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

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

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

The objective of this thesis was to develop a spectrophotometric sensor to quantify benzene, toluene and xylenes (BTX) in real time at the level of the occupational exposure limit values, ie 20 ppmv for toluene, 50 Ppmv for xylenes and 1 ppmv for benzene. The study was carried out with several sensitive layers, a solid silicic material synthesized by the sol-gel process or thin films (less than 5 μm) deposited on quartz by dip-coating a suspension of nanoparticles or a precursor solution leading to mesoporous silica thin films. We were able to demonstrate the effectiveness of BTX detection in real time. The use of continuous mesoporous films has enabled a correct repeatability of the sensor (standard deviation, L’objectif de cette thèse était de développer un capteur spectrophotométrique pour quantifier le benzène, le toluène et les xylènes (BTX) en temps réel aux valeurs limites d’exposition professionnelles, c’est-à-dire 20 ppmv pour le toluène, 50 ppmv pour les xylènes et 1 ppmv pour le benzène. L’étude a été menée avec plusieurs couches sensibles, un matériau silicique massif synthétisé par le procédé sol-gel ou des films minces (moins de 5 µm) déposés sur quartz par trempage-retrait dans une suspension de nanoparticules de silice mésoporeuse ou de précurseurs permettant d’obtenir des films fins continus de silice mésoporeuse. Nous avons pu démontrer l’efficacité de la détection des BTX en temps réel. L’utilisation des films mésoporeux a permis d’atteindre une répétabilité correcte du capteur (écart type

Corrective orthopedic surgeries results are difficult to be predicted and, unfortunately, sometimes unsuccessful. Other diseases resulting from a motor disability as bedsores are still poorly understood, despite a significant prevalence in the population. However, studies on these topics still insufficient especially for the analysis considering the muscle as a soft tissue volumetric organ. Muscle fascicule architectures and their correlation with movement efficiency is poorly documented, it lack of the detailed information regarding its volumetric deformations and stiffness changes along with muscle contractions.Muscle volumetric modeling, would provide a powerful tool for the personalized accurate simulation of body stresses of disabled or SCI patients during prolonged or friction contacts with standard medical devices non-adapted to particular morphologies, but also the planning of surgeries or functional electrical stimulation sequences.There is currently no software for automatic reconstruction of the architecture of fascicles, aponeurosis and tendons from MRI acquisitions of a specific subject. Actual volumetric muscle modeling is expensive in computational time, and not effective for real-time simulations of musculoskeletal system behavior with representation of physiological functions. The objective of this thesis is directed by the many contributions that have yet to make in the area. The current modeling methods based on the conventional finite element method are complex, inflexible or inaccurate in real-time. We propose a multi-model based on barycentric mapping approach that decouples the muscle strain density energy function into a set of independent less complex models, with the following objectives:- Improve complex muscle architecture reconstruction from the MRI acquisitions in term of complexity and flexibility.- Split muscle modeling into simple independent models, to offer more flexibility and reducing complexity of modeling which allows to have independent resolutions between deformable elements and muscle fiber elements..- By reducing the number of finite elements ensuring consistency of results of force and deformations, we reduce the computation time required for each simulation.Our methods are inspired by the previous work on the three-dimensional representation of the geometry and the complex architecture of muscles [Blemker and Delp, 2005]. In addition, the mathematical definition is studied [Chi et al., 2010] to characterize the energy density of deformations of skeletal muscle.Related with the above methods, we demand the following advances:- Improved three-dimensional representation of specific patients with muscle architecture and complex geometry from MRI measurement for personalized modeling. The method is more flexible and faster than previous.- A novel modeling method for muscle deformation via decoupled modeling of solid and muscle fiber mechanics is established. This new modeling allowed independent definitions between deformable elements and fiber force generation elements while keeping its muscle deformation accuracy. The performance is compared to conventional FEM method. - We reach high computational speed on standard machines for muscle complex simulations compared to FEM. Real-time simulation of specific person’s muscle strain and force is performed with an activation input updated in real-time from surface EMG measures.- Muscle modeling requires interdisciplinary knowledge from different research team members. The multi-model approach allows collaborative work, where each specialist focuses only on its area of expertise thanks to the modular designed modeling.; Les résultats des chirurgies orthopédiques correctrices sont difficilement prévisibles et, malheureusement, parfois infructueux. D’autres maladies résultantes d’un handicap majeur tel que l’escarre sont encore très peu comprises. Malgré une prévalence dans la population conséquente, peu d’études ont été menées sur ces thèmes. L’étude volumétrique du muscle en tant que tissu mou actif manque d’informations détaillées. Particulièrement les déformations et raideurs subséquentes aux contractions de muscles à arrangement de fascicules complexes. La modélisation volumétrique des muscles, fournirait un outil puissant pour la simulation personnalisée des contraintes subies par le corps, durant des contactes prolongés ou récurrents avec des dispositifs médicaux standards et inadaptés à la morphologie, mais aussi la planification d’opérations chirurgicales ou de séquences de stimulation électrique fonctionnelle. Il n’existe actuellement aucun logiciel permettant la reconstruction automatique de l’architecture des fascicules, aponévroses et tendons à partir d’acquisitions IRM d’un patient spécifique. La méthode actuelle de modélisation volumétrique du muscle est coûteuse en temps de calcul, donc inefficaces pour des simulations temps-réel du comportement du système musculo-squelettique avec représentation des fonctions physiologiques. Cette thèse est dirigée par les contributions nombreuses qui restent encore à apporter dans le domaine. Les méthodes de modélisation actuelles basées sur la méthode des éléments finis classique sont complexes, manquent de flexibilité ou de précision en temps-réel. Nous proposons une approche multi-modèles basée sur le mapping barycentrique qui découple la fonction de densité d’énergie de déformations du muscle en un ensemble de modèles indépendants de moindre complexité, avec les objectifs suivants : - Améliorer la reconstruction de l’architecture musculaire à partir des acquisitions IRM en terme de complexité et flexibilité. - Séparer la modélisation du muscle en modèles simple et indépendants, de manière à offrir plus de flexibilité, en réduisant la complexité, qui permettront de découpler les résolutions des éléments déformables des éléments actifs du muscle. - En diminuant le nombre d’éléments finis garantissant la cohérence des résultats, nous diminuons le temps de calcul nécessaire à chaque pas de simulation .Nos méthodes s’inspirent des travaux précédents sur la représentation tri-dimensionnelle de la géométrie et l’architecture complexes des muscles de [Blemker and Delp, 2005]. De plus, la définition mathématique est étudiée [Chi et al., 2010] pour caractériser la densité d’énergie de déformations du muscle squelettique. En rapport avec les méthodes précédentes, nous revendiquons les avancées suivantes : - Amélioration de la représentation 3D des muscles de patients spécifiques avec architecture et géométrie complexes, à partir de mesures IRM. La méthode est plus flexible et rapide que les précédentes. - Une nouvelle méthode de modélisation des déformations musculaires via la modélisation découplée des différents tissus musculaires. Cette nouvelle approche permet une définition indépendante des fascicules musculaires, tissus conjonctifs, tendons et aponévroses en gardant une grande précision de déformations. Les performances sont confrontées au rendement de la méthode FEM classique. - Nous atteignons des vitesses de simulation élevées de muscles complexes sur des machines standards par rapport à la FEM. Les performances nous ont permis de simuler en temps-réel la force et les déformations d’un muscle d’individus spécifiques, avec une entrée d’activation actualisée en temps-réel à partir de mesures EMG. - La modélisation d’un muscle nécessite plus de compétence qu’une équipe de recherche peut envisager maitriser. L’approche multi-modèles permet un travail collaboratif, où chaque spécialiste se focalise uniquement sur son domaine de compétence. La modélisation en est extrêmement simplifiée.

Underwater robots can nowadays operate in complex environments in a broad scope of missions where the use of human divers is difficult for cost or safety reasons. However the complexity of aquatic environments requires to give the robotic vector an autonomy sufficient to perform its mission while preserving its integrity. This requires to design control laws according to application requirements. They are built on knowledge from several scientific fields, underlining the interdisciplinarity inherent to robotics. Once the control law designed, it must be implemented as a control Software working on a real-time Software architecture.Nonetheless the current conception of control laws, as "monolithic" blocks, makes difficult the adaptation of a control from an application to another and the integration of knowledge from various scientific fields which are often not fully understood by control engineers. It also penalizes the implementation of control on Software architectures, at least its modularity and evolution. To solve those problems we seek a proper separation of knowledge so that each knowledge item can be easily used, its role precisely defined and we want to reify the interactions between them. Moreover this will allow us a more efficient projection on the Software architecture. We thus propose a new formalism for control laws description as a modular composition of basic entities named Atoms used to encapsulate the knowledge items.We also aim at building a better synergy between control and software engineering based on shared concerns such as temporal constraints and stability. Hence we extend the definition of our Atoms with constraints carrying information related to their temporal behaviour. We propose as well a methodology relying on our formalism to guide the implementation of control on a real-time Middleware. We will focus on the ContrACT Middleware developed at LIRMM.Finally we illustrate our approach on several robotic functionalities that can be used during aquatic environments exploration and especially for wall avoidance during the exploration of a karst aquifer.; Les robots sous-marins peuvent aujourd'hui évoluer dans des environnements complexes difficilement accessibles à l'Homme pour des raisons de coût ou de sécurité. Ils peuvent donc intervenir dans une grande variété de missions en environnement aquatique. Or, la complexité de ces milieux impose de doter le vecteur robotique d'une autonomie opérationnelle suffisante afin qu'il puisse mener sa mission à bien tout en préservant son intégrité. Cela nécessite de développer des lois de commande répondant aux spécificités de l'application. Ces lois de commande se basent sur des connaissances provenant de différentes disciplines scientifiques ce qui souligne l'interdisciplinarité inhérente à la robotique. Une fois la loi de commande développée, il faut implémenter le contrôleur sur le robot sous forme de logiciel de contrôle basé sur une architecture logicielle temps-réel.Or la conception actuelle des lois de commande, sous forme de blocs "monolithiques", rend difficile l'évolution d'une loi de commande d'une application à l'autre, l'intégration de connaissances provenant d'autres disciplines scientifiques que ne maitrisent pas forcément les automaticiens et pénalisent son implémentation sur des architectures logicielles qui nécessitent la modularité. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons à proprement séparer les différentes connaissances afin que chacune soit aisément manipulable, son rôle clair et que les relations établies entre les différentes connaissances soient explicites. Cela permettra en outre une projection plus efficace sur l'architecture logicielle. Nous proposons donc un nouveau formalisme de description des lois de commande selon une composition modulaire d'entités de base appelées Atomes et qui encapsulent les différents éléments de connaissance. Nous nous intéressons également à l'établissement d'une meilleure synergie entre les aspects automatique et génie logiciel qui se construit autour de préoccupations communes telles que les contraintes temporelles et la stabilité. Pour cela, nous enrichissons nos Atomes de contraintes chargées de véhiculer les informations relatives à ces aspects temporels. Nous proposons également une méthodologie basée sur notre formalisme afin de guider l'implémentation de nos stratégies de commande sur un Middleware temps-réel, dans notre cas le Middleware ContrACT développé au LIRMM.Nous illustrons notre approche par diverses fonctionnalités devant être mises en oeuvre lors de missions d'exploration de l'environnement aquatique et notamment pour l'évitement de parois lors de l'exploration d'un aquifère karstique.

Underwater robots can nowadays operate in complex environments in a broad scope of missions where the use of human divers is difficult for cost or safety reasons. However the complexity of aquatic environments requires to give the robotic vector an autonomy sufficient to perform its mission while preserving its integrity. This requires to design control laws according to application requirements. They are built on knowledge from several scientific fields, underlining the interdisciplinarity inherent to robotics. Once the control law designed, it must be implemented as a control Software working on a real-time Software architecture.Nonetheless the current conception of control laws, as "monolithic" blocks, makes difficult the adaptation of a control from an application to another and the integration of knowledge from various scientific fields which are often not fully understood by control engineers. It also penalizes the implementation of control on Software architectures, at least its modularity and evolution. To solve those problems we seek a proper separation of knowledge so that each knowledge item can be easily used, its role precisely defined and we want to reify the interactions between them. Moreover this will allow us a more efficient projection on the Software architecture. We thus propose a new formalism for control laws description as a modular composition of basic entities named Atoms used to encapsulate the knowledge items.We also aim at building a better synergy between control and software engineering based on shared concerns such as temporal constraints and stability. Hence we extend the definition of our Atoms with constraints carrying information related to their temporal behaviour. We propose as well a methodology relying on our formalism to guide the implementation of control on a real-time Middleware. We will focus on the ContrACT Middleware developed at LIRMM.Finally we illustrate our approach on several robotic functionalities that can be used during aquatic environments exploration and especially for wall avoidance during the exploration of a karst aquifer.; Les robots sous-marins peuvent aujourd'hui évoluer dans des environnements complexes difficilement accessibles à l'Homme pour des raisons de coût ou de sécurité. Ils peuvent donc intervenir dans une grande variété de missions en environnement aquatique. Or, la complexité de ces milieux impose de doter le vecteur robotique d'une autonomie opérationnelle suffisante afin qu'il puisse mener sa mission à bien tout en préservant son intégrité. Cela nécessite de développer des lois de commande répondant aux spécificités de l'application. Ces lois de commande se basent sur des connaissances provenant de différentes disciplines scientifiques ce qui souligne l'interdisciplinarité inhérente à la robotique. Une fois la loi de commande développée, il faut implémenter le contrôleur sur le robot sous forme de logiciel de contrôle basé sur une architecture logicielle temps-réel.Or la conception actuelle des lois de commande, sous forme de blocs "monolithiques", rend difficile l'évolution d'une loi de commande d'une application à l'autre, l'intégration de connaissances provenant d'autres disciplines scientifiques que ne maitrisent pas forcément les automaticiens et pénalisent son implémentation sur des architectures logicielles qui nécessitent la modularité. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons à proprement séparer les différentes connaissances afin que chacune soit aisément manipulable, son rôle clair et que les relations établies entre les différentes connaissances soient explicites. Cela permettra en outre une projection plus efficace sur l'architecture logicielle. Nous proposons donc un nouveau formalisme de description des lois de commande selon une composition modulaire d'entités de base appelées Atomes et qui encapsulent les différents éléments de connaissance. Nous nous intéressons également à l'établissement d'une meilleure synergie entre les aspects automatique et génie logiciel qui se construit autour de préoccupations communes telles que les contraintes temporelles et la stabilité. Pour cela, nous enrichissons nos Atomes de contraintes chargées de véhiculer les informations relatives à ces aspects temporels. Nous proposons également une méthodologie basée sur notre formalisme afin de guider l'implémentation de nos stratégies de commande sur un Middleware temps-réel, dans notre cas le Middleware ContrACT développé au LIRMM.Nous illustrons notre approche par diverses fonctionnalités devant être mises en oeuvre lors de missions d'exploration de l'environnement aquatique et notamment pour l'évitement de parois lors de l'exploration d'un aquifère karstique.

