stochastic Monte Carlo and deterministic Molecular Dynamics.The study of self-organisation and phase transitions in molecular nitrogen multilayers adsorbed on the basal plane of graphite is presented in chapter III. It focusses on the systems' spatial heterogeneity and its influence on temperatures of order-disorder and melting transitions. This study completes the numerical analysis of molecular nitrogen phase diagram, well described and understood for 3d (bulk) and 2D (monolayer film) systems.The analysis of kinetics of fluid confined in nanopores is presented in chapter IV. The working case consists of methane-methyl mercaptan mixtures confined in slit-shaped carbon nanopores. Simulations focused on both: storage capacity of carbon pores of finite size and nanometric width, and dynamics of gas mixture components under confinement. An evaluation of odorant content necessary for easy gas leak detection is presented.Chapter V gathers the results of calculations performed to set up the simulations of biomineralization at the organic-inorganic interface. The secondary structures of two amelogenins (human leucine-rich peptide, hLRAP, and full length amelogenin, rM179) have been predicted. The most probable structures have been further refined and the chain folding optimized in aqueous environment

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Mivana, est consacrée à la modélisation et à la simulation numérique de dispositifs cardiaques implantables. Ce projet est mené par les start-up Kephalios et Epygon, concepteurs de solutions chirurgicales non invasives pour le traitement de la régurgitation mitrale. La conception et la simulation de tels dispositifs nécessitent des méthodes numériques efficaces et précises capables de calculer correctement l’hémodynamique cardiaque. C’est le but principal de cette thèse. Dans la première partie, nous décrivons le système cardiovasculaire et les valves cardiaques avant de présenter quelques éléments de théorie concernant la modélisation mathématique de l’hémodynamique cardiaque. En fonction du degré de complexité adopté pour la modélisation des feuillets de la valve, deux approches sont identifiées : le modèle de surfaces résistives immergées et le modèle complet d’interaction fluide-structure. Dans la deuxième partie, nous étudions la première approche qui consiste à combiner une modélisation réduite de la dynamique des valves avec un découplage cinématique de l’hémodynamique cardiaque et de l’électromécanique. Nous l’enrichissons de données physiologiques externes pour la simulation correcte des phases isovolumétriques, pierres angulaires du battement cardiaque, permettant d’obtenir un modèle relativement précis qui évite la complexité des problèmes entièrement couplés. Ensuite, une série d’essais numériques sur des géométries 3D physiologiques, impliquant la régurgitation mitrale et plusieurs configurations de valves immergées, illustre la performance du modèle proposé. Dans la troisième et dernière partie, des modèles complets d’interaction fluide-structure sont considérés. Ce type de modélisation est nécessaire pour étudier des problèmes plus complexes où la précédente approche n’est plus satisfaisante, comme par exemple le prolapsus de la valve mitrale ou la fermeture d’une valve mécanique. D’un point de vue numérique, le développement de méthodes précises et efficaces est indispensable pour pouvoir simuler de tels cas physiologiques. Nous considérons alors une étude numérique complète dans laquelle plusieurs méthodes de maillages non compatibles sont comparées. Puis, nous présentons un nouveau schéma de couplage explicite dans le cadre d’une méthode de type domaine fictif pour lequel la stabilité inconditionnelle au sens de la norme en énergie est démontrée. Plusieurs exemples numériques en 2D sont proposés afin d’illustrer les propriétés et les performances de ce schéma. Enfin, cette méthode est finalement utilisée pour la simulation numérique 2D et 3D de dispositifs cardiovasculaires implantables dans un modèle complet d’interaction fluide-structure
This thesis, taking place in the context of the Mivana project, is devoted to the modeling and to the numerical simulation of implantable cardiovascular devices. This project is led by the start-up companies Kephalios and Epygon, conceptors of minimally invasive surgical solutions for the treatment of mitral regurgitation. The design and the simulation of such devices call for efficient and accurate numerical methods able to correctly compute cardiac hemodynamics. This is the main purpose of this thesis. In the first part, we describe the cardiovascular system and the cardiac valves before presenting some standard material for the mathematical modeling of cardiac hemodynamics. Based on the degree of complexity adopted for the modeling of the valve leaflets, two approaches are identified: the resistive immersed surfaces model and the complete fluidstructure interaction model. In the second part, we investigate the first approach which consists in combining a reduced