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

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

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

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

High performance in real-time is one of today's challenge of embedded Computer Vision. The study of the human vision models inspires several solutions. The bio-inspired method used by the BVS-Tech component caught the attention of the community with its hardware characteristics and its application in different industrial projects. However, the lack of mathematical formalization and simulation of the method does not allow to analyse it on academical databases.This thesis focused on the understanding, the formalization and the reproduction of the method. The mathematical model and the simulator produced allowed to validate the concept on artificial images, to analyse its behaviour and performances in a specific application. The promising results shows, however, the strong influence of several parameters. Two extensions of the method have recently been proposed: the automatic adaptation of the feature inputs and the prediction integration., Il devient difficile aujourd'hui de maintenir une amélioration des performances en vision artificielle tout en gardant une capacité de traitement embarqué temps-réel. L'étude du modèle de vision de l'être humain apporte différentes inspirations pour répondre à ce problème. La méthode utilisée par le composant bio-inspirée de BVS-Tech a attiré l'attention de la communauté par ses caractéristiques matérielles et sa mise en oeuvre dans plusieurs projets industriels. Mais l'absence de formalisme mathématique et de simulation de la méthode ne permet pas une analyse des performances de la méthode sur des bases académique. Cette thèse s'est appliquée à approfondir, formaliser et reproduire le concept du système. La modélisation mathématique et la création d'un simulateur ont permis de valider le concept de la méthode sur un set d'images artificielles et d'analyser son comportement et ses performances dans une application spécifique. Les résultats prometteurs mettent cependant en avant la forte dépendance paramétrique de la méthode. Deux extensions de la méthode ont récemment été proposées : l'adaptation automatique des caractéristiques d'entrée d'une part, et la mise en place d'un suivi de cible.

High performance in real-time is one of today's challenge of embedded Computer Vision. The study of the human vision models inspires several solutions. The bio-inspired method used by the BVS-Tech component caught the attention of the community with its hardware characteristics and its application in different industrial projects. However, the lack of mathematical formalization and simulation of the method does not allow to analyse it on academical databases.This thesis focused on the understanding, the formalization and the reproduction of the method. The mathematical model and the simulator produced allowed to validate the concept on artificial images, to analyse its behaviour and performances in a specific application. The promising results shows, however, the strong influence of several parameters. Two extensions of the method have recently been proposed: the automatic adaptation of the feature inputs and the prediction integration.; Il devient difficile aujourd'hui de maintenir une amélioration des performances en vision artificielle tout en gardant une capacité de traitement embarqué temps-réel. L'étude du modèle de vision de l'être humain apporte différentes inspirations pour répondre à ce problème. La méthode utilisée par le composant bio-inspirée de BVS-Tech a attiré l'attention de la communauté par ses caractéristiques matérielles et sa mise en oeuvre dans plusieurs projets industriels. Mais l'absence de formalisme mathématique et de simulation de la méthode ne permet pas une analyse des performances de la méthode sur des bases académique. Cette thèse s'est appliquée à approfondir, formaliser et reproduire le concept du système. La modélisation mathématique et la création d'un simulateur ont permis de valider le concept de la méthode sur un set d'images artificielles et d'analyser son comportement et ses performances dans une application spécifique. Les résultats prometteurs mettent cependant en avant la forte dépendance paramétrique de la méthode. Deux extensions de la méthode ont récemment été proposées : l'adaptation automatique des caractéristiques d'entrée d'une part, et la mise en place d'un suivi de cible.