Satellites are real-time embedded systems and will be used more and more in the world. Become essential for the geo-location, meteorology or communications across the planet, these systems are increasingly in demand. Due to the influx of requests, the designers of these products are designing a more and more complex hardware and software part. Thanks to the evolution of terrestrial equipment, the aero-space field is turning to new technologies such as caches, multi-core, and hypervisor. The integration of these new technologies bring new technical challenges. In effect, it is necessary to improve the performance of these systems by reducing the cost of manufacturing and the production time. One of the major advantages of these technologies is the possibility of reducing the overall number of satellites in space while increasing the number of operators. Multiple clients softwares may be together today in a same satellite. The ability to integrate multiple customers on the same satellite, with the increasing complexity of the system, makes a number of malicious acts possible. These acts were once considered as hypothetical. Become a priority today, the study of the vulnerability of such systems become major. In this paper, we present first work a quick exploration of the field of malicious acts on onboard system and more specifically those carried out on satellite system. Once the risk presentation we will develop some particular points, such as the problematic real-time. In this thesis we are particularly interested in the security of space hypervisors. We will develop precisely 2 lines of research. The first axis is focused on the development of production technics and implementing a control system of a satellite temporal characteristics. The objective is to adapt an existing system to the constraints of the new highly complex systems. We confront the difficulty of measuring the temporal characteristics running on a satellite system. For this we use an optimization method called dynamic analysis and genetic algorithm. Based on trends, it can automatically search for the worst execution time of a given function. The second axis improves the technical knowledge on a satellite in operation and enables decision making in case of malicious act. We propose specifically a physical solution to detect anomalies in the management of internal memory to the satellite. Indeed, memory is an essential component of system operation, and these common properties between all clients makes them particularly vulnerable to malicious acts. Also, know the number of memory access enables better scheduling and better predictability of a real time system. Our component allows the detection and interpretation of a potential attack or dependability problem. The work put in evidence the complementarity of the two proposed work. Indeed, the measure of the number of memory access that can be measured via a genetic algorithm whose shape is similar to the program seeking the worst execution time. So we can expand our work of the first part with the second.; La croissance des flux d'information à travers le monde est responsable d'une importante utilisation de systèmes embarqués temps-réel, et ce notoirement dans le domaine des satellites. La présence de ces systèmes est devenue indispensable pour la géolocalisation, la météorologie, ou les communications. La forte augmentation du volume de ces matériels, impactée par l'afflux de demande, est à l'origine de l'accroissement de la complexité de ces derniers. Grâce à l'évolution du matériel terrestre, le domaine aérospatial se tourne vers de nouvelles technologies telles que les caches, les multi-coeurs, et les hyperviseurs. L'intégration de ces nouvelles technologies est en adéquation avec de nouveaux défis techniques. La nécessité d'améliorer les performances de ces systèmes induit le besoin de réduction du coût de fabrication et la diminution du temps de production. Les solutions technologiques qui en découlent apportent pour majeure partie des avantages en matière de diminution du nombre global de satellites à besoin constant. La densité d'information traitée est parallèlement accrue par l'augmentation du nombre d'exploitants pour chaque satellite. En effet, plusieurs clients peuvent se voir octroyer tout ou partie d'un même satellite. Intégrer les produits de plusieurs clients sur une même plateforme embarquée la rend vulnérable. Augmenter la complexité du système rend dès lors possible un certain nombre d'actes malveillants. Cette problématique autrefois à l'état d'hypothèse devient aujourd'hui un sujet majeur dans le domaine de l'aérospatial. Figure dans ce document, en premier travail d'exploration, une présentation des actes malveillants sur système embarqué, et en particulier ceux réalisés sur système satellitaire. Une fois le risque exposé, je développe la problématique temps-réel. Je m'intéresse dans cette thèse plus précisément à la sécurité des hyperviseurs spatiaux. Je développe en particulier deux axes de recherche. Le premier porte sur l'évolution des techniques de production et la mise en place d'un système de contrôle des caractéristiques temporelles d'un satellite. Le deuxième axe améliore les connaissances techniques sur un satellite en cours de fonctionnement et permet une prise de décision en cas d'acte malveillant. Je propose plus particulièrement une solution physique permettant de déceler une anomalie sur la gestion des mémoires internes au satellite. En effet, la mémoire est un composant essentiel du fonctionnement du système, et ses propriétés communes entre tous les clients la rend particulièrement vulnérable. De plus, connaître le nombre d'accès en mémoire permet un meilleur ordonnancement et une meilleure prédiction d'un système temps réel. Notre composant permet la détection et l'interprétation d'une potentielle attaque ou d'un problème de sûreté de fonctionnement. Cette thèse met en évidence la complémentarité des deux travaux proposés. En effet, la mesure du nombre d'accès en mémoire peut se mesurer via un algorithme génétique dont la forme est équivalente au programme cherchant le pire temps d'exécution. Il est finalement possible d'étendre nos travaux de la première partie vers la seconde.

Correct distributed implementation of real-time systems has always been a challenging task. The coordination of components executing on a distributed platform has to be ensured by complex communication protocols taking into account their timing constraints. In this thesis, we propose rigorous design flow starting from a high-level model of an application software in BIP (Behavior, Interaction, Priority) and leading to a distributed implementation. The design flow involves the use of model transformations while preserving the functional properties of the original BIP models. A BIP model consists of a set of components synchronizing through multiparty interactions and priorities. Our method transforms high-level BIP models into Send/Receive models that operate using asynchronous message passing. The obtained models are directly implementable on a given platform. We present three solutions for obtaining Send/Receive BIP models. -In the first solution, we propose Send/Receive models with a centralized scheduler that implements interactions and priorities. Atomic components of the original models are transformed into Send/Receive components that communicate with the centralized scheduler via Send/Receive interactions. The centralized scheduler is required to schedule interactions under some conditions defined by partial state models. Those models represent high-level representation of parallel execution of BIP models. - In the second solution, we propose to decentralize the scheduler. The obtained Send/Receive models are structured in 3 layers: (1) Send/Receive atomic components, (2) a set of schedulers each one handling a subset of interactions, and (3) a set of components implementing a conflict resolution protocol. With the above solutions, we assume that the obtained Send/Receive models are implemented on platforms that provide fast communications (e.g. multi-process platforms) to meet perfect synchronization in components. This is because the obtained schedulers are modeled such that interactions scheduling corresponds exactly to execution in components. - In the third solution, we propose Send/Receive models that execute correctly even if communications are not fast enough. This solution is based on the fact that schedulers plan interactions execution and notify components in advance. In order to plan correctly the interactions, we show that the schedulers are required to observe additional components, in addition to the ones participating in the interactions. We present also a method to optimize the number of observed components, based on the use of static analysis techniques. From a given Send/Receive model, we generate a distributed implementation where Send/Receive interactions are implemented by TCP sockets. The experimental results on non trivial examples and case studies show the efficiency of our design flow., L'implémenation distribuée des systèmes temps-réel a été toujous une tâche non-triviale. La coordination des composants s'exécutant sur une plate-forme distribuée doit être assurée par des protocoles de communication complexes en tenant compte de leurs contraintes de temps. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception rigoureux à partir d'un modèle de haut niveau d'un logiciel d'application décrit en BIP (Behavior, Interaction, Priority) et conduisant à une implémenation distribuée. Le flot de conception implique l'utilisation de transformations de modèles tout en conservant les propriétés fonctionnelles des modèles originaux de BIP. Un modèle BIP se compose d'un ensemble de composants qui se synchronisent à travers les interactions et les priorités. Notre méthode transforme les modèles BIP en un modéle Send/Receive qui fonctionnent en utilisant le passage de messages asynchrones. Les modèles obtenus sont directement implémenté sur une plate-forme donnée. Nous présentons trois solutions pour obtenir un modéle Send/Receive. Dans la première solution, nous proposons des modéles Send/Receive qui fonctionnent avec un engin centralisé qui implémente les interactions et les priorités. Les composants atomiques des modèles originaux sont transformés en composants Send/Receive qui communiquent avec l'engin centralisé via des interactions Send/Receive. L'engin centralisé exécute les interactions sous certaines conditions définies par les modèles à états partiels. Ces modèles représentent une déscription haut niveau de l'exécution parallèle de modèles BIP. Dans la deuxième solution, nous proposons de décentraliser l'engin. Les modéles Send/Receive obtenus sont structurées en trois couches: (1) les composants Send/Receive (2) un ensemble d'engin, chacun exécutant un sous-ensemble d'interactions, et (3) un ensemble de composants implémentant un protocole de résolution des conflits. Avec les solutions décrites ci-dessus, nous supposons que les latences de communication sont négligeables. Ceci est du au fait que les modéles Send/Receive sont concu de telle sorte qu'il n'y ait pas retard entre la décision d'exécuter une interaction dans un engin et son exécution dans les composants participant. Dans la troisième solution, nous proposons des modéles Send/ Receive qui exécutent correctement même en présence de latences de communication. Cette solution est basée sur le fait que les engin planifient l'exécution des interactions et notifient les composants à l'avance. Afin de planifier correctement les interactions, nous montrons que les engins sont tenus à observer des composants supplémentaires, en plus de ceux qui participent aux interactions. Nous présentons également une méthode pour optimiser le nombre de composants observés, en se basant sur l'utilisation de techniques d'analyse statique. A partir d'un modéle Send/Receive donné, nous générons une application distribuée où les interactions Send/Receive sont implémentées par les sockets TCP. Les résultats expérimentaux sur des exemples non triviaux et des études de cas montrent l'efficacité de notre méthode.

Dans le cadre de l’évolution des fonctionnalités du robot Victor 6000, l’Ifremer souhaite pouvoir interfacer au système temps-réel des équipements communiquant sur Bus CAN. Une application envisagée à court terme est le remplacement des variateurs de propulsion.Le système temps-réel devra piloter sept variateurs par l’intermédiaire du Bus CAN. Il sera chargé de la configuration et la gestion du dialogue CAN et assurera le contrôle-commande des variateurs.

In the last years, Wireless Sensor Networks ‘WSN’ knew a tremendous evolution which attracted many applications. WSN has several characteristics that make it a unique research field, such as, WSN nodes’ constraints and the unreliable (lossy) wireless communication. The IEEE 802.15.4 standard is the first standard designed for this type of networks known as LR-WPANs ‘Low-Rate Wireless Personal Area Network’. The energy conservation mechanism proposed by the current standard is quite efficient and very flexible. This flexibility comes from the ability to configure different duty cycles to meet specific applications’ requirements. However, this mechanism has a considerable impact on the end-to-end delay. Our approach resolves the energy/delay trade-off by avoiding the storage of the real-time data in the coordinator during sleep time, more particularly in Multi-source Multi-sink networks. A new superframe structure is adopted and a deterministic reception scheduling is used. In this thesis, we also proposed a new WPAN model for the Network Simulator 3 ‘NS-3’., Le monde des réseaux de capteurs sans fil ‘RCSF’ a connu de grands progrès au cours de ces dernières années. Ainsi, les RCSF ont pu intégrer divers champs d’application (environnement, militaire, médecine, domotique ...) dont quelques-uns ayant des exigences en termes de qualité de service ‘QdS’. Cependant, la garantie de la QdS dans un RCSF pose des problèmes de recherche non triviaux, à cause de la nature peu fiable de la communication sans fil et des limitations des ressources des nœuds RCSF (processeur, mémoire, énergie ...). Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur les protocoles MAC afin d’améliorer le support de QdS dans les RCSF. Plus particulièrement, le standard IEEE 802.15.4. Les mécanismes de conservation d’énergie proposés par ce standard sont efficaces et présentent une flexibilité par rapport aux besoins des applications. Néanmoins, le temps de sommeil des nœuds affecte considérablement le délai de communication, donnant naissance à un compromis énergie/délai. Pour résoudre ce problème, nous avons amélioré ce standard pour un meilleur support des applications temps-réel. L’approche proposée permet de réduire le délai de communication de manière significative, même pour de faibles rapports cycliques, grâce au nouveau format de la supertrame. Les performances ont été validées par simulation et sur des plateformes de nœuds RCSF réelles. Nous avons proposé également un modèle de simulation pour le standard IEEE 802.15.4 sous le simulateur NS-3.

Numerous algorithms have been proposed to address the scheduling of real-time tasks for multiprocessor architectures. Yet, new scheduling algorithms have been defined very recently. Therefore, and without any guarantee of completeness, we have identified more than fifty of them. This large diversity makes the comparison of their behavior and performance difficult. This research aims at allowing the study and the evaluation of key scheduling algorithms. The first contribution is SimSo, a new simulation tool dedicated to the evaluation of scheduling algorithms. Using this tool, we were able to compare the performance of twenty algorithms. The second contribution is the consideration, in the simulation, of temporal overheads related to the execution of the scheduler and the impact of memory caches on the computation time of the jobs. This is done by the introduction of statistical models evaluating the cache miss ratios.; De multiples algorithmes ont été proposés pour traiter de l’ordonnancement de tâches temps réel dans un contexte multiprocesseur. Encore très récemment de nouvelles politiques ont été définies. Ainsi, sans garantie d’exhaustivité, nous en avons recensé plus d’une cinquantaine. Cette grande diversité rend difficile une analyse comparée de leurs comportements et performances. L’objectif de ce travail de thèse est de permettre l’étude et l’évaluation des principales politiques d’ordonnancement existantes. La première contribution est SimSo, un nouvel outil de simulation dédié à l’évaluation des politiques. Grâce à cet outil, nous avons pu comparer les performances d’une vingtaine d’algorithmes. La seconde contribution est la prise en compte, dans la simulation, des surcoûts temporels liés à l’exécution du code de l’ordonnanceur et à l’influence des mémoires caches sur la durée d’exécution des travaux par l’introduction de modèles statistiques évaluant les échecs d’accès à ces mémoires.

Numerous algorithms have been proposed to address the scheduling of real-time tasks for multiprocessor architectures. Yet, new scheduling algorithms have been defined very recently. Therefore, and without any guarantee of completeness, we have identified more than fifty of them. This large diversity makes the comparison of their behavior and performance difficult. This research aims at allowing the study and the evaluation of key scheduling algorithms. The first contribution is SimSo, a new simulation tool dedicated to the evaluation of scheduling algorithms. Using this tool, we were able to compare the performance of twenty algorithms. The second contribution is the consideration, in the simulation, of temporal overheads related to the execution of the scheduler and the impact of memory caches on the computation time of the jobs. This is done by the introduction of statistical models evaluating the cache miss ratios.; De multiples algorithmes ont été proposés pour traiter de l’ordonnancement de tâches temps réel dans un contexte multiprocesseur. Encore très récemment de nouvelles politiques ont été définies. Ainsi, sans garantie d’exhaustivité, nous en avons recensé plus d’une cinquantaine. Cette grande diversité rend difficile une analyse comparée de leurs comportements et performances. L’objectif de ce travail de thèse est de permettre l’étude et l’évaluation des principales politiques d’ordonnancement existantes. La première contribution est SimSo, un nouvel outil de simulation dédié à l’évaluation des politiques. Grâce à cet outil, nous avons pu comparer les performances d’une vingtaine d’algorithmes. La seconde contribution est la prise en compte, dans la simulation, des surcoûts temporels liés à l’exécution du code de l’ordonnanceur et à l’influence des mémoires caches sur la durée d’exécution des travaux par l’introduction de modèles statistiques évaluant les échecs d’accès à ces mémoires.

National audience; Currently the standard for embedded ECUs (Electronic Control Unit) in the automotive industry is AUTOSAR. One of the drawbacks of this architecture lies in its lack of flexibility. However, updates and customization of embedded systems are increasingly demanded and necessary. Indeed, systems are more and more complex and therefore require new methods and means to ease maintenance. Thus, from these observations, we study the possibilities for updates and resulting modifications (both on an architectural level and within the development process, and from a real-time point of view) in order to integrate within the AUTOSAR standard partial updates. This PhD thesis describes the software development process in an AUTOSAR context with a number of improvement we designed in this work. We also define concepts that allow to introduce placeholders for further updates within the embedded ECU. The development process has to be subsequently modified for integrating spaces for the updates along with the necessary mechanisms. Real-time problematic regarding partial updates in automotive systems is also considered here. In particular, we deal with sensitivity analysis that helps determine flexibility within the system. A number of implementation aspects are also detailed. In particular, the creation of the updates, versions management, use of embedded memory and dependability. All these concepts are finally applied on a proof of concept using an embedded application from Renault. We present here in details how the proposed approach can be used in practice.; Dans le contexte automobile actuel, le standard pour les calculateurs enfouis est AUTOSAR. L'un des inconvénients majeurs de cette architecture est son manque de flexibilité. Cependant, les mises à jour et la personnalisation des systèmes embarqués sont de plus en plus, non seulement plébiscités, mais également nécessaires. En effet, la complexité grandissante des systèmes exige à présent de déployer des moyens supplémentaires pour permettre leur maintenance et leur évolution de manière plus aisée. Ainsi, partant de ces constats, ce travail étudie les possibilités de faire des mises à jour dans le contexte d'AUTOSAR. Les modifications nécessaires se retrouvent non seulement dans l'architecture, mais également au sein du processus de développement et des considérations temps-réel. Tous ces aspects sont donc regardés en détails pour permettre les mises à jour partielles dans le cadre du standard AUTOSAR. Cette thèse décrit donc le processus de développement logiciel AUTOSAR et propose certaines améliorations mises en place au cours de ce travail. Un certain nombre de concepts sont également définis, afin d'aménager des espaces d'adaptation logiciels. Ces espaces sont ensuite utilisés pour intégrer des mises à jour partielles dans le calculateur embarqué. Le processus de développement est également modifié pour intégrer ces concepts ainsi que les mécanismes nécessaires à la mise à jour. Les aspects temps-réel concernant la mise à jour partielle dans les systèmes embarqués automobiles sont également traités ici. Un modèle de tâches approprié est mis en place dans le cadre d'AUTOSAR. De plus l'analyse de sensibilité est utilisée spécifiquement pour déterminer la flexibilité disponible dans un système donné. Les aspects d'implémentation sont également détaillés. En particulier, la création de mises à jour dans un contexte donné, la gestion des différentes versions possibles pour une application, l'utilisation et l'écriture dans la mémoire embarquée et enfin, les moyens nécessaires à la prise en compte des aspects de sûreté de fonctionnement. Pour terminer, tous les concepts développés dans ce travail sont appliqués à une preuve de concept reposant sur une application embarquée fournie par Renault. L'approche proposée est donc appliquée de manière pratique.