modeling of the valves dynamics with a kinematic uncoupling of cardiac hemodynamics and electromechanics. We enhance it with external physiological data for the correct simulation of isovolumetric phases, cornerstones of the heartbeat, resulting in a relatively accurate model which avoids the complexity of fully coupled problems. Then, a series of numerical tests on 3D physiological geometries, involving mitral regurgitation and several configurations of immersed valves, illustrates the performance of the proposed model. In the third and final part, complete fluid-structure interaction models are considered. This type of modeling is necessary when investigating more complex problems where the previous approach is no longer satisfactory, such as mitral valve prolapse or the closing of a mechanical valve. From the numerical point of view, the development of accurate and efficient methods is mandatory to be able to compute such physiological cases. We then consider a complete numerical study in which several unfitted meshes methods are compared. Next, we present a new explicit coupling scheme in the context of the fictitious domain method for which the unconditional stability in the energy norm is proved. Several 2D numerical examples are provided to illustrate the properties and the performance of this scheme. Last, this method is finally used for 2D and 3D numerical simulation of implantable cardiovascular devices in a complete fluid-structure interaction framework

Les interactions entre protéines jouent un rôle crucial dans les processus du vivant comme la communication cellulaire, l’immunité, la croissance, prolifération et la mort cellulaires. Ces interactions se font via leur surface et la perturbation des interactions entre protéines est à la base de nombreux processus pathologiques. Il est donc nécessaire de bien comprendre et caractériser la surface des protéines et leurs interactions mutuelles de manière à mieux comprendre les processus du vivant. Différentes méthodes de comparaison de la surface des protéines ont été développées ces dernières années mais aucune n’est assez puissante pour traiter l’ensemble des structures disponibles dans les différentes bases de données. Le projet de thèse est donc de développer des méthodes rapides de comparaison de surface et de les appliquer à la surface des macromolécules
Protein interactions play a crucial role in the living processes such as cell communication, immunity, cell growth, proliferation and death. These interactions occur through the surface of proteins and the disruption of their interactions is the start of many disease processes. It is therefore necessary to understand and characterize the surface of proteins and their interactions to better understand living processes. Different methods of protein surfaces comparison have been developed in the recent years but none are powerful enough to handle all the structures currently available in databases. The PhD project is to develop rapid methods of surface comparison and apply them to the surface of macromolecules

L'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et expérimentale, vers une meilleure compréhension des différents effets induits par la texturation de surface dans un contact lubrifié. Le but ultime est de proposer un motif de texture qui permette de réduire le frottement et le niveau de fuite d'une garniture mécanique. L'étude bibliographique a permis d'identifier les différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la lubrification en présence de textures, les phénomènes physiques interagissant avec les textures et les différentes méthodes utilisées pour leur mise en forme. Une étude théorique utilisant un modèle conservatif basé sur l'équation de Reynolds est ensuite présentée. Dans la première partie de cette étude, les faces de frottement sont supposées parfaitement parallèles et les effets thermoélastiques sont négligés. Dans la seconde partie, les échanges de chaleur avec les anneaux et les déformations thermoélastiques sont pris en compte. Une étude paramétrique a permis de mieux comprendre l'influence des paramètres géométriques des textures, des défauts de formes et des déformations thermoélastiques des faces sur le fonctionnement de la garniture. En outre, cette étude a permis de définir une texture capable d'améliorer significativement les performances d'une garniture mécanique. Des essais expérimentaux ont ensuite été réalisés avec une garniture mécanique texturée et une garniture mécanique non texturée. Des mesures de couple de frottement et des relevés de température effectués par thermographie infrarouge ont montré que l'utilisation des textures permet de réduire de manière significative la température et le couple de frottement par rapport à une garniture à surfaces lisses. Enfin, une comparaison théorie/expérimentation a permis de valider le modèle développé qui prédit de façon correcte le comportement de la garniture texturée