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

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

The implementation of hard real-time systems involves a lot of steps that are traditionally manual. The growing complexity of such systems and hardware platforms on which they are executed makes increasingly difficult to ensure the correctness of those steps, in particular for the timing properties of the system on multi-core platform. This leads to the need for automation of the whole implementation process. In this thesis, we provide a method for automatic parallel implementation of real-time systems. The method bridge the gap between real-time systems implementation and compilation by integrating parallelization, scheduling, memory allocation, and code generation around a precise timing model and analysis that rely on strong hypothesis on the execution platform and the form of the generated code. The thesis also provides an implementation model for dataflow multithreaded software. Using the same formal ground as the first contribution, the dataflow synchronous formalisms, the model represents multithreaded implementations in a Lustre-like language extended with mapping annotations. This model allows formal reasoning on the correctness of all the mapping decisions used to build the implementation. We propose an approach toward the proof of correctness of the functionality of the implementation with respect to the functional specifications., L'implémentation de systèmes temps-réel implique de nombreuses étapes qui sont jusqu'aujourd'hui faites manuellement. La complexité de tels systèmes et celle des plateformes matérielles sur lesquelles ils s'exécutent rendent de plus en plus difficile d'assurer la correction de ces étapes de conception (en particulier dans de cadre d'exécutions sur plateformes multi-cœurs). Cela rend l'automatisation de tout le processus d'implémentation inévitable. Cette thèse propose une méthode de parallélisation automatique de systèmes temps-réel. La méthode rapproche les domaines du temps-réel et de la compilation en intégrant les étapes de parallélisation, d'ordonnancement, d'allocation mémoire et de génération de code autour d'une analyse et d'un modèle temporel précis qui s'appuient sur des hypothèses fortes sur la plateforme d'exécution et la forme du code généré. Cette thèse propose également un modèle d'implémentation pour du logiciel flot-de-données multithreadé. En utilisant la même base formelle que précédemment (les formalismes flot-de-données synchrones), un modèle représente une implémentation multithreadé dans un langage comme Lustre, étendu avec des annotations de mapping. Cette modélisation permet un raisonnement formel de toutes les décisions d'implémentation et nous proposons une approche vers la preuve de correction de leur fonctionnalité en rapport à leurs spécifications.

Les travaux menés dans cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre d’un effort plus large d’automatisation des systèmes de simulation industriels. Dans l’industrie aéronautique, et plus particulièrement au sein d’Airbus, l’application historique de la simulation est la formation des pilotes. Il existe aussi des utilisations plus récentes dans la conception de systèmes, ainsi que dans l’intégration de ces systèmes. Ces dernières utilisations exigent un très haut degré de représentativité, là où historiquement le plus important était le ressenti du pilote. Les systèmes sont aujourd’hui divisés en plusieurs sous-systèmes qui sont conçus, implémentés et validés indépendamment, afin de maintenir leur contrôle malgré l’augmentation de leurs complexités et la réduction des temps de mise sur le marché. Airbus maîtrise déjà la simulation de ces sous-systèmes, ainsi que leurs intégrations en simulation. Cette maîtrise est empirique, les spécialistes de la simulation reprennent l’ordonnancement d’intégrations précédentes, et l’adaptent à une nouvelle intégration. C’est un processus qui peut parfois être chronophage, et qui peut introduire des erreurs. Les tendances actuelles de l’industrie sont à la flexibilité des moyens de production, à l’intégration d’outils logistiques permettant le suivi, à l’utilisation d’outils de simulation en production, et à l’optimisation des ressources. Les produits sont de plus en plus souvent des itérations d’anciens produits améliorés, et les tests et simulations intégrés à leurs cycles de vie. Travailler de manière empirique dans une industrie qui nécessite de la flexibilité est une contrainte, et il est aujourd’hui important de facilement modifier des simulations. La problématique est donc de mettre en place des méthodes et outils permettant a priori de générer des ordonnancements de simulations représentatifs. Afin de répondre à ce problème, nous avons mis en place une méthode permettant de décrire les composants d’une simulation, la manière dont cette simulation pourra être exécutée, ainsi que des fonctions permettant de générer des ordonnancements. Par la suite, nous avons implémenté un outil afin d’automatiser la recherche d’ordonnancement, en se basant sur des heuristiques. Enfin nous avons testé et vérifié notre méthode et outils sur des cas d’études académiques et industriels. The work carried out in this Ph.D. thesis is part of a broader effort to automate industrial simulation systems. In the aeronautics industry, and more especially within Airbus, the historical application of simulation is pilot training. There are also more recent uses in the design of systems, as well as in the integration of these systems. These latter applications require a very high degree of representativeness, where historically the most important factor has been the pilot’s feeling. Systems are now divided into several subsystems that are designed, implemented and validated independently, in order to maintain their control despite the increase in their complexity, and the reduction in time-to-market. Airbus already has expertise in the simulation of these subsystems, as well as their integration into a simulation. This expertise is empir- ical; simulation specialists use the previous integrations schedulings and adapt it to a new integration. This is a process that can sometimes be time-consuming and can introduce errors. The current trends in the industry are towards flexible production methods, integration of logistics tools for tracking, use of simulation tools in production, as well as resources optimization. Products are increasingly iterations of older, improved products, and tests and simulations are increasingly integrated into their life cycles. Working empirically in an industry that requires flexibility is a constraint, and nowadays it is essential to facilitate the modification of simulations. The problem is, therefore, to set up methods and tools allowing a priori to generate representative simulation schedules. In order to solve this problem, we have developed a method to describe the elements of a simulation, as well as how this simulation can be executed, and functions to generate schedules. Subsequently, we implemented a tool to automate the scheduling search, based on heuristics. Finally, we tested and verified our method and tools in academic and industrial case studies.