The work, presented in this thesis, aims at performing automatically scheduling analysis of Time Division Multiple Access (TDMA) based communication systems. Products called software radio protocols, developed at Thales Communications & Security, are examples of such systems.TDMA is a channel access method based on the division of time into several time slots. TDMA-based software radio protocols are real-time embedded systems. They are implemented by tasks that are statically allocated on multiple processors. A task may have an execution time, a deadline, and a release time that depend on TDMA. The tasks also have dependencies through precedence and shared resources.TDMA-based software radio protocols have architecture characteristics that are not handled by scheduling analysis methods of the literature. A consequence is that existing methods give either optimistic or pessimistic analysis results. Furthermore, existing architecture models at Thales do not contain enough information to be used for scheduling analysis. The information is only available in specification documents. These issues impact the possibility to perform scheduling analysis, but also the possibility to perform it automatically.The propositions of this thesis solve these problems. An experimental architecture model is proposed in the UML MARTE modeling language. The architecture model is transformed to a task model called Dependent General Multiframe (DGMF). The DGMF task model describes, in particular, the different jobs of a task, and task dependencies. To analyze DGMF tasks, they are transformed to another model called tree-shaped transaction. Transactions are precedence dependent tasks. Transactions that result from the transformation have non-immediate tasks. These tasks are not necessarily released immediately by their predecessor task. To consider the effects of non-immediateness, this thesis proposes the WCDOPS+NIM schedulability test for tree-shaped transactions. The general analysis method is implemented as a toolchain that can be used by engineers at Thales.Experimental results show that the propositions give less pessimistic schedulability results, compared to fundamental methods. The results are less pessimistic for both randomly generated systems and real case-studies from Thales. Furthermore, experiments show that scheduling analysis can be applied automatically to a TDMA-based software radio protocol.Less pessimistic results are important for engineering work, in order to limit the over-dimensioning of resources. The automatic analysis is a gain in productivity. These are advantages for engineers in the more and more competitive market of software radios.Experimental results show that the DGMF gives less pessimistic analysis results for TDMA-based software radio protocols. The results are less pessimistic for both simulated systems and real case-studies developed at THALES. Furthermore, the approach is scalable to real systems and the analysis can be performed automatically on such systems.; Le travail présenté dans cette thèse vise à analyser automatiquement l’ordonnancement de systèmes de communications basés sur TDMA. Des produits développés chez Thales Communications & Security, appelés protocoles radio logicielle, sont des exemples de tels systèmes.TDMA est une méthode d’accès au canal basée sur la division du temps en slot temporel. Les protocoles radio logicielle basés sur TDMA sont des systèmes temps-réel embarqués. Ils sont implémentés avec des tâches allouées statiquement sur des processeurs. Une tâche peut avoir un temps d’exécution, une échéance, et un temps d’activation qui dépendent de TDMA. Les tâches sont dépendantes par précédence et ressource partagée.Les protocoles radio logicielle basé sur TDMA ont des caractéristiques d’architecture qui ne sont pas supportés par les méthodes d’analyse de la littérature. Elles donnent donc des résultats d’analyse optimistes ou pessimistes. De plus, les modèles d’architecture à Thales ne contiennent pas assez d’informations pour être utilisés pour l’analyse. Ces informations ne sont disponibles que dans des documents de spécification. Ces problèmes impactent la possibilité d’appliquer l’analyse mais aussi de l’appliquer automatiquement.Les propositions de cette thèse règlent ces problèmes. Un modèle d’architecture expérimental est proposé en UML MARTE. Le modèle d’architecture est transformé au modèle de tâche Dependent General Multiframe (DGMF). DGMF décrit, en particulier, les activations d’une tâche et ses dépendances. Pour analyser les tâches DGMF, elles sont transformées en un autre modèle appelé transaction arborescente. Les transactions sont des tâches contraintes par précédence. Les transactions issues de la transformation ont des tâches non-immédiates. Une telle tâche n’est pas nécessairement activée immédiatement par son prédécesseur. Pour prendre en compte l’effet de la non-immédiateté, cette thèse propose le test d’ordonnançabilité WCDOPS+NIM pour transaction arborescente. La méthode d’analyse générale est implémentée comme chaîne d’outils dédiée aux ingénieurs chez Thales.Des expériences montrent que les propositions donnent des résultats d’ordonnançabilité moins pessimistes, comparés aux méthodes fondamentales. Les résultats sont moins pessimistes pour des systèmes générés aléatoirement et des vrais cas d’étude chez Thales. L’analyse peut aussi être appliquée automatiquement à un protocole radio logicielle basé sur TDMA.Des résultats moins pessimistes permettent de limiter le surdimensionnement des ressources. L’analyse automatique est un gain de productivité. Ce sont des avantages pour les ingénieurs dans un marché de la radio logicielle de plus en plus compétitif.

The work, presented in this thesis, aims at performing automatically scheduling analysis of Time Division Multiple Access (TDMA) based communication systems. Products called software radio protocols, developed at Thales Communications & Security, are examples of such systems.TDMA is a channel access method based on the division of time into several time slots. TDMA-based software radio protocols are real-time embedded systems. They are implemented by tasks that are statically allocated on multiple processors. A task may have an execution time, a deadline, and a release time that depend on TDMA. The tasks also have dependencies through precedence and shared resources.TDMA-based software radio protocols have architecture characteristics that are not handled by scheduling analysis methods of the literature. A consequence is that existing methods give either optimistic or pessimistic analysis results. Furthermore, existing architecture models at Thales do not contain enough information to be used for scheduling analysis. The information is only available in specification documents. These issues impact the possibility to perform scheduling analysis, but also the possibility to perform it automatically.The propositions of this thesis solve these problems. An experimental architecture model is proposed in the UML MARTE modeling language. The architecture model is transformed to a task model called Dependent General Multiframe (DGMF). The DGMF task model describes, in particular, the different jobs of a task, and task dependencies. To analyze DGMF tasks, they are transformed to another model called tree-shaped transaction. Transactions are precedence dependent tasks. Transactions that result from the transformation have non-immediate tasks. These tasks are not necessarily released immediately by their predecessor task. To consider the effects of non-immediateness, this thesis proposes the WCDOPS+NIM schedulability test for tree-shaped transactions. The general analysis method is implemented as a toolchain that can be used by engineers at Thales.Experimental results show that the propositions give less pessimistic schedulability results, compared to fundamental methods. The results are less pessimistic for both randomly generated systems and real case-studies from Thales. Furthermore, experiments show that scheduling analysis can be applied automatically to a TDMA-based software radio protocol.Less pessimistic results are important for engineering work, in order to limit the over-dimensioning of resources. The automatic analysis is a gain in productivity. These are advantages for engineers in the more and more competitive market of software radios.Experimental results show that the DGMF gives less pessimistic analysis results for TDMA-based software radio protocols. The results are less pessimistic for both simulated systems and real case-studies developed at THALES. Furthermore, the approach is scalable to real systems and the analysis can be performed automatically on such systems.; Le travail présenté dans cette thèse vise à analyser automatiquement l’ordonnancement de systèmes de communications basés sur TDMA. Des produits développés chez Thales Communications & Security, appelés protocoles radio logicielle, sont des exemples de tels systèmes.TDMA est une méthode d’accès au canal basée sur la division du temps en slot temporel. Les protocoles radio logicielle basés sur TDMA sont des systèmes temps-réel embarqués. Ils sont implémentés avec des tâches allouées statiquement sur des processeurs. Une tâche peut avoir un temps d’exécution, une échéance, et un temps d’activation qui dépendent de TDMA. Les tâches sont dépendantes par précédence et ressource partagée.Les protocoles radio logicielle basé sur TDMA ont des caractéristiques d’architecture qui ne sont pas supportés par les méthodes d’analyse de la littérature. Elles donnent donc des résultats d’analyse optimistes ou pessimistes. De plus, les modèles d’architecture à Thales ne contiennent pas assez d’informations pour être utilisés pour l’analyse. Ces informations ne sont disponibles que dans des documents de spécification. Ces problèmes impactent la possibilité d’appliquer l’analyse mais aussi de l’appliquer automatiquement.Les propositions de cette thèse règlent ces problèmes. Un modèle d’architecture expérimental est proposé en UML MARTE. Le modèle d’architecture est transformé au modèle de tâche Dependent General Multiframe (DGMF). DGMF décrit, en particulier, les activations d’une tâche et ses dépendances. Pour analyser les tâches DGMF, elles sont transformées en un autre modèle appelé transaction arborescente. Les transactions sont des tâches contraintes par précédence. Les transactions issues de la transformation ont des tâches non-immédiates. Une telle tâche n’est pas nécessairement activée immédiatement par son prédécesseur. Pour prendre en compte l’effet de la non-immédiateté, cette thèse propose le test d’ordonnançabilité WCDOPS+NIM pour transaction arborescente. La méthode d’analyse générale est implémentée comme chaîne d’outils dédiée aux ingénieurs chez Thales.Des expériences montrent que les propositions donnent des résultats d’ordonnançabilité moins pessimistes, comparés aux méthodes fondamentales. Les résultats sont moins pessimistes pour des systèmes générés aléatoirement et des vrais cas d’étude chez Thales. L’analyse peut aussi être appliquée automatiquement à un protocole radio logicielle basé sur TDMA.Des résultats moins pessimistes permettent de limiter le surdimensionnement des ressources. L’analyse automatique est un gain de productivité. Ce sont des avantages pour les ingénieurs dans un marché de la radio logicielle de plus en plus compétitif.

Using Field Programmable Gate Arrays (FPGA) is one of the very few solution for real time processingdata flows of several hundreds of Msamples/second. However, using such componentsis technically challenging beyond the need to become familiar with a new kind of dedicateddescription language and ways of describing algorithms, understanding the hardware behaviouris mandatory for implementing efficient processing solutions. In order to circumvent these difficulties,past researches have focused on providing solutions which, starting from a description ofan algorithm in a high-abstraction level language, generetes a description appropriate for FPGAconfiguration. Our contribution, following the strategy of block assembly based on the skeletonmethod, aimed at providing a software environment called CoGen for assembling various implementationsof readily available and validated processing blocks. The resulting processing chainis optimized by including FPGA hardware characteristics, and input and output bandwidths ofeach block in order to provide solution fitting best the requirements and constraints. Each processingblock implementation is either generated automatically or manually, but must complywith some constraints in order to be usable by our tool. In addition, each block developer mustprovide a standardized description of the block including required resources and data processingbandwidth limitations. CoGen then provides to the less experienced user the means to assemblethese blocks ensuring synchronism and consistency of data flow as well as the ability to synthesizethe processing chain in the available hardware resources. This working method has beenapplied to video data flow processing (threshold, contour detection and tuning fork eigenmodesanalysis) and on radiofrequency data flow (wireless interrogation of sensors through a RADARsystem, software processing of a frequency modulated stream, software defined radio).; L’utilisation de matrice de portes logiques reconfigurables (FPGA) est une des seules solutionspour traiter des flux de plusieurs 100 MÉchantillons/seconde en temps-réel. Toutefois, ce typede composant présente une grande difficulté de mise en oeuvre : au delà d’un type langage spécifique,c’est tout un environnement matériel et une certaine expérience qui sont requis pourobtenir les traitements les plus efficaces. Afin de contourner cette difficulté, de nombreux travauxont été réalisés dans le but de proposer des solutions qui, partant d’un code écrit dans unlangage de haut-niveau, vont produire un code dans un langage dédié aux FPGAs. Nos travaux,suivant l’approche d’assemblage de blocs et en suivant la méthode du skeleton, ont visé à mettreen place un logiciel, nommé CoGen, permettant, à partir de codes déjà développés et validés,de construire des chaînes de traitements en tenant compte des caractéristiques du FPGA cible,du débit entrant et sortant de chaque bloc pour garantir l’obtention d’une solution la plus adaptéepossible aux besoins et contraintes. Les implémentations des blocs de traitements sont soitgénérés automatiquement soit manuellement. Les entrées-sorties de chaque bloc doivent respecterune norme pour être exploitable dans l’outil. Le développeur doit fournir une descriptionconcernant les ressources nécessaires et les limitations du débit de données pouvant être traitées.CoGen fournit à l’utilisateur moins expérimenté une méthode d’assemblage de ces blocsgarantissant le synchronisme et cohérence des flux de données ainsi que la capacité à synthétiserle code sur les ressources matérielles accessibles. Cette méthodologie de travail est appliquéeà des traitements sur des flux vidéos (seuillage, détection de contours et analyse des modespropres d’un diapason) et sur des flux radio-fréquences (interrogation d’un capteur sans-fils parméthode RADAR, réception d’un flux modulé en fréquence, et finalement implémentation deblocs de bases pour déporter le maximum de traitements en numérique).

Wireless Sensor Networks (WSN) allow a multi-parameters monitoring of small extend areas thanks to cooperative data acquisition, transfer and processing. In order to combine WSN with a precise positioning of the receivers within the network using single frequency GPS modules, the Geocube has been developed by the French National Institute of Geographic and Forest Information (IGN-France). The first part of this work focused on GPS data management and processing to allow the relative positioning of the Geocubes within a local network. To this end, a processing method customized for Geocube data and WSN environment was developed. It is based on the use of GPS carrier phase double differences and a Kalman filtering. Due to the basic GPS antenna used into the Geocube to minimize its price and its size, multipath affect position time series. Various strategies are proposed for multipath mitigation, and finally a sub-centimeter to millimeter level accuracy is reached for relative positioning depending on measurement conditions.The second part of this work was devoted to the use of Geocube networks for geophysical structures monitoring. Two test sites were selected: the Super-Sauze landslide (Ubaye valley, Alpes de Haute-Provence, France) and the Argentière glacier (Mont-Blanc massif, Haute-Savoie, France). The dynamics of the studied areas was investigated at a sub-daily time scale thanks to the high accuracy and the high time resolution of positioning time series derived from Geocubes. In addition, positioning data were acquired quite everywhere a deformation measurement was needed thanks to the low-cost of Geocubes and their easy set up.; Les réseaux de capteurs permettent une surveillance multi-paramètres de zones d'étendue limitée grâce à la coopération d'un ensemble de récepteurs déployés in-situ qui gèrent l'acquisition, le traitement et le transfert de données. Afin de coupler le concept de réseaux de capteurs et un positionnement précis des récepteurs à l'aide de puces GPS mono-fréquence, l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN) a mis au point le Geocube.La première partie de ce travail a été consacrée au développement d'une stratégie d'acquisition, de transfert et de traitement des données GPS des Geocubes pour permettre un positionnement précis et en temps-réel des récepteurs au sein du réseau. Un traitement utilisant les observations de phase GPS ainsi qu'un filtrage de Kalman a été adopté. Cependant, les séries temporelles de positions brutes sont entachées de l'effet des multitrajets. Diverses méthodes d'atténuation de ce phénomène sont alors proposées. Au final, une précision infra-centimétrique à millimétrique est atteinte.La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l'application de réseaux de Geocubes pour l'étude d'objets géophysiques. Deux sites d'étude ont été sélectionnés: le glissement de terrain de Super-Sauze dans la vallée de l'Ubaye et le glacier d'Argentière dans le massif du Mont-Blanc. La dynamique des objets d'intérêt peut alors être étudiée à une échelle infra-journalière grâce à la précision et à la grande résolution temporelle du positionnement des Geocubes. De plus, la densité des réseaux de mesure et leur facilité d'installation permet d'instrumenter la grande majorité des points où un besoin de surveillance est identifié.