The main objective of this thesis is to lead, through a theoretical and experimental study, to a better understanding of the various effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The ultimate goal is to provide a texture pattern that reduces friction and leakage of a mechanical seal. The literature review identified different theoretical and experimental works performed on lubrication in the presence of textures, physical phenomena interacting with textures and the different methods used for their manufacturing. A theoretical study using a conservative model based on Reynolds equation is then presented. In the first part of this study, the friction surfaces are assumed perfectly parallel and thermoelastic effects are neglected. ln the second part, heat transfer to the rings and thermoelastic deformations are taken into account. A parametric study then allows bettering our understanding of the influence of geometrical parameters of textures, defects and thermoelastic deformations of the faces on the performance of a mechanical seal. In addition, this study has identified a texture capable of significantly improving the performance of a mechanical seal. Experimental tests were then carried out with bath textured and untextured mechanical seals. Friction torque measurements and temperature measurements achieved by means of infrared thermography have shown that the use of textures allows to significantly reduce heat and friction torque compared with a seal with smooth surfaces. Finally, a comparison theory/experiment validated the developed model that predicts correctly the behavior of the textured mechanical seal

Les risques d'éboulements doivent être évalués et surveillés afin de prévenir les pertes de vies humaines et dommages aux infrastructures. A cet égard, il est important de créer des catalogues d'événements et de comprendre la dynamique des éboulements. Les ondes sismiques peuvent être utiles à cette fin, car elles transmettent des informations précieuses sur l'événement. Elles sont générées lorsque des éboulements touchent le sol et peuvent être utilisées pour détecter, classer et localiser des événements. Plus encore, on peut déduire des propriétés des éboulements telles que leur volumes et leur comportement dynamique. Cependant, les signaux sismiques hautes fréquences (>1Hz) sont mal compris. En effet, ils sont associés à des sources sismiques complexes qui sont réparties dans l'espace et peuvent varier rapidement dans le temps. De plus, les ondes sismiques hautes fréquences sont susceptibles d'être diffusées et diffractées en raison des interactions avec les hétérogénéités du sol ou la topographie de surface. Cette thèse franchit une étape importante dans la compréhension des signaux sismiques hautes fré-quences des éboulements en simulant la propagation des ondes sismiques en utilisant la méthode des éléments spectraux (SEM) avec des profils de vitesse réalistes et des topographies de surface 3D. L'influence de la topographie sur le champ des ondes sismiques est étudiée. On constate que l'ampli-fication induite par la topographie est sensiblement différente entre les sources situées en profondeurs et celles situées en surface. En effet, les ondes de surface générées par des sources peu profondes sont exposées à une diffusion et à une diffraction constantes lorsqu'elles se déplacent le long de la surface. La désintégration de l'énergie le long de la surface est étudiée pour différents modèles de vitesse et des équations sont dérivées pour calculer rétroactivement l'énergie sismique totale rayonnée par la source. Ceci est intéressant du fait du lien entre l'énergie sismique et le volume d'éboulement. Afin de tenir compte des effets topographiques, il est proposé un facteur de correction qui peut être introduit dans le calcul de l'énergie. Les signaux sismiques générés par les éboulements du cratère Dolomieu du Piton de la Fournaise, à La Réunion, sont analysés. Les sismogrammes synthétiques sont utilisés pour identifier et interpréter les signaux observés qui sont générés par des impacts uniques. L'influence de la topographie sur les formes d'onde est démontrée et la sensibilité avec l'emplacement et la direction de la source est évaluée. Les caractéristiques du signal telles que les amplitudes et le contenu fréquentiel sont expliquées sur la base de la théorie du contact de Hertz. De plus, les rapports spectraux entre stations, calculés à partir des signaux sismiques d'éboulement, sont considérés comme caractéristiques de la position de la source. La comparaison avec les rapports spectraux simulés suggère qu'ils sont dominés par la propagation le long de la topographie plutôt que par le mécanisme de la source. Sur la base de ces résultats, une méthode est proposée pour la localisation des éboulements à l'aide de rapports énergétiques simulés entre stations. La méthode est appliquée pour localiser les éboulements dans le cratère de Dolomieu. La mise en œuvre de la méthode implique une fenêtre temporelle glissante qui permet une application simple sur des signaux sismiques continus. L'accent est mis sur la capacité de la méthode à surveiller l'activité des éboulements en temps réel