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

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

La planification d’itin´eraire est devenue un d´efi majeur avec un impact significatif sur l’´economie, la s´ecurit´e, et le climat. Elle consiste `a fournir `a chaque utilisateur une route pr´esentant le plus faible temps de parcours, mˆeme si les conditions de circulation ´evoluent. Ainsi, une telle strat´egie requiert de reconsid´erer la route `a prendre en continu, les conditions ´evoluant. Cependant, prendre en compte ces donn´ees temps-r´eel pr´esente un impact ´elev´e sur les ressourcesen calcul n´ecessaires. Nous quantifions donc ici le gain apport´e par des donn´ees temps-r´eel. Nous comparons les routes obtenues `a l’aide de donn´ees statistiques, versus temps-r´eel. Nous fournissons ´egalement une borne inf ´erieure du temps de trajet, avec un algorithme qui serait capable de pr´edire parfaitement le futur. Nos r´esultats qui s’appuient sur un jeude donn´ees r´eelles montrent de fac¸on surprenante que le temps-r´eel est en r´ealit´e peu utile

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

The goal of this thesis is to add to the efforts toward the long-sought objective of secure and safe robots with predictable and a priori known behavior. For the reasons given above, formal methods are used to model and verify crucial properties, with a focus on the functional level of robotic systems. The approach relies on automatic generation of formal models targeting several frameworks. For this, we give operational semantics to a robotic framework, then several mathematically proven translations are derived from such semantics. These translations are then automatized so any robotic functional layer specification can be translated automatically and promptly to various frameworks/languages. Thus, we provide a mathematically correct mapping from functional components to verifiable models. The obtained models are used to formulate and verify crucial properties (see examples above) on real-world complex robotic and autonomous systems. This thesis provides also a valuable feedback on the applicability of formal frameworks on real-world, complex systems and experience-based guidelines on the efficient use of formal-model automatic generators. In this context, efficiency relates to, for instance, how to use the different model checking tools optimally depending on the properties to verify, what to do when the models do not scale with model checking (e.g. the advantages and drawbacks of statistical model checking and runtime verification and when to use the former or the latter depending on the type of properties and the order of magnitude of timing constraints).; Les systèmes robotiques et autonomes ne cessent d’évoluer et deviennent de plus en plus impliqués dans les missions à coût considérable et/ou dans les milieux humains. Par conséquent, les simulations et campagnes de tests ne sont plus adaptées à la problématique de sûreté et fiabilité des systèmes robotiques et autonomes compte tenu (i) du caractère sérieux des défaillances éventuelles dans les contextes susmentionnés (un dommage à un robot très coûteux ou plus dramatiquement une atteinte aux vies humaines) et (ii) de la nature non exhaustive