Cette thèse présente plusieurs contributions permettant d'améliorer la diffusion de vidéos. Dans la première partie de la thèse, nous évaluons et analysons les mécanismes de tolérance d'erreurs (correction et masquage d'erreurs). Les performances de ces différents mécanismes sont évaluées pour des taux de pertes de paquets variables. Les contributions suivantes mettent l'accent sur un code à effacements à la volée, appelée Tetrys, plus efficace que les codes en blocs classiques (Forward Error Correction - FEC). Tout d'abord, nous étudions l'application de Tetrys à la transmission vidéo temps réel par des chemins multiples. Nous proposons un découplage entre l'allocation de la charge et la gestion de la redondance pour Tetrys. Tetrys, lorsqu'il est couplé avec un mécanisme de répartition de charge appelé Encoded Multipath streaming (EMS), surpasse le couplage entre EMS et FEC pour les deux modèles de perte testés (Bernoulli et Gilbert-Elliott) en termes de taux de perte résiduel et de qualiée vidéo. En exploitant la capacité de correction de Tetrys, nous étudions ensuite les performances du décodage tardif où les paquets arrivant en retard sont décodés et utilisés pour stopper la propagation d'erreur. Enfin, une étude plus approfondie sur Tetrys propose un algorithme d'adaptation de la redondance, appelé A-Tetrys, permettant de gérer la dynamique du réseau. Cet algorithme combine des approches réactives et pro-actives pour adapter au mieux le taux de redondance. L'évaluation des performances montre que A-Tetrys parvient à gérer simultanément les variations du taux de perte, du modèle de perte et du délai. Nous étudions ensuite un autre challenge en proposant un nouveau critère d'équité : la qualité vidéo. Nous proposons un algorithme Q-AIMD qui permet un partage équitable de la bande passante en termes de qualité vidéo entre des ux concurrents. Nous présentons un système pour le déploiement de cet algorithme Q-AIMD et nous étudions sa convergence. L'évaluation de différentes métriques de qualité vidéo (PSNR, QP et VQM) montre une diminution importante des écarts de qualité vidéo entre plusieurs flux par rapport à l'approche traditionnelle AIMD qui se base sur le débit. De plus, une autre contribution sur ce sujet propose une nouvelle approche appelée courbe virtuelle. Contrairement à QAIMD qui est une approche décentralisée, la courbe virtuelle est une approche centralisée qui permet à la fois une équité entre les flux vidéo en termes de qualité vidéo et une équité entre les flux non-vidéo et flux vidéo en termes de débit. This thesis contributes to deal with the challenges in video delivery. In the first part of the thesis, we evaluate and analyse the error tolerance schemes (error protection and error resilience). The analysis shows how an error protection solution (equal and unequal) behaves in a wide range of packet loss rate from less lossy to error prone environments. We then study the performance of error protection schemes against the error resilience tools. Departing from the insights drawn from the evaluation and analysis, our next contributions focus on an on-the-y systematic erasure code, named Tetrys, which outperforms the traditional Forward Error Correction (FEC) approach. First, we study the application of Tetrys to real-time multipath transmission. We propose decoupling between load allocation and redundancy traffic for Tetrys. Tetrys coupled with a load splitting scheme, Encoded Multipath Streaming (EMS), outperforms the coupling between EMS and FEC for both loss patterns (Bernoulli and Gilbert-Elliott) in terms of residual loss rate and video quality. Exploiting the full reliable property of Tetrys, we then study the performance of Tetrys late-decoding (LD) where late-arrival packets are lately decoded and used to stop the error progatation. Finally, a deeper study on Tetrys focuses on an redundancy adaptation algorithm, named A-Tetrys, to cope with the network dynamics. We propose an algorithm which has both reaction and estimation behaviors to adapt its redundancy ratio. The performance evaluation shows that A-Tetrys copes well with the variations of both loss rate, loss pattern and delay. Then, we study another today challenge for a new fairness criterion, the video quality. We propose a Q-AIMD algorithm that enables a fair share in terms of video quality between competing ows. We discuss a system with the control granularity to deploy the Q-AIMD algorithm and study its convergence. The evaluation with different video quality metrics (PSNR, QP and VQM) shows an important diminution in video quality discrepancies between different transmitted ows compared to traditional throughput-based AIMD. Looking from another view, another work focuses on a virtual curve approach. Unlike Q-AIMD which is a decentralized approach, virtual curve is a centralized approach that enables both intra-fairness between video ows in terms of video quality and inter-fairness between non-video and video ows in terms of throughput.

Among the multimedia content distribution services to the handheld receivers, mobile TV is a popular service. Digital Video Broadcast (DVB) networks have high capacity and coverage to perform a mass multimedia content distribution. The conventional DVB networks are designed to cover fixed receivers, which have a roof antenna. The handheld receivers have different configurations which cause weaker link budgets. Generally, a broadcast system is unidirectional and it does not have a feedback channel to ensure the reception of the data at the receiver side. On the other hand, cellular networks have more reliable bidirectional links with the handheld receivers. Individual multimedia transmission to each handheld receiver generates a huge load in the cellular networks. In the specific example of mobile TV, it is not efficient to regenerate the same transmission load for each handheld receiver. In our thesis work, we consider a cooperation between the broadcast systems and the cellular networks for an efficient multimedia reception at the handheld receivers. We use the cellular network link for the retransmission of the lost packets from a multimedia broadcast data-flow reception. In this work we analyze the coverage for handheld receivers in a single frequency broadcast network. We specifically consider several outdoor and indoor scenarios in a DVB-T2 network. We analyze how a data flow is processed in DVB-T2 and propose a scheme for the identification of packets in the DVB transmission. The core contribution of our thesis work is the proposition of a Real-time Flow Repair (RFR) Service based on cellular network, which repairs any multimedia data-flow to the handheld receivers in real-time. The proposed RFR service is based on a light client-server application protocol, namely Constrained Application Protocol (CoAP). The RFR proposal is also supported by the analysis of the load generated in LTE Radio access network due to RFR service.; Parmi les services de distribution de contenu multimédia vers des récepteurs portatifs, la télévision mobile est un service populaire. Les réseaux de diffusion vidéo numérique (DVB) offrent à la fois une grande capacité et une bonne couverture pour effectuer une distribution massive de contenus multimédias. Les réseaux DVB conventionnels sont conçus pour couvrir des récepteurs fixes avec une antenne sur le toit. Les récepteurs portatifs ont des configurations différentes qui présentent un moins bon bilan de liaison. En règle générale, un système de diffusion est unidirectionnel et il n'a pas une voie de retour pour assurer la réception des données sur le côté du récepteur. D'autre part, les réseaux cellulaires ont des liens bidirectionnels plus fiables avec les récepteurs portatifs. Lorsqu'on effectue une transmission d'un contenu populaire en propre vers chaque récepteur portable, cela génère une énorme charge dans les réseaux cellulaires. Dans l'exemple spécifique de la télévision mobile, il n'est pas efficace de régénérer la même charge de transmission pour chaque récepteur portable. Dans notre travail de thèse, nous considérons une coopération entre les systèmes de diffusion et les réseaux cellulaires pour une réception multimédia efficace et de qualité au niveau des récepteurs portatifs. Nous utilisons la liaison réseau cellulaire pour la retransmission des paquets perdus dans un flux de données de diffusion multimédia. Dans ce travail, nous analysons la couverture pour les récepteurs portatifs dans un réseau isofréquence de diffusion. Nous considérons spécifiquement plusieurs scénarios intérieurs et extérieurs dans un réseau DVB-T2. Nous analysons comment un flux de données est traité en DVB-T2 et de proposer un système pour l'identification des paquets dans la transmission DVB. La contribution de base de notre travail de thèse est la proposition de réparation d'un flux en temps réel (RFR) service basé sur le réseau cellulaire, qui répare les flux de données multimédia pour les récepteurs portatifs en temps réel. Le service RFR proposé est basé sur un protocole client-serveur, i.e. Contraint Application Protocol (CoAP). La proposition RFR est également étayée par l'analyse de la charge générée dans le réseau d'accès radio LTE a cause de service RFR.

Among the multimedia content distribution services to the handheld receivers, mobile TV is a popular service. Digital Video Broadcast (DVB) networks have high capacity and coverage to perform a mass multimedia content distribution. The conventional DVB networks are designed to cover fixed receivers, which have a roof antenna. The handheld receivers have different configurations which cause weaker link budgets. Generally, a broadcast system is unidirectional and it does not have a feedback channel to ensure the reception of the data at the receiver side. On the other hand, cellular networks have more reliable bidirectional links with the handheld receivers. Individual multimedia transmission to each handheld receiver generates a huge load in the cellular networks. In the specific example of mobile TV, it is not efficient to regenerate the same transmission load for each handheld receiver. In our thesis work, we consider a cooperation between the broadcast systems and the cellular networks for an efficient multimedia reception at the handheld receivers. We use the cellular network link for the retransmission of the lost packets from a multimedia broadcast data-flow reception. In this work we analyze the coverage for handheld receivers in a single frequency broadcast network. We specifically consider several outdoor and indoor scenarios in a DVB-T2 network. We analyze how a data flow is processed in DVB-T2 and propose a scheme for the identification of packets in the DVB transmission. The core contribution of our thesis work is the proposition of a Real-time Flow Repair (RFR) Service based on cellular network, which repairs any multimedia data-flow to the handheld receivers in real-time. The proposed RFR service is based on a light client-server application protocol, namely Constrained Application Protocol (CoAP). The RFR proposal is also supported by the analysis of the load generated in LTE Radio access network due to RFR service., Parmi les services de distribution de contenu multimédia vers des récepteurs portatifs, la télévision mobile est un service populaire. Les réseaux de diffusion vidéo numérique (DVB) offrent à la fois une grande capacité et une bonne couverture pour effectuer une distribution massive de contenus multimédias. Les réseaux DVB conventionnels sont conçus pour couvrir des récepteurs fixes avec une antenne sur le toit. Les récepteurs portatifs ont des configurations différentes qui présentent un moins bon bilan de liaison. En règle générale, un système de diffusion est unidirectionnel et il n'a pas une voie de retour pour assurer la réception des données sur le côté du récepteur. D'autre part, les réseaux cellulaires ont des liens bidirectionnels plus fiables avec les récepteurs portatifs. Lorsqu'on effectue une transmission d'un contenu populaire en propre vers chaque récepteur portable, cela génère une énorme charge dans les réseaux cellulaires. Dans l'exemple spécifique de la télévision mobile, il n'est pas efficace de régénérer la même charge de transmission pour chaque récepteur portable. Dans notre travail de thèse, nous considérons une coopération entre les systèmes de diffusion et les réseaux cellulaires pour une réception multimédia efficace et de qualité au niveau des récepteurs portatifs. Nous utilisons la liaison réseau cellulaire pour la retransmission des paquets perdus dans un flux de données de diffusion multimédia. Dans ce travail, nous analysons la couverture pour les récepteurs portatifs dans un réseau isofréquence de diffusion. Nous considérons spécifiquement plusieurs scénarios intérieurs et extérieurs dans un réseau DVB-T2. Nous analysons comment un flux de données est traité en DVB-T2 et de proposer un système pour l'identification des paquets dans la transmission DVB. La contribution de base de notre travail de thèse est la proposition de réparation d'un flux en temps réel (RFR) service basé sur le réseau cellulaire, qui répare les flux de données multimédia pour les récepteurs portatifs en temps réel. Le service RFR proposé est basé sur un protocole client-serveur, i.e. Contraint Application Protocol (CoAP). La proposition RFR est également étayée par l'analyse de la charge générée dans le réseau d'accès radio LTE a cause de service RFR.

cote interne IRCAM: Dechelle99c; None / None; National audience; jMax est une nouvelle implémentation du langage visuel MAX, largement utilisé pour des applications musicales interactives. Basé sur une architecture mixte JAVA/C, jMax privilégie la portabilité.

One of the open questions of artificial computer vision is how to produce good internal representations of the visual world. What sort of internal representation would allow an artificial vision system to detect and classify objects into categories, independently of pose, scale, illumination, conformation, and clutter ? More interestingly, how could an artificial vision system {em learn} appropriate internal representations automatically, the way animals and humans seem to learn by simply looking at the world ? Another related question is that of computational tractability, and more precisely that of computational efficiency. Given a good visual representation, how efficiently can it be trained, and used to encode new sensorial data. Efficiency has several dimensions: power requirements, processing speed, and memory usage. In this thesis I present three new contributions to the field of computer vision:(1) a multiscale deep convolutional network architecture to easily capture long-distance relationships between input variables in image data, (2) a tree-based algorithm to efficiently explore multiple segmentation candidates, to produce maximally confident semantic segmentations of images,(3) a custom dataflow computer architecture optimized for the computation of convolutional networks, and similarly dense image processing models. All three contributions were produced with the common goal of getting us closer to real-time image understanding. Scene parsing consists in labeling each pixel in an image with the category of the object it belongs to. In the first part of this thesis, I propose a method that uses a multiscale convolutional network trained from raw pixels to extract dense feature vectors that encode regions of multiple sizes centered on each pixel. The method alleviates the need for engineered features. In parallel to feature extraction, a tree of segments is computed from a graph of pixel dissimilarities. The feature vectors associated with the segments covered by each node in the tree are aggregated and fed to a classifier which produces an estimate of the distribution of object categories contained in the segment. A subset of tree nodes that cover the image are then selected so as to maximize the average "purity" of the class distributions, hence maximizing the overall likelihood that each segment contains a single object. The system yields record accuracies on several public benchmarks. The computation of convolutional networks, and related models heavily relies on a set of basic operators that are particularly fit for dedicated hardware implementations. In the second part of this thesis I introduce a scalable dataflow hardware architecture optimized for the computation of general-purpose vision algorithms, neuFlow, and a dataflow compiler, luaFlow, that transforms high-level flow-graph representations of these algorithms into machine code for neuFlow. This system was designed with the goal of providing real-time detection, categorization and localization of objects in complex scenes, while consuming 10 Watts when implemented on a Xilinx Virtex 6 FPGA platform, or about ten times less than a laptop computer, and producing speedups of up to 100 times in real-world applications (results from 2011), One of the open questions of artificial computer vision is how to produce good internal representations of the visual world. What sort of internal representation would allow an artificial vision system to detect and classify objects into categories, independently of pose, scale, illumination, conformation, and clutter ? More interestingly, how could an artificial vision system {em learn} appropriate internal representations automatically, the way animals and humans seem to learn by simply looking at the world ? Another related question is that of computational tractability, and more precisely that of computational efficiency. Given a good visual representation, how efficiently can it be trained, and used to encode new sensorial data. Efficiency has several dimensions: power requirements, processing speed, and memory usage. In this thesis I present three new contributions to the field of computer vision:(1) a multiscale deep convolutional network architecture to easily capture long-distance relationships between input variables in image data, (2) a tree-based algorithm to efficiently explore multiple segmentation candidates, to produce maximally confident semantic segmentations of images,(3) a custom dataflow computer architecture optimized for the computation of convolutional networks, and similarly dense image processing models. All three contributions were produced with the common goal of getting us closer to real-time image understanding. Scene parsing consists in labeling each pixel in an image with the category of the object it belongs to. In the first part of this thesis, I propose a method that uses a multiscale convolutional network trained from raw pixels to extract dense feature vectors that encode regions of multiple sizes centered on each pixel. The method alleviates the need for engineered features. In parallel to feature extraction, a tree of segments is computed from a graph of pixel dissimilarities. The feature vectors associated with the segments covered by each node in the tree are aggregated and fed to a classifier which produces an estimate of the distribution of object categories contained in the segment. A subset of tree nodes that cover the image are then selected so as to maximize the average "purity" of the class distributions, hence maximizing the overall likelihood that each segment contains a single object (...)