Rockfall hazard has to be evaluated and monitored in order to prevent loss of life and infrastructure. In this regard it is important to create event catalogs and understand rockfall dynamics. Seismic waves can help for this purpose as they carry valuable information of the event. They are generated when rockfalls impact the ground and can be used to detect, classify and locate events. Beyond that, rockfall properties such as their volume and their dynamic behavior can be inferred. Yet, high frequency seismic signals (>1Hz) are poorly understood. This is because they are associated to complex seismic sources which are spatially distributed and can rapidly vary over time. On top of this, high frequency seismic waves are prone to be scattered and diffracted due to interactions with soil heterogeneities or surface topography. This thesis takes an important step forward to enhance understanding of high frequency rockfall seismic signals by simulating seismic wave propagation on domains with realistic velocity profiles and 3D surface topographies using the Spectral Element Method (SEM). The influence of the topography on the seismic wave field is investigated. It is found that topography induced amplification is substantially different between deep sources and sources located at the surface. This is because surface waves generated by shallow sources are exposed to constant scattering and diffraction when traveling along the surface. The energy decay along the surface is investigated for different velocity models and equations are derived to back-calculate the total seismic energy radiated by the source. This is of interest as the rockfall seismic energy is related to the rockfall volume. In order to account for topography effects, a correction factor is proposed which can be introduced in the energy calculation. Observed seismic signals generated by rockfall at Dolomieu crater on Piton de la Fournaise volcano, La Réunion, are analyzed. Synthetic seismograms are used to identify and interpret observed signals generated by single impacts. The influence of topography on the waveforms is demonstrated and the sensitivity on source location as well as source direction is evaluated. Signal characteristics such as amplitudes and frequency content are explained based on Hertz contact theory. Additionally, inter-station spectral ratios computed from rockfall seismic signals are shown to be characteristic of the source position. Comparison with simulated spectral ratios suggest that they are dominated by the propagation along the topography rather than the mechanism of the source. Based on these findings, a method is proposed for the localization of rockfalls using simulated inter-station energy ratios. The method is applied to localize rockfalls at Dolomieu crater. The implementation of the method involves a sliding time window which allows a straightforward application on continuous seismic signals. The potential of the method to monitor rockfall activity in real-time is emphasized

Le mécanisme de dégradation des cylindres de laminoirs qui conduit à la formation de défauts de type incrustations d'oxydes sur les bandes d'aciers inoxydables ferritiques laminées à chaud a dans un premier temps été défini. Cette dégradation procède par abrasion locale du cylindre puis par adhésion de l'acier inoxydable sur celui-ci lorsqu'un contact métal-métal se produit. Des essais de simulation, à l'aide d'une machine de frottement à chaud, ont permis d'étudier et de préciser ces mécanismes et de mieux comprendre les interactions entre les produits chauds et les outils, le rôle des oxydes présents dans le contact a en particulier été abordé. Pour mener à bien cette étude, la nature et la structure des oxydes susceptibles de se former sur les matériaux antagonistes ont été déterminés sur des échantillons oxydés au laboratoire. L'adhérence de ces couches d'oxydes a de plus été mesurée à l'aide d'une micro-machine de traction. La connaissance de l'ensemble des éléments présents au niveau du contact a permis l'interprétation des tests de frottement à chaud. Nous avons montré que les oxydes formés sur les aciers inoxydables ont des compositions voisines pour des temps d'oxydation aussi courts (inférieurs à deux minutes) et l'adhérence des couches d'oxydes devient un facteur primordial. Ainsi, les aciers comportant des couches d'oxydes peu adhérentes ont des comportements au frottement supérieur à ceux dont les oxydes ne se décollent pas. La présence d'oxyde au niveau du contact permet la formation d'un troisième corps dont dépend le frottement. En fait, indépendamment de la provenance des oxydes, produit chaud, outil. . . C'est surtout leur nature et leur structure qui sont déterminantes. Les oxydes de fer de structure cubique, wustite et magnétite, de faible dureté, favorisent le frottement. A l'inverse, les oxydes durs, de structure rhomboédrique comme l'hématite ou la chromite se comportent comme des matériaux abrasifs.