de ces techniques (les tests et simulations peuvent toujours passer à côté d’un scénario d’exécution catastrophique.Les méthodes formelles, quant à elles, peinent à s’imposer dans le domaine de la robotique autonome, notamment au niveau fonctionnel des robots, i.e. les composants logiciels interagissant directement avec les capteurs et les actionneurs. Elle est due à plusieurs facteurs. D’abord, les composants fonctionnels reflètent un degré de complexité conséquent, ce qui mène souvent à une explosion combinatoire de l’espace d’états atteignables (comme l’exploration se veut exhaustive). En outre, les composants fonctionnels sont décrits à travers des languages et frameworks informels (ROS, GenoM, etc.). Leurs spécifications doivent alors être traduites en des modèles formels avant de pouvoir y appliquer les méthodes formelles associées. Ceci est souvent pénible, lent, exposé à des erreurs, et non automatique, ce qui implique un investissement dans le temps aux limites de la rentabilité. Nous proposons, dans cette thèse, de connecter GenoM3, un framework de développement et déploiement de composants fonctionnels robotiques, à des langages formels et leurs outils de vérification respectifs. Cette connexion se veut automatique: nous développons des templates en mesure de traduire n’importe quelle spécification de GenoM3 en langages formels. Ceci passe par une formalisation de GenoM3: une sémantique formelle opérationnelle est donnée au langage. Une traduction à partir de cette sémantique est réalisée vers des langages formels et prouvée correcte par bisimulation. Nous comparons de différents langages cibles, formalismes et techniques et tirerons les conclusions de cette comparaison. La modélisation se veut aussi, et surtout, efficace. Un modèle correct n’est pas forcément utile. En effet, le passage à l’échelle est particulièrement important.Cette thèse porte donc sur l'applicabilité des méthodes formelles aux compo-sants fonctionnels des systèmes robotiques et autonomes. Le but est d'aller vers des robots autonomes plus sûrs avec un comportement plus connu et prévisible. Cela passe par la mise en place d'un mécanisme de génération automatique de modèles formels à partir de modules fonctionnels de sys-tèmes robotiques et autonomes. Les langages et outils cibles sont Fiacre/TINA et UPPAAL (model checking), UPPAAL-SMC (statistical model checking), BIP/RTD-Finder (SAT solving), et BIP/Engine (enforcement de propriétés en ligne). Les modèles générés sont exploités pour vérifier des propriétés quali-tatives ou temps-réel, souvent critiques pour les systèmes robotiques et auto-nomes considérés. Parmi ces propriétés, on peut citer, à titre d'exemple, l'ordonnançabilité des tâches périodiques, la réactivité des tâches spora-diques, l'absence d’interblocages, la vivacité conditionnée (un évènement tou-jours finit par suivre un autre), la vivacité conditionnée bornée (un évène-ment toujours suit un autre dans un intervalle de temps borné), l'accessibilité (des états “indésirables” ne sont jamais atteints), etc.La thèse propose éga-lement une analyse du feedback expérimental afin de guider les ingénieurs à exploiter ces méthodes et techniques de vérification efficacement sur les mo-dèles automatiquement générés.