The increase of software complexity along the years has led researchers in the software engineering field to look for approaches for conceiving and designing new systems. For instance, the service-oriented architectures approach is considered nowadays as the most advanced way to develop and integrate fastly modular and flexible applications. One of the software engineering solutions principles is re-usability, and consequently generality, which complicates its appilication in systems where optimizations are often used, like real-time systems. Thus, create real-time systems is expensive, because they must be conceived from scratch. In addition, most real-time systems do not beneficiate of the advantages which comes with software engineering approches, such as modularity and flexibility. This thesis aim to take real time aspects into account on popular and standard SOA solutions, in order to ease the design and development of modular and flexible applications. This will be done by means of a component-based real-time application model, which allows the dynamic reconfiguration of the application architecture. The component model will be an extension to the SCA standard, which integrates quality of service attributs onto the service consumer and provider in order to stablish a real-time specific service level agreement. This model will be executed on the top of a OSGi service platform, the standard de facto for development of modular applications in Java.; La croissante complexité du logiciel a mené les chercheurs en génie logiciel à chercher des approcher pour concevoir et projéter des nouveaux systèmes. Par exemple, l'approche des architectures orientées services (SOA) est considérée actuellement comme le moyen le plus avancé pour réaliser et intégrer rapidement des applications modulaires et flexibles. Une des principales préocuppations des solutions en génie logiciel et la réutilisation, et par conséquent, la généralité de la solution, ce qui peut empêcher son application dans des systèmes où des optimisation sont souvent utilisées, tels que les systèmes temps réels. Ainsi, créer un système temps réel est devenu très couteux. De plus, la plupart des systèmes temps réel ne beneficient pas des facilités apportées par le genie logiciel, tels que la modularité et la flexibilité. Le but de cette thèse c'est de prendre en compte ces aspects temps réel dans des solutions populaires et standards SOA pour faciliter la conception et le développement d'applications temps réel flexibles et modulaires. Cela sera fait à l'aide d'un modèle d'applications temps réel orienté composant autorisant des modifications dynamiques dans l'architecture de l'application. Le modèle de composant sera une extension au standard SCA qui intègre des attributs de qualité de service sur le consomateur et le fournisseur de services pour l'établissement d'un accord de niveau de service spécifique au temps réel. Ce modèle sera executé sur une plateforme de services OSGi, le standard de facto pour le developpement d'applications modulaires en Java.

The increase of software complexity along the years has led researchers in the software engineering field to look for approaches for conceiving and designing new systems. For instance, the service-oriented architectures approach is considered nowadays as the most advanced way to develop and integrate fastly modular and flexible applications. One of the software engineering solutions principles is re-usability, and consequently generality, which complicates its appilication in systems where optimizations are often used, like real-time systems. Thus, create real-time systems is expensive, because they must be conceived from scratch. In addition, most real-time systems do not beneficiate of the advantages which comes with software engineering approches, such as modularity and flexibility. This thesis aim to take real time aspects into account on popular and standard SOA solutions, in order to ease the design and development of modular and flexible applications. This will be done by means of a component-based real-time application model, which allows the dynamic reconfiguration of the application architecture. The component model will be an extension to the SCA standard, which integrates quality of service attributs onto the service consumer and provider in order to stablish a real-time specific service level agreement. This model will be executed on the top of a OSGi service platform, the standard de facto for development of modular applications in Java.; La croissante complexité du logiciel a mené les chercheurs en génie logiciel à chercher des approcher pour concevoir et projéter des nouveaux systèmes. Par exemple, l'approche des architectures orientées services (SOA) est considérée actuellement comme le moyen le plus avancé pour réaliser et intégrer rapidement des applications modulaires et flexibles. Une des principales préocuppations des solutions en génie logiciel et la réutilisation, et par conséquent, la généralité de la solution, ce qui peut empêcher son application dans des systèmes où des optimisation sont souvent utilisées, tels que les systèmes temps réels. Ainsi, créer un système temps réel est devenu très couteux. De plus, la plupart des systèmes temps réel ne beneficient pas des facilités apportées par le genie logiciel, tels que la modularité et la flexibilité. Le but de cette thèse c'est de prendre en compte ces aspects temps réel dans des solutions populaires et standards SOA pour faciliter la conception et le développement d'applications temps réel flexibles et modulaires. Cela sera fait à l'aide d'un modèle d'applications temps réel orienté composant autorisant des modifications dynamiques dans l'architecture de l'application. Le modèle de composant sera une extension au standard SCA qui intègre des attributs de qualité de service sur le consomateur et le fournisseur de services pour l'établissement d'un accord de niveau de service spécifique au temps réel. Ce modèle sera executé sur une plateforme de services OSGi, le standard de facto pour le developpement d'applications modulaires en Java.

In this work, image based estimation methods, also known as direct methods, are studied which avoid feature extraction and matching completely. Cost functions use raw pixels as measurements and the goal is to produce precise 3D pose and structure estimates. The cost functions presented minimize the sensor error, because measurements are not transformed or modified. In photometric camera pose estimation, 3D rotation and translation parameters are estimated by minimizing a sequence of image based cost functions, which are non-linear due to perspective projection and lens distortion. In image based structure refinement, on the other hand, 3D structure is refined using a number of additional views and an image based cost metric. Image based estimation methods are usable whenever the Lambertian illumination assumption holds, where 3D points have constant color despite viewing angle. The main application domains in this work are indoor 3D reconstructions, robotics and augmented reality. The overall project goal is to improve image based estimation methods, and to produce computationally efficient methods which can be accomodated into real applications. The main questions for this work are : What is an efficient formulation for an image based 3D pose estimation and structure refinement task ? How to organize computation to enable an efficient real-time implementation ? What are the practical considerations of using image based estimation methods in applications such as augmented reality and 3D reconstruction ?; Dans ce travail, méthodes d'estimation basées sur des images, également connu sous le nom de méthodes directes, sont étudiées qui permettent d'éviter l'extraction de caractéristiques et l'appariement complètement. L'objectif est de produire pose 3D précis et des estimations de la structure. Les fonctions de coût présenté minimiser l'erreur du capteur, car les mesures ne sont pas transformés ou modifiés. Dans la caméra photométrique estimation de la pose, rotation 3D et les paramètres de traduction sont estimées en minimisant une séquence de fonctions de coûts à base d'image, qui sont des non-linéaires en raison de la perspective projection et la distorsion de l'objectif. Dans l'image la structure basée sur le raffinement, d'autre part, de la structure 3D est affinée en utilisant un certain nombre de vues supplémentaires et un coût basé sur l'image métrique. Les principaux domaines d'application dans ce travail sont des reconstitutions d'intérieur, la robotique et la réalité augmentée. L'objectif global du projet est d'améliorer l'image des méthodes d'estimation fondées, et pour produire des méthodes de calcul efficaces qui peuvent être accueillis dans des applications réelles. Les principales questions pour ce travail sont : Qu'est-ce qu'une formulation efficace pour une image 3D basé estimation de la pose et de la structure tâche de raffinement ? Comment organiser calcul afin de permettre une mise en œuvre efficace en temps réel ? Quelles sont les considérations pratiques utilisant l'image des méthodes d'estimation basées sur des applications telles que la réalité augmentée et la reconstruction 3D ?

In this work, image based estimation methods, also known as direct methods, are studied which avoid feature extraction and matching completely. Cost functions use raw pixels as measurements and the goal is to produce precise 3D pose and structure estimates. The cost functions presented minimize the sensor error, because measurements are not transformed or modified. In photometric camera pose estimation, 3D rotation and translation parameters are estimated by minimizing a sequence of image based cost functions, which are non-linear due to perspective projection and lens distortion. In image based structure refinement, on the other hand, 3D structure is refined using a number of additional views and an image based cost metric. Image based estimation methods are usable whenever the Lambertian illumination assumption holds, where 3D points have constant color despite viewing angle. The main application domains in this work are indoor 3D reconstructions, robotics and augmented reality. The overall project goal is to improve image based estimation methods, and to produce computationally efficient methods which can be accomodated into real applications. The main questions for this work are : What is an efficient formulation for an image based 3D pose estimation and structure refinement task ? How to organize computation to enable an efficient real-time implementation ? What are the practical considerations of using image based estimation methods in applications such as augmented reality and 3D reconstruction ?; Dans ce travail, méthodes d'estimation basées sur des images, également connu sous le nom de méthodes directes, sont étudiées qui permettent d'éviter l'extraction de caractéristiques et l'appariement complètement. L'objectif est de produire pose 3D précis et des estimations de la structure. Les fonctions de coût présenté minimiser l'erreur du capteur, car les mesures ne sont pas transformés ou modifiés. Dans la caméra photométrique estimation de la pose, rotation 3D et les paramètres de traduction sont estimées en minimisant une séquence de fonctions de coûts à base d'image, qui sont des non-linéaires en raison de la perspective projection et la distorsion de l'objectif. Dans l'image la structure basée sur le raffinement, d'autre part, de la structure 3D est affinée en utilisant un certain nombre de vues supplémentaires et un coût basé sur l'image métrique. Les principaux domaines d'application dans ce travail sont des reconstitutions d'intérieur, la robotique et la réalité augmentée. L'objectif global du projet est d'améliorer l'image des méthodes d'estimation fondées, et pour produire des méthodes de calcul efficaces qui peuvent être accueillis dans des applications réelles. Les principales questions pour ce travail sont : Qu'est-ce qu'une formulation efficace pour une image 3D basé estimation de la pose et de la structure tâche de raffinement ? Comment organiser calcul afin de permettre une mise en œuvre efficace en temps réel ? Quelles sont les considérations pratiques utilisant l'image des méthodes d'estimation basées sur des applications telles que la réalité augmentée et la reconstruction 3D ?

The research work presented for the habilitation thesis aim to provide new simulation tools for medical and surgical interventions.These tools have many applications including training of physicians, planning of interventions (for rehearsal and for the validation of a therapy) or providing assistance during a real intervention. However, to obtain a realistic or even predictive simulation of the procedure, we must take into account the deformation of anatomical structures and the mechanical interactions between devices and tissues. At the same time, the simulation must be interactive and computed in real-time to keep the gesture of the physician in the loop of the simulation. The major challenge of our work is to guarantee a certain level of accuracy in the simulation while keeping a very short computation time, consistent with the real-time. First, we present an optimized formulation of the finite element method (FEM) for the deformable models and new numerical tools (preconditionner, coupling between models...) dedicated to real-time FEM computation. This approach is used to compute the biomechanics of anatomical soft-tissues, as well as flexible instruments. The second key point is the boundary conditions: the mechanical interactions between organs and/or with surgical devices are often difficult to account for. Yet, a bad modeling of these interaction can lead to a large source of errors. Our approach builds on non-smooth mechanics for modeling contact and friction between solids but also extends to other models of interaction (like needle insertion for instance). In this context, we also address the difficult problem of computing the compliance of deformable structures in real-time. Third, during some procedures, the visual feedback is far from perfect and the physician uses haptic feedback for guidance. In such case it is important to provide haptic rendering using dedicated haptic devices and simulation algorithms. In this domain, we provide a new asynchronous approach that is centered on the mechanical interactions between devices and human tissues. The method addresses the problem of high-refresh rates (1kHz) needed in the haptic loop. Finally, we present some research results on concrete application examples that we are currently developing. We present the remaining challenges to allow a large diffusion of the simulation as a clinical tool, used by physicians in the future.; Les travaux de recherche présentés pour l'habilitation à diriger des recherches, visent à proposer de nouveaux outils pour simuler des interventions médicales et chirurgicales. Ces outils ont plusieurs applications dont l'amélioration de la formation des praticiens, la planification d'interventions pour la préparation et la validation d'une thérapie ou encore l'assistance au geste médical durant une intervention. Or, pour simuler ces interventions de manière réaliste voire prédictive, il faut tenir compte de la déformation des structures anatomiques et des interactions mécaniques entre les outils et les organes. En même temps, la simulation doit être interactive et calculée en temps-réel pour garder le geste du praticien dans la boucle de la simulation. Le défi majeur de notre travail est donc de garantir un calcul précis au niveau de la simulation tout en gardant un temps de calcul très court, qui soit compatible avec le temps-réel. D'abord, nous proposons une formulation optimisée de la méthode par éléments finis (FEM) et de nouveaux outils numériques (pré-conditionneurs, couplage entre modèles...) dédiés à au calcul FEM temps-réel. Cette approche est utilisée pour calculer la biomécanique des déformations des tissus anatomiques et les instruments flexibles. Nous abordons ensuite un autre point clé de ces simulations que sont les conditions aux limites. Les interactions mécaniques entre organes et/ou entre les outils chirurgicaux et les tissus sont souvent complexes à modéliser. Or, une mauvaise prise en compte de ces interactions peut aboutir à des erreurs importantes. Notre approche suit les bases de la mécanique non-régulière pour gérer, notamment, le contact et le frottement entre solides. Nous étendons l'approche à d'autres modèles d'interaction (comme l'insertion d'aiguille par exemple). Dans ce contexte, nous mettons l'accent sur le calcul de la compliance des structures en temps-réel. Par ailleurs, pour certaines interventions où le retour visuel n'est pas parfait, le praticien se guide aussi avec le sens du toucher. Il est donc important de reproduire au moins partiellement cette sensation - dite haptique - avec des interfaces à retour d'effort, pilotée à partir des données de la simulation. Dans ce domaine, nous proposons une approche centrée sur le rendu haptique des interactions mécaniques entre outil chirurgical et tissus humain. Cette approche se base notamment sur une désynchronisation du calcul de la boucle de simulation et de la boucle de retour d'effort qui demande un rafraichissement à haute fréquence (1kHz). Finalement, nous présentons ces résultats de recherche sur des exemples concrets d'application et nous présentons les défis à venir pour permettre à la simulation de devenir un outil utilisé par les praticiens à l'avenir. Le manuscrit est en anglais.

The research work presented for the habilitation thesis aim to provide new simulation tools for medical and surgical interventions.These tools have many applications including training of physicians, planning of interventions (for rehearsal and for the validation of a therapy) or providing assistance during a real intervention. However, to obtain a realistic or even predictive simulation of the procedure, we must take into account the deformation of anatomical structures and the mechanical interactions between devices and tissues. At the same time, the simulation must be interactive and computed in real-time to keep the gesture of the physician in the loop of the simulation. The major challenge of our work is to guarantee a certain level of accuracy in the simulation while keeping a very short computation time, consistent with the real-time. First, we present an optimized formulation of the finite element method (FEM) for the deformable models and new numerical tools (preconditionner, coupling between models...) dedicated to real-time FEM computation. This approach is used to compute the biomechanics of anatomical soft-tissues, as well as flexible instruments. The second key point is the boundary conditions: the mechanical interactions between organs and/or with surgical devices are often difficult to account for. Yet, a bad modeling of these interaction can lead to a large source of errors. Our approach builds on non-smooth mechanics for modeling contact and friction between solids but also extends to other models of interaction (like needle insertion for instance). In this context, we also address the difficult problem of computing the compliance of deformable structures in real-time. Third, during some procedures, the visual feedback is far from perfect and the physician uses haptic feedback for guidance. In such case it is important to provide haptic rendering using dedicated haptic devices and simulation algorithms. In this domain, we provide a new asynchronous approach that is centered on the mechanical interactions between devices and human tissues. The method addresses the problem of high-refresh rates (1kHz) needed in the haptic loop. Finally, we present some research results on concrete application examples that we are currently developing. We present the remaining challenges to allow a large diffusion of the simulation as a clinical tool, used by physicians in the future.; Les travaux de recherche présentés pour l'habilitation à diriger des recherches, visent à proposer de nouveaux outils pour simuler des interventions médicales et chirurgicales. Ces outils ont plusieurs applications dont l'amélioration de la formation des praticiens, la planification d'interventions pour la préparation et la validation d'une thérapie ou encore l'assistance au geste médical durant une intervention. Or, pour simuler ces interventions de manière réaliste voire prédictive, il faut tenir compte de la déformation des structures anatomiques et des interactions mécaniques entre les outils et les organes. En même temps, la simulation doit être interactive et calculée en temps-réel pour garder le geste du praticien dans la boucle de la simulation. Le défi majeur de notre travail est donc de garantir un calcul précis au niveau de la simulation tout en gardant un temps de calcul très court, qui soit compatible avec le temps-réel. D'abord, nous proposons une formulation optimisée de la méthode par éléments finis (FEM) et de nouveaux outils numériques (pré-conditionneurs, couplage entre modèles...) dédiés à au calcul FEM temps-réel. Cette approche est utilisée pour calculer la biomécanique des déformations des tissus anatomiques et les instruments flexibles. Nous abordons ensuite un autre point clé de ces simulations que sont les conditions aux limites. Les interactions mécaniques entre organes et/ou entre les outils chirurgicaux et les tissus sont souvent complexes à modéliser. Or, une mauvaise prise en compte de ces interactions peut aboutir à des erreurs importantes. Notre approche suit les bases de la mécanique non-régulière pour gérer, notamment, le contact et le frottement entre solides. Nous étendons l'approche à d'autres modèles d'interaction (comme l'insertion d'aiguille par exemple). Dans ce contexte, nous mettons l'accent sur le calcul de la compliance des structures en temps-réel. Par ailleurs, pour certaines interventions où le retour visuel n'est pas parfait, le praticien se guide aussi avec le sens du toucher. Il est donc important de reproduire au moins partiellement cette sensation - dite haptique - avec des interfaces à retour d'effort, pilotée à partir des données de la simulation. Dans ce domaine, nous proposons une approche centrée sur le rendu haptique des interactions mécaniques entre outil chirurgical et tissus humain. Cette approche se base notamment sur une désynchronisation du calcul de la boucle de simulation et de la boucle de retour d'effort qui demande un rafraichissement à haute fréquence (1kHz). Finalement, nous présentons ces résultats de recherche sur des exemples concrets d'application et nous présentons les défis à venir pour permettre à la simulation de devenir un outil utilisé par les praticiens à l'avenir. Le manuscrit est en anglais.