Les processus élémentaires hétérogènes à l’interface gaz-solide présentent un intérêt fondamental dans de nombreux domaines tels que la catalyse hétérogène, la chimie atmosphérique et des milieux interstellaires, la rentrée atmosphérique de véhicules spatiaux ou encore la description des interactions plama-paroi. Cette thèse a pour objet l’étude de la dynamique des processus de collision non réactive de l’azote N2 sur une surface de tungstène W(100) et des processus de recombinaison moléculaire de l’hydrogène H2 sur des surfaces de tungstène W(100) et W(110). Leur dynamique quasi classique est simulée au moyen de surfaces d’énergie potentielle préalablement construites à partir de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité. Un potentiel multi-adsorbats est notamment développé pour tenir compte du taux de couverture de surface afin d’étudier la compétition entre la recombinaison directe, de type Eley-Rideal et la recombinaison par « atomes chauds » après diffusion hyperthermique d’un atome sur la surface
Heterogeneous elementary processes at the gas-solid interface are ofgreat interest in many domains such as heterogeneous catalysis, atmospheric and interstellar media chemistry, spacecraft atmospheric re-entry and plasma-wall interactions description. This thesis focus on the dynamics of nitrogen, N2, non reactive scattering on a tungsten W(100) surface and hydrogen, H2, recombination processes on tungsten surfaces W(100) and W(110). The quasiclassical dynamics of these processes is simulated using potential energy surfaces based on density functional theory calculations. In particular, a multi-adsorbate potential is developed to include surface coverage in the dynamics simulation in order to scrutinize the interplay between both direct abstraction, the so-called Eley-Rideal recombination,and the Hot-Atom recombination process after hyperthermal diffusion on the surface

Les propriétés physiques des milieux granulaires trouvent leur origine à l'échelle locale des contacts entre les grains. Cette étude est consacrée à l'analyse de l'influence de ces contacts sur le comportement global du matériau à différentes échelles. Nous développons dans la première partie de ce mémoire, une approche continue qui s'affranchit des limitations de la théorie de Janssen et permet de calculer les contraintes dans un matériau granulaire ensilé. Cette approche permet également de représenter aussi bien qualitativement que quantitativement l'effet d'écrantage dans les silos. Dans une seconde partie, une modélisation du phénomène d'écrantage est effectuée à partir des simulations numériques discrètes réalisées avec le code MULTICOR. Nous calculons les contraintes moyennes s'exerçant au niveau des parois lors du remplissage d'un silo par un milieu granulaire polydisperse. Une bonne concordance est observée entre les résultats des simulations numériques discrètes et ceux de l'approche continue développée dans la première partie. Une autre conséquence de l'existence de contacts privilégiés entre les grains est l'anisotropie caractéristique des matériaux granulaires. Dans la dernière partie, nous développons une approche micromécanique qui permet de modéliser cette anisotropie par l'intermédiaire d'un tenseur de texture d'ordre quatre. Nous proposons une hypothèse cinématique générale qui est incorporée dans un schéma d'homogénéisation des milieux granulaires anisotropes et comparée, dans le cas isotrope, à des simulations numériques discrètes existant dans la littérature. Les tendances qualitatives et quantitatives des résultats sont tout à fait satisfaisantes.