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

Exploring and understanding volumetric or surface data is one of the challenges of Computer Graphics. The appearance of these data can be modeled and visualized using light transport theory. For the sake of understanding such a data visualization, transparent materials are widely used. If solutions exist to correctly simulate the light propagation and display semi-transparent objects, offering a understandable visualization remains an open research topic. The goal of this thesis is twofold. First, an in-depth analysis of the optical model for light transport and its implication on computer generated images is performed. Second, this knowledge can be used to tackle the problematic of providing efficient and reliable solution to visualize transparent and semi-transparent media. In this manuscript, we first introduce the general optical model for light transport in participating media, its simplification to surfaces, and how it is used in computer graphics to generate images. Second, we present a solution to improve shape depiction in the special case of surfaces. The proposed technique uses light transport as a basis to change the lighting process and modify the materials appearance and opacity. Third, we focus on the problematic of using full volumetric data instead of the simplified case of surfaces. In this case, changing only the material properties has a limited impact, thus we study how light transport can be used to provide useful information for participating media. Last, we present our light transport model for participating media that aims at exploring part of interest of a volume.; Explorer et comprendre des données volumétriques ou surfaciques est un des nombreux enjeux du domaine de l'informatique graphique. L'apparence de telles données peut être modélisée et visualisée en utilisant la théorie du transport lumineux. Afin de rendre une telle visualisation compréhensible, le recours à des matériaux transparents est très répandu. Si des solutions existent pour simuler correctement la propagation de la lumière et ainsi afficher des objets semi-transparents, offrir une visualisation compréhensible reste un sujet de recherche ouvert. Le but de cette thèse est double. Tout d'abord, une analyse approfondie du modèle optique pour le transport de la lumière et ses implications sur la génération d'images par ordinateur doit être effectuée. Ensuite, cette connaissance pourra être utilisée pour proposer des solutions efficaces et fiables pour visualiser des milieux transparents et semi-transparents. Dans ce manuscrit, premièrement, nous présentons le modèle optique communément utilisé pour modéliser le transport de la lumière dans des milieux participatifs, sa simplification si l'on réduit la situation à des surfaces et la manière dont ces modèles sont utilisés en informatique graphique pour générer des images. Deuxièmement, nous présentons une solution pour améliorer la représentation des formes dans le cas particulier des surfaces. La technique proposée utilise le transport lumineux comme base pour modifier le processus d'éclairage et modifier l'apparence et l'opacité des matériaux. Troisièmement, nous nous concentrons sur la problématique de l’utilisation de données volumétriques au lieu du cas simplifié des surfaces. Dans ce cas, le fait de ne modifier que les propriétés du matériau a un impact limité. Nous étudions donc comment le transport lumineux peut être utilisé pour fournir des informations utiles à la compréhension de milieux participatifs. Enfin, nous présentons notre modèle de transport lumineux pour les milieux participatifs, qui vise à explorer une région d'intérêt d’un volume.