The number of available commercial platforms is constantly increasing. The choice of an architecture that fit as much as possible the requirements is therefore more and more complex. This is even more real with the availability of recent multiprocessors architectures. As a consequence, methodologies with their associated tools are required in order to quickly evaluate future platforms, so that choices can be made early in the design flow. So far, evaluating either the performance or the power consumption of a dedicated platform was performed through executing benchmarks and applications on this platform. In this thesis, a new methodology with its associated tools, called FORECAST, is proposed to model both the hardware and software of a system, and then to estimate its performance and its power consumption. Our methodology is based on efficient models, easy to characterize using only information provided by constructor datasheets. Moreover, our approach is able to automatically generate an executable code of the system that can be simulated on the host machine. This simulation allows a rapid execution of multiple test cases. Our approach is therefore well adapted for performing architecture exploration. A lot of experimentations have been performed using our tool FORECAST for different applications (H.264 video decoder, radio application, benchmarks. . .) and different hardware platforms. Results obtained both in performance and in power consumption have then been compared with existing platforms (OMAP3, OMAP4, i.MX6, QorIQ. . .), but also with two collaborative projects, OpenPeple (ANR) and COMCAS (Catrene), dealing also with performance and power estimations. The comparison demonstrates the accuracy of our approach as the estimation is always below a 20% error margin. These experimentations have also shown that our methodology provides a very efficient ratio between the modeling effort and the accuracy of the estimations.; La multiplication des plate-formes embarquées disponibles sur le marché rend de plus en plus complexe le choix d’une plate-forme pour un produit. L’arrivée des architectures multi-processeurs augmente encore plus ce phénomène. Dans le contexte industriel actuel, il est nécessaire de disposer d’une méthodologie et des outils associés permettant d’évaluer rapidement ces plate-formes et celles qui apparaitront dans le futur sur le marché afin de faire des premiers choix tôt dans le cycle de conception des produits. Précédemment, il était nécessaire d’attendre l’arrivée sur le marché des plate-formes de test afin d’exécuter sur ces plate-formes des benchmarks et des applications afin d’évaluer leur performance et leur consommation. Nous proposons ici une méthodologie et les outils associés permettant de modéliser un système (logiciel et matériel) puis d’estimer ses performances et sa consommation d’énergie. Notre méthodologie s’appuie sur des modèles simples à mettre en œuvre utilisant uniquement des informations présentes dans les documents techniques des constructeurs. Autre avantage de notre approche, la simulation réalisée s’appuie sur du code exécutable généré automatiquement afin de s’exécuter en natif sur un ordinateur. Cela permet une exécution rapide des scénarios de test et offre la possibilité de faire de l’exploration d’architectures. Nous avons procédé à diverses validations en utilisant des applications variées (décodeur H.264, application radio, benchmarks classiques, ...) et en comparant les performances et la consommation estimée avec l’équivalent sur des plate-formes réelles (OMAP3/4, i.MX6, QorIQ, ...). Cela a permis d’évaluer l’erreur d’estimation de FORECAST (l’outil développé lors de cette thèse) et ainsi de s’assurer que le taux d’erreur reste dans des bornes admissibles c’est-à-dire inferieures à 20%. Nous avons d’un autre côté comparé notre approche avec celles développées dans deux autres projets OpenPEOPLE (ANR) et COMCAS (Catrene) afin de s’assurer que le rapport effort/précision de notre approche est intéressant.

Most magnetic resonance imaging (MRI) system manufacturers propose a huge set of software applications to post-process the reconstructed MRI data a posteriori, but few of them can run in real-time during the ongoing scan. To our knowledge, apart from solutions dedicated to functional MRI allowing relatively simple experiments or for interventional MRI to perform anatomical scans during surgery, no tool has been developed in the field of diffusion-weighted MRI (dMRI). However, because dMRI scans are extremely sensitive to lots of hardware or subject-based perturbations inducing corrupted data, it can be interesting to investigate the possibility of processing dMRI data directly during the ongoing scan and this thesis is dedicated to this challenging topic. The major contribution of this thesis aimed at providing solutions to denoise dMRI data in real-time. Indeed, the diffusion-weighted signal may be corrupted by a significant level of noise which is not Gaussian anymore, but Rician or noncentral chi. After making a detailed review of the literature, we extended the linear minimum mean square error (LMMSE) estimator and adapted it to our real-time framework with a Kalman filter. We compared its efficiency to the standard Gaussian filtering, difficult to implement, as it requires a modification of the reconstruction pipeline to insert the filter immediately after the demodulation of the acquired signal in the Fourier space. We also developed a parallel Kalman filter to deal with any noise distribution and we showed that its efficiency was quite comparable to the non parallel Kalman filter approach. Last, we addressed the feasibility of performing tractography in real-time in order to infer the structural connectivity online. We hope that this set of methodological developments will help improving and accelerating a diagnosis in case of emergency to check the integrity of white matter fiber bundles., La plupart des constructeurs de systèmes d'imagerie par résonance magnétique (IRM) proposent un large choix d'applications de post-traitement sur les données IRM reconstruites a posteriori, mais très peu de ces applications peuvent être exécutées en temps réel pendant l'examen. Mises à part certaines solutions dédiées à l'IRM fonctionnelle permettant des expériences relativement simples ainsi que d'autres solutions pour l'IRM interventionnelle produisant des scans anatomiques pendant un acte de chirurgie, aucun outil n'a été développé pour l'IRM pondérée en diffusion (IRMd). Cependant, comme les examens d'IRMd sont extrêmement sensibles à des perturbations du système hardware ou à des perturbations provoquées par le sujet et qui induisent des données corrompues, il peut être intéressant d'investiguer la possibilité de reconstruire les données d'IRMd directement lors de l'examen. Cette thèse est dédiée à ce projet innovant. La contribution majeure de cette thèse a consisté en des solutions de débruitage des données d'IRMd en temps réel. En effet, le signal pondéré en diffusion peut être corrompu par un niveau élevé de bruit qui n'est plus gaussien, mais ricien ou chi non centré. Après avoir réalisé un état de l'art détaillé de la littérature sur le bruit en IRM, nous avons étendu l'estimateur linéaire qui minimise l'erreur quadratique moyenne (LMMSE) et nous l'avons adapté à notre cadre de temps réel réalisé avec un filtre de Kalman. Nous avons comparé les performances de cette solution à celles d'un filtrage gaussien standard, difficile à implémenter car il nécessite une modification de la chaîne de reconstruction pour y être inséré immédiatement après la démodulation du signal acquis dans l'espace de Fourier. Nous avons aussi développé un filtre de Kalman parallèle qui permet d'appréhender toute distribution de bruit et nous avons montré que ses performances étaient comparables à celles de notre méthode précédente utilisant un filtre de Kalman non parallèle. Enfin, nous avons investigué la faisabilité de réaliser une tractographie en temps-réel pour déterminer la connectivité structurelle en direct, pendant l'examen. Nous espérons que ce panel de développements méthodologiques permettra d'améliorer et d'accélérer le diagnostic en cas d'urgence pour vérifier l'état des faisceaux de fibres de la substance blanche.

Most magnetic resonance imaging (MRI) system manufacturers propose a huge set of software applications to post-process the reconstructed MRI data a posteriori, but few of them can run in real-time during the ongoing scan. To our knowledge, apart from solutions dedicated to functional MRI allowing relatively simple experiments or for interventional MRI to perform anatomical scans during surgery, no tool has been developed in the field of diffusion-weighted MRI (dMRI). However, because dMRI scans are extremely sensitive to lots of hardware or subject-based perturbations inducing corrupted data, it can be interesting to investigate the possibility of processing dMRI data directly during the ongoing scan and this thesis is dedicated to this challenging topic. The major contribution of this thesis aimed at providing solutions to denoise dMRI data in real-time. Indeed, the diffusion-weighted signal may be corrupted by a significant level of noise which is not Gaussian anymore, but Rician or noncentral chi. After making a detailed review of the literature, we extended the linear minimum mean square error (LMMSE) estimator and adapted it to our real-time framework with a Kalman filter. We compared its efficiency to the standard Gaussian filtering, difficult to implement, as it requires a modification of the reconstruction pipeline to insert the filter immediately after the demodulation of the acquired signal in the Fourier space. We also developed a parallel Kalman filter to deal with any noise distribution and we showed that its efficiency was quite comparable to the non parallel Kalman filter approach. Last, we addressed the feasibility of performing tractography in real-time in order to infer the structural connectivity online. We hope that this set of methodological developments will help improving and accelerating a diagnosis in case of emergency to check the integrity of white matter fiber bundles., La plupart des constructeurs de systèmes d'imagerie par résonance magnétique (IRM) proposent un large choix d'applications de post-traitement sur les données IRM reconstruites a posteriori, mais très peu de ces applications peuvent être exécutées en temps réel pendant l'examen. Mises à part certaines solutions dédiées à l'IRM fonctionnelle permettant des expériences relativement simples ainsi que d'autres solutions pour l'IRM interventionnelle produisant des scans anatomiques pendant un acte de chirurgie, aucun outil n'a été développé pour l'IRM pondérée en diffusion (IRMd). Cependant, comme les examens d'IRMd sont extrêmement sensibles à des perturbations du système hardware ou à des perturbations provoquées par le sujet et qui induisent des données corrompues, il peut être intéressant d'investiguer la possibilité de reconstruire les données d'IRMd directement lors de l'examen. Cette thèse est dédiée à ce projet innovant. La contribution majeure de cette thèse a consisté en des solutions de débruitage des données d'IRMd en temps réel. En effet, le signal pondéré en diffusion peut être corrompu par un niveau élevé de bruit qui n'est plus gaussien, mais ricien ou chi non centré. Après avoir réalisé un état de l'art détaillé de la littérature sur le bruit en IRM, nous avons étendu l'estimateur linéaire qui minimise l'erreur quadratique moyenne (LMMSE) et nous l'avons adapté à notre cadre de temps réel réalisé avec un filtre de Kalman. Nous avons comparé les performances de cette solution à celles d'un filtrage gaussien standard, difficile à implémenter car il nécessite une modification de la chaîne de reconstruction pour y être inséré immédiatement après la démodulation du signal acquis dans l'espace de Fourier. Nous avons aussi développé un filtre de Kalman parallèle qui permet d'appréhender toute distribution de bruit et nous avons montré que ses performances étaient comparables à celles de notre méthode précédente utilisant un filtre de Kalman non parallèle. Enfin, nous avons investigué la faisabilité de réaliser une tractographie en temps-réel pour déterminer la connectivité structurelle en direct, pendant l'examen. Nous espérons que ce panel de développements méthodologiques permettra d'améliorer et d'accélérer le diagnostic en cas d'urgence pour vérifier l'état des faisceaux de fibres de la substance blanche.

This dissertation presents a vision-based localization system for a mobile robot in an urban context. In this goal, the robot is first manually driven to record a learning image sequence. These images are then processed in an off-line way to build a 3D map of the area. Then vehicle can be —either automatically or manually— driven in the area and images seen by the camera are used to compute the position in the map. In contrast to previous works, the trajectory can be different from the learning sequence. The algorithm is indeed able to keep localization in spite of important viewpoint changes from the learning images. To do that, the features are modeled as locally planar features —named patches— whose orientation is known. While the vehicle is moving, its position is predicted and patches are warped to model the viewpoint change. In this way, matching the patches with points in the image is eased because their appearances are almost the same. After the matching, 3D positions of the patches associated with 2D points on the image are used to compute robot position. The warp of the patch is computationally expensive. To achieve real-time performance, the algorithm has been implemented on GPU architecture and many improvements have been done using tools provided by the GPU. In order to have a pose prediction as precise as possible, a motion model of the robot has been developed. This model uses, in addition to the vision-based localization, information acquired from odometric sensors. Experiments using this prediction model show that the system is more robust especially in case of image loss. Finally many experiments in real situations are described in the end of this dissertation. A differential GPS is used to evaluate the localization result of the algorithm., Ce mémoire présente un système de localisation par vision pour un robot mobile circulant dans un milieu urbain. Pour cela, une première phase d’apprentissage où le robot est conduit manuellement est réalisée pour enregistrer une séquence vidéo. Les images ainsi acquises sont ensuite utilisées dans une phase hors ligne pour construire une carte 3D de l’environnement. Par la suite, le véhicule peut se déplacer dans la zone, de manière autonome ou non, et l’image reçue par la caméra permet de le positionner dans la carte. Contrairement aux travaux précédents, la trajectoire suivie peut être différente de la trajectoire d’apprentissage. L’algorithme développé permet en effet de conserver la localisation malgré des changements de point de vue importants par rapport aux images acquises initialement. Le principe consiste à modéliser les points de repère sous forme de facettes localement planes, surnommées patchs plan, dont l’orientation est connue. Lorsque le véhicule se déplace, une prédiction de la position courante est réalisée et la déformation des facettes induite par le changement de point de vue est reproduite. De cette façon la recherche des amers revient à comparer des images pratiquement identiques, facilitant ainsi leur appariement. Lorsque les positions sur l’image de plusieurs amers sont connues, la connaissance de leur position 3D permet de déduire la position du robot. La transformation de ces patchs plan est complexe et demande un temps de calcul important, incompatible avec une utilisation temps-réel. Pour améliorer les performances de l’algorithme, la localisation a été implémentée sur une architecture GPU offrant de nombreux outils permettant d’utiliser cet algorithme avec des performances utilisables en temps-réel. Afin de prédire la position du robot de manière aussi précise que possible, un modèle de mouvement du robot a été mis en place. Il utilise, en plus de la caméra, les informations provenant des capteurs odométriques. Cela permet d’améliorer la prédiction et les expérimentations montrent que cela fournit une plus grande robustesse en cas de pertes d’images lors du traitement. Pour finir ce mémoire détaille les différentes performances de ce système à travers plusieurs expérimentations en conditions réelles. La précision de la position a été mesurée en comparant la localisation avec une référence enregistrée par un GPS différentiel.

Software failures in hard real-time systems may have hazardous effects (industrial disasters, human lives endangering). The verification of timing constraints in a hard real-time system depends on the knowledge of the worst-case execution times (WCET) of the tasks accounting for the embedded program. Using multicore processors is a mean to improve embedded systems performances. However, determining worst-case execution times estimates on these architectures is made difficult by the sharing of some resources among cores, especially the interconnection bus that enables accesses to the shared memory. This document proposes a two-level arbitration scheme that makes it possible to improve executed tasks performances while complying with timing constraints. Described methods assess an optimal bus access priority level to each of the tasks. They also allow to find an optimal allocation of tasks to cores when tasks to execute are more numerous than available cores. Experimental results show a meaningful drop in worst-case execution times estimates and processor utilization.; Les défaillances des applications embarquées dans les systèmes temps-réel strict peuvent avoir des conséquences graves (catastrophes industrielles, mise en danger de vies humaines). La vérification des contraintes temporelles d'un système temps-réel strict dépend de la connaissance du temps d'exécution pire-cas des tâches constituant l'application embarquée. L'utilisation de processeurs multi-cœurs est l'un des moyens actuellement mis en œuvre afin d'améliorer le niveau de performances des systèmes embarqués. Cependant, la détermination du temps d'exécution pire-cas d'une tâche sur ce type d'architecture est rendue difficile par le partage de certaines ressources par les cœurs, et notamment le bus d'interconnexion permettant l'accès à la mémoire centrale. Ce document propose un nouveau mécanisme d'arbitrage de bus à deux niveaux permettant d'améliorer les performances des ensembles de tâches exécutés tout en garantissant le respect des contraintes temporelles. Les méthodes décrites permettent d'établir un niveau de priorité d'accès au bus optimal pour chacune des tâches exécutées. Elles permettent également de trouver une allocation optimale des tâches aux cœurs lorsqu'il y a plus de tâches à exécuter que de cœurs disponibles. Les résultats expérimentaux montrent une diminution significative des estimations de temps d'exécution pire-cas et de l'utilisation du processeur.