Nous visons à simuler avec des arguments purement quantiques (noyaux et électrons) les processus d’adsorption et de photoréactivité du NO2 adsorbé sur des particules de suie (modélisées comme de grands hydrocarbures aromatiques polycycliques, HAP) dans les conditions atmosphériques. Une description détaillée de ces processus est nécessaire pour comprendre le comportement différentiel (jour-nuit) de la production de HONO, qui est un précurseur du radical hydroxyle (OH). En particulier, le mécanisme spécifique de l’interconversion entre NO2 et HONO par la suie n’est pas encore totalement compris. En raison de sa pertinence particulière dans ce contexte, nous avons choisi le systèmePyrène-NO2.La première étape de cette étude a consisté à déterminer les configurations stables (états de transition et minima) du système Pyrène-NO2 . À cette fin, nous avons utilisé la méthode van der Waals Transition State Search using Chemical Dynamics Simulations (vdW-TSSCDS), la généralisation de l’algorithme TSSCDS récemment développée dans notre groupe. Ainsi, le présent travail représente la première application devdW-TSSCDS à un grand système (81D). Partant d’un ensemble de géométries d’entrée judicieusement choisies, la méthode susmentionnée permet de caractériser la topographie d’une surface d’énergie potentielle intermoléculaire (SEP), ou en d’autres termes, de déterminer les conformations les plus stables du système, de manière entièrement automatisée et efficace.Les informations topographiques recueillies ont été utilisées pour obtenir une description globale (fit) du potentiel d’interaction, nécessaire à l’élucidation dynamique de l’interaction intermoléculaire (physisorption), des propriétés spectroscopiques et de la réactivité des espèces adsorbées. Pour atteindre ce dernier objectif, nous avons développé deux méthodologies différentes ainsi que les progiciels correspondants. La première d’entre elles est l’algorithme SRP-MGPF (Specific Reaction Parameter Multigrid POTFIT), qui est implémenté dans le progiciel SRPTucker. Cette méthode calcule des SEPs (intermoléculaires) chimiquement précis par reparamétrage de méthodes semiempiriques, qui sont ensuite tenseur-décomposées sous forme Tucker à l’aide de MGPF.Ce logiciel a été interfacé avec succès avec la version Heidelberg du paquet MCTDH (Multi-configuration Time-Dependent Hartree). La seconde méthode permet d’obtenir la SEP directement sous la forme mathématique requise par MCTDH, d’où son nom de Sum-Of-Products Finite-Basis-Representation (SOP-FBR). La SOP-FBR constitue une approche alternative aux méthododes d’ajustement NN. L’idée la sous-tend est simple : à partir d’une expansion Tucker low rank sur la grille, nous remplaçons les fonctions de base basées sur la grille par une expansion en termes de polynômes orthogonaux. Comme dans la méthode précédente, l’intégration avec la MCTDH a été assurée.Les deux méthodes ont été testées avec succès à un certain nombre de problèmes de référence, à savoir : le Hamiltonian Hénon-Heiles, la SEP global du H2O, et la SEP d’isomérisation HONO (6D)
We aim at simulating full quantum mechanically (nuclei and electrons) the processes of adsorption and photoreactivity of NO2 adsorbed on soot particles (modeled as large Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) in atmospheric conditions. A detailed description of these processes is necessary to understand the differential day-nighttime behavior of the production of HONO, which is a precursor of the hydroxyl radical (OH). In particular, the specific mechanism of the soot-mediated interconversion between NO2 and HONO is to date not fully understood. Due to its particular relevance in this context, we have chosen the Pyrene-NO2 system. The first stage in this study has consisted in the determination of the stable configurations (transition states and minima) of the Pyrene-NO2 system. To this end, we have used the recently developed van der Waals Transition State Search using Chemical Dynamics Simulations (vdW-TSSCDS) method, the generalization of the TSSCDS algorithm developed in our group. In this way, the present work represents the first application of vdW-TSSCDS to a large system (81D). Starting from a set of judiciously chosen input geometries, the aforementioned method permits the characterization of the topography of an intermolecular Potential Energy Surface (PES), or in other words the determination of the most stable conformations of the system, in a fully automated and efficient manner. The gathered topographical information has been used to obtain a global description (fit) of the interaction potential, necessary for the dynamical elucidation of the intermolecular interaction (physisorption), spectroscopic properties and reactivity of the adsorbed