The goal of stylized rendering is to render 3D scenes in the visual style intended by an artist.This often entails reproducing, with some degree of automation,the visual features typically found in 2D illustrationsthat constitute the "style" of an artist.Examples of these features include the depiction of light and shade,the representation of the contours of objects,or the strokes on a canvas that make a painting.This field is relevant today in domains such as computer-generated animation orvideo games, where studios seek to differentiate themselveswith styles that deviate from photorealism.In this thesis, we explore stylization techniques that can be easilyinserted into existing real-time rendering pipelines, and propose two novel techniques in this domain.Our first contribution is a workflow that aims to facilitatethe design of complex stylized shading models for 3D objects.Designing a stylized shading model that follows artistic constraintsand stays consistent under a variety of lightingconditions and viewpoints is a difficult and time-consuming process.Specialized shading models intended for stylization existbut are still limited in the range of appearances and behaviors they can reproduce.We propose a way to build and experiment with complex shading modelsby combining several simple shading behaviors using a layered approach,which allows a more intuitive and efficient exploration of the design space of shading models.In our second contribution, we present a pipeline to render 3D scenes in painterly styles,simulating the appearance of brush strokes,using a combination of procedural noise andlocal image filtering in screen-space.Image filtering techniques can achieve a wide range of stylized effects on 2D pictures and video:our goal is to use those existing filtering techniques to stylize 3D scenes,in a way that is coherent with the underlying animation or camera movement.This is not a trivial process, as naive approaches to filtering in screen-spacecan introduce visual inconsistencies around the silhouette of objects.The proposed method ensures motion coherence by guiding filters with informationfrom G-buffers, and ensures a coherent stylization of silhouettes in a generic way., Le but du rendu stylisé est de produire un rendu d'une scène 3D dans le style visuel particulier voulu par un artiste. Cela nécessite de reproduire automatiquement sur ordinateur certaines caractéristiques d'illustrations traditionnelles: par exemple, la façon dont un artiste représente les ombres et la lumière, les contours des objets, ou bien les coups de pinceau qui ont servi à créer une peinture. Les problématiques du rendu stylisé sont pertinentes dans des domaines comme la réalisation de films d'animation 3D ou le jeu vidéo, où les studios cherchent de plus en plus à se démarquer par des styles visuels originaux. Dans cette thèse, nous explorons des techniques de stylisation qui peuvent s'intégrer dans des pipelines de rendu temps-réel existants, et nous proposons deux contributions. La première est un outil de création de modèles d'illumination stylisés pour des objets 3D. La conception de ces modèles est complexe et coûteuse en temps, car ils doivent produire un résultat cohérent sous une multitude d'angles de vue et d'éclairages. Nous proposons une méthode qui facilite la création de modèles d'illumination pour le rendu stylisé, en les décomposant en sous-modèles plus simples à manipuler. Notre seconde contribution est un pipeline de rendu de scènes 3D dans un style peinture, qui utilise une combinaison de bruits procéduraux 3D et de filtrage en espace écran. Des techniques de filtrage d'image ont déjà été proposées pour styliser des images ou des vidéos: le but de ce travail est d'utiliser ces filtres pour styliser des scènes 3D tout en gardant la cohérence du mouvement. Cependant, directement appliquer un filtre en espace écran produit des défauts visuels au niveau des silhouettes des objets. Nous proposons une méthode qui permet d'assurer la cohérence du mouvement, en guidant les filtres d'images avec des informations sur la géométrie extraites de G-buffers, et qui élimine les défauts aux silhouettes.