In this thesis we study the error-related potential (ErrP) and its possible integration in BCIs (Brain Computer Interfaces). The error-related potential is an evoked potential generated by brain electrical activity when observing an error. Its single-trial detection would allow the integration of control loops in BCIs. However its signal to noise ratio (SNR) is very low making its single-trial detection difficult. In the first part of this thesis we study the different characteristics (temporal, frequential…) of the ErrP. Then from these observations we develop specific filtering methods in order to improve the ErrP SNR and thus improve its single trial detection. In the last part of the thesis we study several integration strategies and conclude on what kind of improvement might be reached by using these strategies in actual BCI systems., Dans cette thèse nous proposons d'étudier le potentiel d'erreur et sa possible intégration dans les ICMs (Interfaces cerveau machine). Le potentiel d'erreur (ErrP) est un potentiel généré par le cerveau lors de l'observation d'une erreur. Sa détection essai par essai pourrait permettre la mise en place d'une boucle de contrôle dans les ICMs. Cependant son RSB étant très faible cette détection est difficile. Ici nous proposons une étude complète de ce système. Dans un premier temps nous étudions de manière détaillée ses différentes caractéristiques (temporelles, fréquentielles..). A partir de ces observations nous proposons des méthodes de filtrage adaptées permettant d'augmenter le RSB de l'ErrP et ainsi d'améliorer les performances de détection essai par essai. Enfin nous étudions quelles stratégies d'intégration peuvent etre envisagées et quelles améliorations ces différentes stratégies peuvent apporter aux systèmes ICMs.

Les systèmes temps-réel embarqués critiques intègrent un nombre croissant de fonctionnalités comme le montrent les domaines de l'automobile ou de l'aéronautique. Ces systèmes doivent offrir un niveau maximal de sûreté de fonctionnement en disposant des mécanismes pour traiter les défaillances éventuelles et doivent être également performants, avec le respect de contraintes temps-réel strictes. Ces systèmes sont en outre contraints par leur nature embarquée : les ressources sont limitées, tels que par exemple leur espace mémoire et leur capacité de calcul. Dans cette thèse, nous traitons deux problématiques principales de ce type de systèmes. La première porte sur la manière d'apporter une meilleure tolérance aux fautes dans les systèmes temps-réel distribués subissant des défaillances matérielles multiples et permanentes. Ces systèmes sont souvent conçus avec une allocation statique des tâches. Une approche plus flexible effectuant des reconfigurations est utile si elle permet d'optimiser l'allocation à chaque défaillance rencontrée, pour les ressources restantes. Nous proposons une telle approche hors-ligne assurant un dimensionnement adapté pour prendre en compte les ressources nécessaires à l'exécution de ces actions. Ces reconfigurations peuvent demander une réallocation des tâches ou répliques si l'espace mémoire local est limité. Dans un contexte temps-réel strict, nous définissons notamment des mécanismes et des techniques de migration garantissant l'ordonnançabilité globale du système. La deuxième problématique se focalise sur l'optimisation de l'exécution des tâches au niveau local dans un contexte multicoeurs préemptif. Nous proposons une méthode d'ordonnancement optimal disposant d'une meilleure extensibilité que les approches existantes en minimisant les surcoûts : le nombre de changements de contexte préemptions et migrations locales) et la complexité de l'ordonnanceur.

SpaceWire est un standard de réseau embarqué promu par l'Agence Spatiale Européenne qui envisage de l'utiliser comme réseau bord unique dans ses futures satellites. SpaceWire utilise un mécanisme de routage Wormhole pour réduire la consommation mémoire des routeurs et les coûts associés. Cependant, le routage Wormhole peut engendrer des blocages en cascade dans les routeurs et, par conséquent, d'importantes variations des délais de livraison des paquets.Comme le réseau doit être partagé par des flux critiques et non-critiques, les concepteurs réseau ont besoin d'un outil leur permettant de vérifier le respect des contraintes temporelles des messages critiques. Pour réaliser cet outil, nous avons choisi comme métrique une borne supérieure sur le délai pire-cas de bout en bout d'un paquet traversant un réseau SpaceWire. Au cours de la thèse, nous avons proposé trois méthodes permettant de calculer cette borne. Les trois méthodes utilisent des hypothèses différentes et ont chacune des avantages et des inconvénients. D'une part, les deux premières méthodes sont très générales et ne nécessitent pas d'hypothèses restrictives sur le trafic en entrée du réseau. D'autre part, la troisième méthode nécessite des hypothèses plus précises sur le trafic en entrée. Elle est donc moins générale mais donne la plupart du temps des bornes plus serrées que les deux autres méthodes. Dans cette thèse, nous avons appliqué ces différentes méthodes à une architecture de référence fournie par Thales Alenia Space afin d'en comparer les résultats. Nous avons également appliqué ces méthodes à des exemples plus simples afin de déterminer l'influence de différents paramètres sur les bornes fournies par nos méthodes. The SpaceWire network standard is promoted by the ESA and is scheduled to be used as the sole onboard network for future satellites. SpaceWire uses a wormhole routing mechanism to reduce memory consumption and the associated costs. However, wormhole routing can lead to packet blocking in routers which creates large variations in end-to-end delays. As the network will be shared by real-time and non real-time traffic, network designers require a tool to check that temporal constraints are verified for all the critical messages. The metric we chose for this tool is an upper-bound on the worst-case end-to-end delay of a packet traversing a SpaceWire network. This metric is simpler to compute than the exact delay of each packet and provide enough guarantee to the network designers. During the thesis, we designed three methods to compute this upper-bound. The three methods use different assumptions and have different advantages and drawbacks. On the one hand, the first two methods are very general and do not require strong assumptions on the input traffic. On the other hand, the third method requires more specific assumptions on the input traffic. Thus, it is less general but usually gives tighter bounds than the two other methods. In the thesis, we apply those methods to a case study provided by Thales Alenia Space and compare the results. We also compare the three methods on several smaller networks to study the impact of various parameters on their results.

A real-time control-command embedded system is subject to strong constraints such as determinism, logical and temporal correctness. We assume that the specifications are expressed using the formal software architecture description language Prelude, dedicated to real-time multiperiodic applications. The goal of this thesis is, given a Prelude program or dependent real-time taskset, to generate a multithreaded executable code over a multicore architecture while respecting the original semantic. To do so we have developed a toolbox, SchedMcore, that allows: 1- the formal verification of schedulability. The verification is based on the exhaustive exploration of the behaviour with a discret time frame. It is possible to analyse on-line policies (FP, gEDF, gLLF et LLREF), as well as to compute a fixed valid priority assignment and a valid off-line sequence. 2- the multithreaded execution over a multicore target. The framework encodes the same policies as those studied in the first part (the four on-line policies and the generated sequences). The framework provides three usage modes, from temporal simulation to time accurate execution. The executive is compatible with Posix and easily portable on several OS., Les logiciels embarqués critiques de contrôle-commande sont soumis à des contraintes fortes englobant le déterminisme, la correction logique et la correction temporelle. Nous supposons que les spécifications sont exprimées à l'aide du langage formel de description d'architectures logicielles temps réel multipériodiques Prelude. L'objectif de cette thèse est, à partir d'un programme Prelude ou d'un ensemble de tâches temps réel dépendantes, de générer un code multithreadé exécutable sur une architecture multicoeur tout en respectant la sémantique initiale. Pour cela, nous avons développé une boîte à outil, SchedMcore, permettant: 1- d'une part, la vérification formelle de l'ordonnançabilité. La vérification proposée est basée sur le parcours exhaustif du comportement avec pas de temps discret. Il est alors possible d'analyser des politiques en-ligne (FP, gEDF, gLLF et LLREF) mais également de calculer une affectation de priorité fixe valide et une séquence valide hors-ligne. 2- d'autre part, l'exécution multithreadée sur une cible multicoeur. L'exécutif encode les politiques proposées étudiées dans la partie d'analyse d'ordonnançabilité, à savoir les quatre politiques en-ligne ainsi que les séquences valides générées. L'exécutif permet 3 modes d'utilisation, allant de la simulation temporelle à l'exécution temps précis des comportements des tâches. Il est compatible Posix et facilement portable sur divers OS.

As technology evolves reconfigurable computing systems become more and more popular. This is because they offer flexibility and high performance. This Master Thesis has its main subject reconfigurable computing systems. In this document it is explained how a reconfigurable computing system is created. The reconfigurable computing system described in this document contains a processor on which a real time operating system is placed and an FPGA chip on which hardware tasks are runned. The operating system is the uC/OS-II operating system and it is modified to encompass a service that makes available for the operating system the dynamic partial reconfiguration technique.This technique is used on the FPGA chip and it makes possible the dynamical swapping of the hardware tasks than run on the FPGA.

International audience; This paper deals with the real time simulation of a class A single ended guitar power amplifier. Power tubes and triode models are compared, based on Norman Koren's work. Beam tetrodes and pentodes characteristics are discussed, and displayed as Norman Koren's model parameters. A simple output transformer model is considered, with its parameters calculated from datasheets specifications. Then, the circuit is modeled by a nonlinear differential algebraic system, with extended state-space representations. Standard numerical schemes yield efficient and stable simulations of the stage, and are implemented as VST plug-ins.

The Architecture Analysis & Design Language (AADL) is the subject of increasing interest in the industry of real-time embedded systems. It defines several categories of components, grouped into three major categories (software, hardware, systems). The work realized in this thesis exploits the features offered by AADL to specify the exact requirements of an application and to express all the features both functional and nonfunctional (temporal and spatial dimensions) required to produce automatically the application. The production methodology that we propose generates automatically from an application described in AADL, an application described in BIP. BIP allows to implement robust and safe systems by producing a correct execution controller design and providing a formal model. The objectives of this production process are : (1) provide to AADL a formal semantics defined in terms of labeled transition systems ; (2) allow analysis and validation, i.e. exhaustive exploration of the state space of the system, the detection of potential deadlocks and verification of certain properties ; (3) allow the generation of an executable application to simulate and debug the AADL models. These last three step play a cental rule for the use of formal methods in the development cycle., Le langage d'analyse et de description d'architectures (AADL) fait l'objet d'un intérêt croissant dans l'industrie des systèmes embarqués tempsréel. Il définit plusieurs catégories de composants, réparties en trois grandes familles (logiciel, matériel, système). Le travail réalisé durant cette thèse exploite les fonctionnalités offertes par AADL pour spécifier les besoins exacts d'une application et exprimer toutes les caractéristiques tant fonctionnelles que non fonctionnelles dimensions temporelle et spatiale), afin de la produire automatiquement. La méthodologie de production que nous proposons génère automatiquement, à partir d'une application décrite en AADL, une application décrite en BIP. BIP permet de mettre en place des systèmes robustes et sûrs en produisant un contrôleur d'exécution correct par construction et en fournissant un modèle formel. Les objectifs de ce processus de production sont : (1) fournir à AADL une sémantique formelle définie en termes de systèmes de transitions étiquetés ; (2) permettre l'analyse et la validation, c'est à dire, l'exploration exhaustive de l'espace des états du système, la détection des blocages potentiels et la vérification de certaines propriétés ; (3) permettre la génération d'une application exécutable pour simuler et déboguer les modèles AADL. Ces trois derniers points jouent en faveur de l'utilisation de méthodes formelles dans le cycle de développement.

This thesis has been realized in the group GRAVIR (4) of the LASMEA (5) with the team Com-See (6), which works on computer vision. My research was involved in a projet of the « Agence Nationale pour la Recherche »nammed « Logiciels d’Observation des Vulnérables ». Its goal was to create softwares to detect endangered pedestrians and thus to improve road safety. My thesis aims to detect and to recognize pedestrians in images. These come from a camera embedded into a vehicle, which is driven in urban areas. These specifications involve many constraints. We have to obtain a real-time system for detect pedestrians before a possible collision. Moreover, pedestrians should be very variable (size, clothes, ...), which make the recognition more complicated. As the camera is moving, no information could be taken from the background. In my thesis, we implement several methods of computer vision, all based on a learning stage, which answer to all theses expectations. The problem is solved in two steps. Firstly, a off-line stage allows us to design a method able to recognize pedestrians. We use a learning database. First of all, an image descriptor is used to extract informations of the images.Then, from these informations, a classifior is trained to differentiate pedestrians to others objects. We suggest to use three descriptors (Haar wavelets, histograms of oriented gradients and binary descriptor). For the classification task, we use a Boosting algorithm (AdaBoost) and kernel methods (SVM, RVM, least squares). We define all the parameters, and each method - of description or classification - is then tested and validated. The best association of these methods is also searched. Secondly, we realize an embedded real-time system, which is able to detect pedestrians before a possible collision. We directly use raw images coming from the camera et add a segmentation stage, so as to insert previous description and classification méthods and thus to answer to the initial problem.4. for « Groupe d’Automatique, VIsion et Robotique ».5. for « LAboratoire des Sciences et Matériaux et d’Automatique ».6. for « Computers that See »., Ce mémoire présente les travaux réalisés dans le cadre de ma thèse. Celle-ci a été menée dans le groupe GRAVIR (1) du LASMEA (2) au sein de l’équipe ComSee (3) qui se consacre à la vision par ordinateur. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’un projet de l’Agence Nationale pour la Recherche s’intitulant « Logiciels d’Observation des Vulnérables ». Son but est de concevoir des logiciels détectant des piétons en danger et d’améliorer ainsi la sécurité routière. Ma thèse a pour but de détecter et de reconnaître les piétons dans les images. Celles-ci proviennent d’une caméra embarquée dans un véhicule circulant en milieu urbain. Ce cahier des charges implique de nombreuses contraintes. Il faut notamment obtenir un système fonctionnant en temps réel pour être capable de détecter les piétons avant un éventuel impact. De plus, ces piétons peuvent être sujets à de nombreuses variations (taille, type de vêtements...), ce qui rend la tâche de reconnaissance d’autant plus ardue. La caméra étant mobile, aucune information ne pourra être extraite du fond. Dans ma thèse, nous mettons en oeuvre différentes méthodes de vision par ordinateur, toutes basées apprentissage, qui permettent de répondre à ces attentes. Le problème se traite en deux phases. Dans un premier temps, une étape de traitement hors ligne nous permet de concevoir une méthode valide pour reconnaître des piétons. Nous faisons appel à une base d’apprentissage. Tout d’abord, un descripteur d’images est employé pour extraire des informations des images.Puis, à partir de ces informations, un classifieur est entraîné à différencier les piétons des autres objets. Nous proposons l’utilisation de trois descripteurs (ondelettes de Haar, histogrammes de gradients et descripteur binaire). Pour la classification, nous avons recours à un algorithme de Boosting (AdaBoost) et à des méthodes à noyaux (SVM, RVM, moindres carrés). Chaque méthode a été paramétrée, testée et validée, tant au niveau description d’images que classification.La meilleure association de toutes ces méthodes est également recherchée. Dans un second temps, nous développons un système embarqué temps réel, qui soit capable de détecter les piétons avant une éventuelle collision. Nous exploitons directement des images brutes en provenance de la caméra et ajoutons un module pour segmenter l’image, afin de pouvoir intégrer les méthodes de description et classification précédentes et ainsi répondre à la problématique initiale.1. acronyme de « Groupe d’Automatique, VIsion et Robotique ».2. acronyme de « LAboratoire des Sciences et Matériaux Et d’Automatique ».3. acronyme de « Computers that See ».

Critical application domains of computer science require the use of software engineering methods that ensure that the resulting systems behave according to their intended functionality. In this context, the Event-B method uses an approach based on stepwise refinement, starting with abstract, high-level models of the system under development. The system models corresponding to different levels of abstraction are related by precise and formally proved refinement relations. Our goal is to extend this approach to systems whose requirements include quantitative real-time aspects (properties and temporal constraints). In this way, we benefit from the established qualities of the B method, while extending its scope to real-time aspects that it does not yet cover. More specifically, we propose to introduce time constraints by refinement, respecting the overall approach of the B method, and to systematize our approach by the use of refinement patterns. Different time models are represented by generic patterns that can be reused for the development of concrete systems. In this way we can gradually develop the system from a non-temporal abstraction and progressively validate its correctness, distributing the burden of proof is over several refinement steps. Temporal aspects are introduced step by step and only when necessary. We validated this approach using several real-world case studies, using the software tools for formal proof developed for the Event-B method.; Dans les domaines critiques d'application de l'informatique, il peut être vital de disposer d'un génie logiciel qui soit capable de garantir le bon fonctionnement des systèmes produits. Dans ce contexte, la méthode B évènementielle promeut le développement de modèles abstraits du système à concevoir et l'utilisation de démonstrations formelles ainsi que de la relation de raffinement entre les modèles. Notre but est de pouvoir travailler sur des systèmes ayant des aspects temporels quantitatifs (propriétés et contraintes de temps) en restant au sein du cadre défini par la méthode B qui a déjà montré son efficacité par ailleurs, mais qui ne dispose pas de concepts spécifiques pour le temps. C'est ainsi que nous proposons l'introduction des contraintes de temps par le raffinement, ceci permet de respecter la philosophie de la méthode B et de systématiser cette approche par la formalisation de patrons de raffinement. Nos différentes modélisations du temps sont proposées sous la forme de patron à réappliquer sur le système à étudier. Nous pouvons donc étudier progressivement le système à partir d'une abstraction non-temporelle afin de le valider progressivement et de distribuer la difficulté de la preuve en plusieurs étapes. L'introduction des aspects temporels ne se fait que lorsque cela est nécessaire lors du processus de développement prouvé. Nous avons validé cette approche sur des études de cas réalistes en utilisant les outils logiciels de démonstration formelle de la méthode B.