species. To achieve this last goal, we have developed two different methodologies together with the corresponding software packages. The first one of them is the SpecificReaction Parameter Multigrid POTFIT (SRP-MGPF) algorithm, which is implemented in the SRPTucker package. This method computes chemically accurate (intermolecular) PESs through reparametrization of semiempirical methods, which are subsequently tensor decomposed into Tucker form using MGPF. This software has been successfully interfaced with the Heidelberg version of the Multi-configuration Time-DependentHartree (MCTDH) package. The second method allows for obtaining the PES directly in the mathematical form required by MCTDH, thence its name Sum-Of-Products Finite-Basis-Representation (SOP-FBR). SOP-FBR constitutes an alternative approach to NN-fitting methods. The idea behind it is simple: from the basis of a low-rank Tucker expansion on the grid, we replace the grid-based basis functions by an expansion in terms of a orthogonal polynomials. As in the previous method, an smooth integration with MCTDH has been ensured. Both methods have been successfully benchmarked with a number of reference problems, namely: the Hénon-Heiles Hamiltonian, a global H2O PES, and the HONO isomerization PES (6D)

This thesis aims at Multi-Objective Optimization under Uncertainty in structural design. We investigate Polynomial Chaos Expansion (PCE) surrogates which require extensive training sets. We then face two issues: high computational costs of an individual Finite Element simulation and its limited precision. From numerical point of view and in order to limit the computational expense of the PCE construction we particularly focus on sparse PCE schemes. We also develop a custom Latin Hypercube Sampling scheme taking into account the finite precision of the simulation. From the modeling point of view,we propose a multifidelity approach involving a hierarchy of models ranging from full scale simulations through reduced order physics up to response surfaces. Finally, we investigate multiobjective optimization of structures under uncertainty. We extend the PCE model of design objectives by taking into account the design variables. We illustrate our work with examples in sheet metal forming and optimal design of truss structures.

Les garnitures mécaniques sont utilisées dans de multiples applications pour réaliser l'étanchéité autour d'arbres en rotation. Ces composants peuvent fonctionner efficacement pendant plusieurs années en conditions stables, mais leur durée de vie est significativement réduite lorsque les conditions varient. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et d’utiliser un banc d'essais et code de calcul pour étudier l'impact de pulsations de pression, d’inversions de pression et du chargement dynamique résultant sur les performances de garnitures mécaniques ayant des faces mésalignées et présentant des défauts de planéité.Le solveur fluide d'un modèle numérique de garnitures mécaniques a été étendu aux conditions transitoires. Un module résolvant la dynamique des forces et des moments a été ajouté afin de prédire le déplacement axial et les déplacements angulaires de la face montée de manière flexible. Afin de caractériser les performances de garnitures, un banc d'essais générant des pulses de pression a été instrumenté et des méthodes de mesure de perte de volume d'huile et d'entrée d'eau mises en place.Des garnitures mécaniques à faces parallèles puis mésalignées, fonctionnant sous pulsations et inversions de pression, ont été testées expérimentalement et simulées. Seules de très faibles augmentations d'eau dans l'huile ont été observées, sans augmentation au cours du temps, et sans fuite d'huile mesurable. Les faibles valeurs d'entrées d'eau sont dues à la faible épaisseur de film et à la courte durée des inversions de pression. Une garniture mécanique expérimentale à fort défaut de planéité a aussi été testée. Contrairement aux autres paramètres, le défaut de planéité semble augmenter significativement la fuite et promouvoir les entrées d'eau et pourrait ainsi être à l'origine de certaines défaillances