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

Aujourd'hui, les systèmes temps réel sont omniprésents dans plusieurs domaines.Une telle expansion donne lieu à un besoin croissant en terme de performance (ressources,disponibilité, parallélisme, etc.) et a initié par la même occasion une transition del'utilisation de plateformes matérielles à processeur unique, à de grands ensemblesde nœuds de calcul inter-connectés et distribués. Cette tendance a donné la naissanceà une nouvelle famille de systèmes connue sous le nom de emph{Networked Embedded Systems},qui sont intrinsèquement distribués.Une telle évolution provient de la complexité croissante des logiciels temps réelembarqués sur de telles plateformes (par exemple les système de contrôle en avioniqueet dans domaines de l'automobile), ainsi que la nécessité d'intégrer des systèmes autrefoisisolés afin d'accomplir les fonctionnalités requises, améliorant ainsi les performanceset réduisant les coûts.Sans surprise, la conception, l'implémentation et la vérification de ces systèmes sontdes tâches très difficiles car ils sont sujets à différents types de facteurs, tels que lesdélais de communication, la fréquence du CPU ou même les imprécisions matérielles,ce qui augmente considérablement la complexité lorsqu'il s'agit de coordonner les activités parallèles.Dans cette thèse, nous proposons une démarche rigoureuse destinée à la construction d'applicationsdistribuées temps réel.Pour ce faire, nous étudions des modèles basés sur les automates temporisés, dont la sémantiqueest formellement définie, afin d'étudier le comportement d'un système donné avec des contraintes de tempsimposées lorsqu'il est déployé dans un environnement distribué. En particulier, nous étudionsemph{(i)} l'impact des délais de communication en introduisant une latence minimale entreles exécutions d'actions et la date à laquelle elles ont été décidées,et emph{(ii)} l'effet des imperfections matérielles, plus précisément les imprécisionsd'horloges, sur l'exécution des systèmes.Le paradigme des automates temporisés reste néanmoins destiné à décrire une abstractiondu comportement d'une application donnée.Par conséquent, nous utilisons une représentation intermédiaire del'application initiale, qui en plus d'avoir un comportement say{équivalent}, exprimeexplicitement les mécanismes mis en œuvre durant l'implémentation, et donc réduit ainsil'écart entre la modélisation et l'implémentation réelle.De plus, nous contribuons à la construction de tels systèmes en emph{(iii)}proposant une optimisation basée sur la emph{connaissance}, qui a pour but d'éliminer lestemps de calcul inutiles et de réduire les échanges de messages pendant l'exécution. Nous comparons le comportement de chaque modèle proposé au modèle initial et étudionsles relations entre les deux. Ensuite, nous identifions et caractérisons formellement lesproblèmes potentiels résultants de ces contraintes supplémentaires. Aussi, nous proposonsdes stratégies d'exécution qui permettent de préserver certaines propriétés souhaitéeset d'obtenir des scénarios d'exécution say{similaires}, et fidèles aux spécificationsde départs., Nowadays, real-time systems are ubiquitous in several application domains.Such an emergence led to an increasing need of performance (resources,availability, concurrency, etc.) and initiated a shift from theuse of single processor based hardware platforms, to large setsof interconnected and distributed computing nodes. This trend introduced the birthof a new family of systems that are intrinsically distributed, namelyemph{Networked Embedded Systems}.Such an evolution stems from the growing complexity of real-time softwareembedded on such platforms (e.g. electronic control in avionicsand automotive domains), and the need to integrate formerly isolated systems so thatthey can cooperate, as well as share resources improving thus functionalitiesand reducing costs.Undoubtedly, the design, implementation and verification of such systems areacknowledged to be very hard tasks since theyare prone to different kinds of factors, such as communication delays, CPU(s)speed or even hardware imprecisions, which increases considerably the complexity ofcoordinating parallel activities.In this thesis, we propose a rigorous design flow intended forbuilding distributed real-time applications.We investigate timed automata based models, with formally defined semantics, in orderto study the behavior of a given system with some imposed timing constraints when deployedin a distributed environment. Particularly, we study emph{(i)} the impact of the communicationdelays by introducing a minimum latency between actions executions and the effectivedate at which actions executions have been decided,and emph{(ii)} the effect of hardware imperfections, more precisely clocks imprecisions,on systems execution by breaking the perfect clocks hypothesis, often adopted duringthe modeling phase. Nevertheless, timed automata formalism is intended to describe a highlevel abstraction of the behavior of a given application.Therefore, we use an intermediate representation ofthe initial application that, besides having say{equivalent} behavior, explicitly expressesimplementation mechanisms, and thus reduces the gap between the modeling and the concreteimplementation. Additionally, we contribute in building such systems by emph{(iii)}proposing a knowledge based optimization method that aims to eliminate unnecessarycomputation time or exchange of messages during the execution.We compare the behavior of each proposed model to the initial high level model and study therelationships between both. Then, we identify and formally characterize the potential problemsresulting from these additional constraints. Furthermore, we propose execution strategies thatallow to preserve some desired properties and reach a say{similar} execution scenario,faithful to the original specifications.

Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis).The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing).Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments.; L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose).Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements.

Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis).The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing).Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments.; L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose).Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements.