Critical application domains of computer science require the use of software engineering methods that ensure that the resulting systems behave according to their intended functionality. In this context, the Event-B method uses an approach based on stepwise refinement, starting with abstract, high-level models of the system under development. The system models corresponding to different levels of abstraction are related by precise and formally proved refinement relations. Our goal is to extend this approach to systems whose requirements include quantitative real-time aspects (properties and temporal constraints). In this way, we benefit from the established qualities of the B method, while extending its scope to real-time aspects that it does not yet cover. More specifically, we propose to introduce time constraints by refinement, respecting the overall approach of the B method, and to systematize our approach by the use of refinement patterns. Different time models are represented by generic patterns that can be reused for the development of concrete systems. In this way we can gradually develop the system from a non-temporal abstraction and progressively validate its correctness, distributing the burden of proof is over several refinement steps. Temporal aspects are introduced step by step and only when necessary. We validated this approach using several real-world case studies, using the software tools for formal proof developed for the Event-B method.; Dans les domaines critiques d'application de l'informatique, il peut être vital de disposer d'un génie logiciel qui soit capable de garantir le bon fonctionnement des systèmes produits. Dans ce contexte, la méthode B évènementielle promeut le développement de modèles abstraits du système à concevoir et l'utilisation de démonstrations formelles ainsi que de la relation de raffinement entre les modèles. Notre but est de pouvoir travailler sur des systèmes ayant des aspects temporels quantitatifs (propriétés et contraintes de temps) en restant au sein du cadre défini par la méthode B qui a déjà montré son efficacité par ailleurs, mais qui ne dispose pas de concepts spécifiques pour le temps. C'est ainsi que nous proposons l'introduction des contraintes de temps par le raffinement, ceci permet de respecter la philosophie de la méthode B et de systématiser cette approche par la formalisation de patrons de raffinement. Nos différentes modélisations du temps sont proposées sous la forme de patron à réappliquer sur le système à étudier. Nous pouvons donc étudier progressivement le système à partir d'une abstraction non-temporelle afin de le valider progressivement et de distribuer la difficulté de la preuve en plusieurs étapes. L'introduction des aspects temporels ne se fait que lorsque cela est nécessaire lors du processus de développement prouvé. Nous avons validé cette approche sur des études de cas réalistes en utilisant les outils logiciels de démonstration formelle de la méthode B.

The validation of real-life critical systems raises the challenge of being able to formally model and verify complex data, asynchronous concurrency, and real-time aspects simultaneously. High-level languages, such as those inheriting from the theoretical foundations of process algebras, provide a concise syntax and a high expressive power regarding these aspects. Yet, they lack software tools enabling the application of efficient model checking algorithms. On the other hand, such tools exist for graphical, lower level, models such as timed automata (e.g., Uppaal) and time Petri nets (e.g., Tina). Intermediate models are a key to bridge the gap between languages and graphical models. For instance, NTIF (New Technology Intermediate Format) was proposed to represent untimed sequential processes that handle complex data. In this thesis, we propose a new model named ATLANTIF, which extends NTIF with real-time constructs and parallel compositions of sequential processes. Their synchronization is expressed in a simple and intuitive way using the new notion of synchronizers. We show that ATLANTIF is capable of expressing the main constructs of high-level languages. We also present translators from ATLANTIF to timed automata (for verification using Uppaal) and to time Petri nets (for verification using Tina). Thus, ATLANTIF extends the class of systems that can practically be formally verified, which we illustrate along an example.; La validation des systèmes critiques réalistes nécessite d'être capable de modéliser et de vérifier formellement des données complexes, du parallélisme asynchrone, et du temps-réel simultanément. Des langages de haut-niveau, comme ceux qui héritent des fondations théoriques des algèbres de processus, ont une syntaxe concise et une grande expressivité pour représenter ces aspects. Cependant, ils disposent de peu d'outils logiciels permettant d'appliquer des algorithmes efficaces du model-checking. Néanmoins, de tels outils existent pour des modèles graphiques, de niveau plus bas, tels que les automates temporisés (par exemple Uppaal) et les réseaux de Petri temporisés (par exemple Tina). Les modèles intermédiaires sont un moyen pour combler le fossé qui sépare les langages des modèles graphiques. Par exemple, NTIF (New Technology Intermediate Format) a été proposé pour représenter des processus séquentiels non-temporisés qui manipulent des données complexes. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle nommé ATLANTIF, qui enrichit NTIF de constructions temps-réel et de compositions parallèles de processus séquentiels. Leur synchronisation est exprimée d'une manière simple et intuitive par la nouvelle notion de synchroniseur. Nous montrons qu'ATLANTIF est capable d'exprimer les constructions principales des langages de haut niveau. Nous présentons aussi des traducteurs d'ATLANTIF vers des automates temporisés (pour la vérification avec Uppaal) et vers des réseaux de Petri temporisés (pour la vérification avec Tina). Ainsi, ATLANTIF étend la classe des systèmes qui peuvent en pratique être vérifiés formellement, ce que nous illustrons par un exemple.

International audience; This paper deals with the simulation of a high gain triode stage of a guitar amplifier. Triode models taking into account various "secondary phenomena" are considered and their relevance on the stage is analyzed. More precisely, both static and dynamic models (including parasitic capacitances) are compared. For each case, the stage can be modeled by a nonlinear differential algebraic system. For static triode models, standard explicit numerical schemes yield efficient stable simulations of the stage. However, the effect due to the capacitances in dynamic models is audible (Miller effect) and must be considered. The problem becomes stiff and requires the use of implicit schemes. The results are compared for all the models and corresponding VST plug-ins have been implemented.

Building distributed real-time embedded systems (DRE) is a tedious task. In addition, real-time applications must satisfy hard constraints to ensure they work correctly (meeting deadlines...). The use of architecture description languages aims at reducing the development cost of these applications. AADL (Architecture Analysis & Design Language) belongs to this family of languages. It uses the concept of ``component'' (hardware or software) whose well defined semantics makes possible the description of many aspects of DRE systems. The various constraints that must be met are integrated into the AADL model as properties. This thesis work exploits the features offered by AADL to specify the exact requirements of a DRE application and automatically generate its code. The production process we propose (1) automatically produces the code to integrate the applicative components to the runtime platform, (2) automatically produces a significant part of the middleware components customised for the application and (3) automatically deploys the applicative and middleware components to get a system which is strongly dedicated to the application. In particular, the AADL executive is itself statically configured. The adopted approach reduces the development time and allows for an customised and analyzable code. The configuration and deployment (often separated from the development process) are now automated and integrated into the production chain., La production de systèmes temps-réel répartis embarqués (TR2E) est une opération lourde en temps et en coût de développement. De plus, les applications temps-réel doivent satisfaire des contraintes dures pour assurer leur bon fonctionnement (respect des échéances temporelles...). L'utilisation des langages de description d'architecture vise à réduire le coût de développement de ces applications. AADL (Architecture Analysis & Design Language) fait partie de cette famille de langages. Il propose la notion de ``composant'' (matériel ou logiciel) dont la sémantique bien définie permet de décrire plusieurs aspects d'un système TR2E. Les différentes contraintes qui doivent être satisfaites sont intégrées dans le modèle AADL sous forme de propriétés. Ce travail de thèse exploite les fonctionnalités offertes par AADL pour spécifier les besoins exacts d'une application AADL afin de la produire automatiquement. En effet, le processus de production que nous proposons (1) génère automatiquement le code pour intégrer les composants applicatifs à la plate-forme d'exécution, (2) génère automatiquement une importante partie des composants intergiciels taillés sur mesure pour l'application et (3) déploie automatiquement les composants applicatifs et intergiciels afin d'obtenir un système fortement dédié à l'application. Notamment, la plate-forme d'exécution supportant les composants AADL est elle même configurée statiquement en fonction des propriétés spécifiées. L'approche adoptée réduit le temps de développement et permet d'obtenir un code personnalisé et analysable. La configuration et le déploiement (souvent séparés du processus de développement) sont désormais automatiques et intégrés à la chaîne de production.

A rapidly growing computer graphics community has contributed to dramatic increase in complexity with respect to geometry as well as physical phenomena. Simulating, approximating and visualizing geometry consisting of tens of millions of polygons simultaneously tested for collision or visibility is becoming increasingly common. Further, recent technological innovations from graphics card vendors have given impetus to achieving these results at very high frame rates. Despite tremendous developments in graphics hardware, capturing the complete surrounding environment poses a significant challenge. Given the added time constraint for real-time or interactive rates, simplified representations and suitable approximations of physical effects are of key importance.This dissertation focuses on simplified representations and computations to achieve real-time performance for complex tasks and concentrates on a variety of topics including simplification, visibility, soft shadows and voxelization., Le domaine de l'informatique graphique a reçu un formidable essor. L'incrément de la complexité de la géométrie et des phénomènes physiques traités est impressionnant. Simuler, approximer et visualiser une scène de plusieurs dizaines de millions de polygones, de surcroit simultanément testés pour déterminer collisions et visibilité, devient très commode nos jours. Les innovations récentes des fabricants des cartes graphiques nous motivent pour obtenir des résultats convaincants en temps interactif ou même temps-réel. Pourtant, même avec l'avancé de la technologie, la capture et simulation complète d'un environnement reste un défi énorme. Etant donnée la contrainte temporelle, des représentations simplifiées ainsi que des approximations adaptées des effets physiques sont d'une importance majeure.Cette dissertation se concentre sur les représentations alternatives et des calculs adaptés pour arriver à une haute performance pour des tâches complexes qui apparaissent fréquemment en informatique graphique. Citons par exemple: la simplification de modèles, la visibilité, les ombres douces, ou encore la voxelisation.

Optical interferometry allows to reach the resolution of a large instrument by coupling several sub-apertures of lower diameter. However, this method requires a very accurate control of the optical paths, especially the differential aberrations between the apertures (so-called cophasing operation). In this context, focal-plane sensing appears to be an advantageous solution with a very simple opto-mechanical setup. The phase retrieval and the phase diversity techniques (based respectively on the acquisition of one or at least two images aberrated with a known phase) are now commonly used with monolithic instruments; their applicability to the cophasing of phased-array systems have also been demonstrated in laboratory. However, these estimators are iterative and consequently potentially time-consuming. In this manuscript, we propose new algorithms which are well-suited for real-time cophasing on extended objects. We demonstrate that a quadratic criterion can be derived, which allows to express the solution under a simple analytical form. We also show that the expression of this new criterion can be obtained in the case of small phase perturbations considering a linear expression of the optical transfer function. The performance we obtained on simulated data demonstrates the possibility of using the analytic algorithms in a closed-loop system at low fluxes and restoring the observed object as well. Experimental validations of both iterative and analytic estimators for various projects confirm that the focal plane approach now can be used for the cophasing of complex phased-array systems.; La Synthèse d'Ouverture Optique permet d'obtenir la résolution d'un instrument de grand diamètre en faisant interférer les faisceaux issus de plusieurs sous-pupilles de diamètre inférieur. Néanmoins, la difficulté principale de cette méthode réside dans le cophasage de l'instrument, c'est-à-dire dans la mesure puis la correction des aberrations différentielles présentes entre les pupilles. Dans ce contexte, les techniques de type plan focal présentent un avantage certain. Ainsi, le phase retrieval et la diversité de phase (basés respectivement sur l'acquisition d'une ou d'au moins deux images dans des conditions de phase différentes) sont aujourd'hui couramment employés avec des instruments monolithiques; leur applicabilité au cophasage de systèmes multipupilles a également été démontrée en laboratoire. Toutefois, ces estimateurs présentent l'inconvénient d'être itératifs donc potentiellement coûteux en temps de calcul. Nous nous proposons dans ce manuscrit de développer de nouveaux estimateurs de cophasage qui soient analytiques, permettant ainsi une estimation en temps-réel des aberrations sur objet étendu. Pour cela, nous démontrons qu'en exprimant le critère à minimiser sous forme quadratique nous aboutissons à une estimée simple de la phase recherchée. Nous montrons également que nous pouvons parvenir à l'expression de ce nouveau critère en considérant une approximation affine de la fonction de transfert optique. Les performances obtenues en simulation révèlent qu'il est possible de fermer une boucle de cophasage à faible flux et par la même occasion de restaurer l'objet observé dans un but d'imagerie. La mise en oeuvre expérimentale de l'ensemble des algorithmes (itératifs et analytiques) dans le cadre de différents projets permet d'affirmer que l'approche plan focal peut désormais être utilisée pour cophaser des systèmes multipupilles complexes.

Optical interferometry allows to reach the resolution of a large instrument by coupling several sub-apertures of lower diameter. However, this method requires a very accurate control of the optical paths, especially the differential aberrations between the apertures (so-called cophasing operation). In this context, focal-plane sensing appears to be an advantageous solution with a very simple opto-mechanical setup. The phase retrieval and the phase diversity techniques (based respectively on the acquisition of one or at least two images aberrated with a known phase) are now commonly used with monolithic instruments; their applicability to the cophasing of phased-array systems have also been demonstrated in laboratory. However, these estimators are iterative and consequently potentially time-consuming. In this manuscript, we propose new algorithms which are well-suited for real-time cophasing on extended objects. We demonstrate that a quadratic criterion can be derived, which allows to express the solution under a simple analytical form. We also show that the expression of this new criterion can be obtained in the case of small phase perturbations considering a linear expression of the optical transfer function. The performance we obtained on simulated data demonstrates the possibility of using the analytic algorithms in a closed-loop system at low fluxes and restoring the observed object as well. Experimental validations of both iterative and analytic estimators for various projects confirm that the focal plane approach now can be used for the cophasing of complex phased-array systems., La Synthèse d'Ouverture Optique permet d'obtenir la résolution d'un instrument de grand diamètre en faisant interférer les faisceaux issus de plusieurs sous-pupilles de diamètre inférieur. Néanmoins, la difficulté principale de cette méthode réside dans le cophasage de l'instrument, c'est-à-dire dans la mesure puis la correction des aberrations différentielles présentes entre les pupilles. Dans ce contexte, les techniques de type plan focal présentent un avantage certain. Ainsi, le phase retrieval et la diversité de phase (basés respectivement sur l'acquisition d'une ou d'au moins deux images dans des conditions de phase différentes) sont aujourd'hui couramment employés avec des instruments monolithiques; leur applicabilité au cophasage de systèmes multipupilles a également été démontrée en laboratoire. Toutefois, ces estimateurs présentent l'inconvénient d'être itératifs donc potentiellement coûteux en temps de calcul. Nous nous proposons dans ce manuscrit de développer de nouveaux estimateurs de cophasage qui soient analytiques, permettant ainsi une estimation en temps-réel des aberrations sur objet étendu. Pour cela, nous démontrons qu'en exprimant le critère à minimiser sous forme quadratique nous aboutissons à une estimée simple de la phase recherchée. Nous montrons également que nous pouvons parvenir à l'expression de ce nouveau critère en considérant une approximation affine de la fonction de transfert optique. Les performances obtenues en simulation révèlent qu'il est possible de fermer une boucle de cophasage à faible flux et par la même occasion de restaurer l'objet observé dans un but d'imagerie. La mise en oeuvre expérimentale de l'ensemble des algorithmes (itératifs et analytiques) dans le cadre de différents projets permet d'affirmer que l'approche plan focal peut désormais être utilisée pour cophaser des systèmes multipupilles complexes.