Face seals are mechanical devices used to seal rotating shafts in numerous applications. While they can operate efficiently under steady conditions for years, they tend to fail prematurely when operating in severe, or rapidly varying conditions. The focus of this research work is the development and use of an experimental and a numerical method to investigate the impact of pressure pulses, pressure inversions and induced dynamic loading on the performance of mechanical face seals exhibiting face misalignment and waviness.The fluid solver of a state-of-the art face seal numerical model was extended to transient conditions and a module solving the dynamics for the axial and angular degrees of freedom of the flexibly-mounted stator added. A system-level experimental setup generating pressure pulses was instrumented and methods to characterise face seal performance in terms of oil volume loss and ingression of water outer-fluid selected and implemented.Face seals, with flat and misaligned faces, operating under pressure pulses and pressure inversions were experimentally tested and simulated. They show only slight increase of water in the oil, no increase over time, and no measurable oil leakage. The low water ingression is due to low film thickness combined with the short duration of pressure inversions. An exploratory face seal of high waviness was also experimentally tested. Contrary to the other parameters, the waviness appears to significantly increase the leakage and promote water ingression and could thus be at the origin of some seal failures

La présente étude est une approche holistique axée sur l'étude des effets spécifiques d'ions sur les propriétés d'auto-assemblage de tensioactifs cationiques gemini. Notre objectif principal étant l’étude de l'effet de divers contre-ions sur les caractéristiques d’auto-assemblage de tensioactifs cationiques en solution aqueuse. Afin d'obtenir une vision plus complète de l'effet des interactions ioniques et moléculaires à l’interface sur les propriétés globales, nous avons utilisé des approches différentes. Nous avons combiné une étude expérimentale portant sur les propriétés en solution (concentration micellaire critique, degré d'ionisation, nombre d'agrégation, etc.), avec des approches centrées sur l'étude des propriétés micellaires interfaciales en analysant les concentrations des contre-ions et de l'eau de façon expérimentale (piégeage chimique) et informatique (simulations de dynamique moléculaire). En outre, nous avons étudié l'impact de la nature des contre-ions sur la croissance des micelles géantes par rhéologie. En plus de l'examen des propriétés de tensio-actifs en solution, les effets spécifiques d'ions sur les structures cristallines des agents tensioactifs gémini ont été étudiés.Nous avons trouvé que les effets d'ions spécifiques qui déterminent le comportement des agrégats micellaires de gemini cationiques d'ammonium quaternaire dans des solutions aqueuses dépendent fortement de l'énergie libre d'hydratation des contre-ions, en d'autres termes, sur leur propriétés hydrophile /hydrophobe. Contrairement à la solution aqueuse, dans les cristaux, la taille de l'ion devient le facteur déterminant. La comparaison des résultats obtenus pour un même système en solution aqueuse et à l'état solide a montré l'importance des interactions ion-eau dans les effets spécifiques d'ions. Cependant, il faut noter que les propriétés du substrat (les gemini dans notre cas) doivent être prises en compte non moins soigneusement afin de prédire complétement les effets Hofmeister
The present study is a holistic approach focused on the investigation of ion specific effects on the self-assembly properties of cationic gemini surfactants. Our main focus was on the effect of various counterions on the self-organization features of cationic surfactants in aqueous solution. In order to obtain amore comprehensive understanding of the effect of interfacial ionic and molecular interactions on aggregate properties we used different approaches. We combined an experimental study focused on the bulk solution properties (critical micelle concentration, ionization degree, aggregation number, etc.), with approaches focused on investigating the interfacial micellar properties by analyzing the interfacial counterion and waterconcentrations, experimentally (chemical trapping) and computationally (molecular dynamic simulations). Moreover, the impact of counterion nature was investigated by studying the growth of wormlike micelles using rheology. Besides the examination of the surfactants properties in solution, the ion specific effects onthe crystalline structures of gemini surfactants were studied.We found that ion specific effects which determine the behavior of micellar aggregates of cationic quaternary ammonium gemini in aqueous solutions strongly depend on the free energy of hydration of the counterions, in others words, on their hydrophilic/hydrophobic properties. Contrarily to aqueous solution, in crystals, the size of the ion becomes the determining factor. Comparison of the results obtained for the same system in aqueous solution and in solid state showed the importance of ion-water interactions in ion specific effects. However, one should note that the properties of substrate (the gemini in our case) should be taken into account not less carefully in order to fully predict Hofmeister effects