This manuscript presents the work carried out for the development of a new tool dedicated to real-time computer-assisted detection for the detection of colorectal polyps in videocoloscopy, in the context of early detection of colorectal cancer. This cancer remains today associated with a high mortality rate when detected too late. A such tool could help to improve medical care.First of all, an analysis of the state of the art makes it possible to highlight the limitations of current methods. It is then possible to determine the scientific and technical positioning to adopt in order to create an innovative tool dedicated to this detection task.A first phase dedicated to the analysis of still frames confirms or invalidates the possible scientific choices and thus develops an approach in accordance with the constraints imposed by clinical use (processing time, performance in particular). This first method is able to detect polyps in less than 40 milliseconds per image, which is compatible with real time, with good performance (F1 Score of 47.55%).Logically, we are interested in the detection of polyps in videos, which allows to get closer to real exams. In particular, several optimizations (such as temporal coherence) are proposed to benefit from video. The tool is then able to alert the doctor about the presence of polyps in 97.6% of cases (on a set of 36 videos) in real time with only an average processing time of 23 milliseconds per frame.In the end, this tool, which can alert the doctor of the presence of colorectal polyps in real time during the examination, could therefore be part of the clinical routine of videocoloscopy. Future clinical trials will identify possible limitations to be overcome.; Ce manuscrit présente les travaux réalisés pour la mise au point d'un nouvel outil dédié à la détection temps-réelle assistée par ordinateur pour la détection des polypes colorectaux en vidéocoloscopie dans le cadre du dépistage précoce du cancer colorectal. Ce cancer reste aujourd'hui associé à un taux de mortalité important lorsque détecté trop tardivement. Un tel outil pourrait donc permettre d'améliorer la prise en charge.Tout d'abord, une analyse de l'état de l'art permet de mettre en évidence les limitations des méthodes actuelles. Il est alors possible de déterminer le positionnement scientifique et technique à adopter pour créer un outil innovant dédié à cette tâche de détection.Une première phase dédiée à l'analyse d'images fixes permet de confirmer ou d'infirme les choix scientifiques possibles et ainsi de développer une approche en accord avec les contraintes imposées par une utilisation clinique (temps de traitement, performances en particulier). Cette première méthode est ainsi capable de détecter les polypes en moins de 40 millisecondes par image, soit compatible avec le temps réel, en ayant de bonnes performances (F1 Score de 47.55%).Logiquement, on s'intéresse ensuite à la détection des polypes dans les vidéos, qui permet de se rapprocher d'examens réels. En particulier, on propose plusieurs optimisations (comme la cohérence temporelle) permettant de tirer bénéfice de la vidéo. L'outil est alors capable d'alerter le médecin sur la présence de polypes dans 97.6% des cas (36 vidéos) en temps-réel avec, en moyenne, seulement 23 millisecondes pour traiter une image.Au final, cet outil, capable d'alerter le médecin sur la présence de polypes colorectaux en temps-réel durant l'examen, pourrait donc s'intégrer dans la routine clinique de la vidéocoloscopie. Des essais cliniques à venir permettront d'identifier les possibles limitations à lever.

When designing complex cyber-physical systems, engineers have to integrate numerical models from different modeling environments in order to simulate the whole system and estimate its global performances. If some parts of the system are physically available, it is possible to connect these parts to the simulation in a Hardware-in-the-Loop (HiL) approach. In this case, the simulation has to be performed in real-time where models execution consists in periodically reacting to the real (physically available) components and providing periodic output updates. The increase of requirements on the simulation accuracy and its validity domain requires more complex models. Using such models, it becomes hard to ensure fast or real-time execution without using multiprocessor architectures. FMI (Functional Mocked-up Interface), an increasingly common standard for model exchange and co-simulation, offers new opportunities for multi-core execution of numerical models. One goal of this thesis is the extraction of potential parallelism in a set of interconnected multi-rate models. We build on the RCOSIM approach that has been previously developed at IFP Energies nouvelles and which allows the parallelization of FMI models on multi-core processors. It is based on representing the co-simulation by a dependence graph model. In the first part of the thesis, improvements have been proposed to overcome the limitations of RCOSIM. In particular, we propose new algorithms in order to allow handling models that exchange data at different rates and schedule them on multi-core processors. Also, the improvements allow handling specific constraints such as mutual exclusion and real-time constraints. Second, we propose algorithms for the allocation and non preemptive scheduling of the dependence graphs, taking into account their real-time, data dependence and allocation constraints. These algorithms aim at accelerating the execution of the co-simulation or ensuring its real-time execution in a HiL approach. The proposed solutions have been tested on randomly generated dependence graphs and validated against an industrial use case which is an internal combustion engine co-simulation. This thesis is part of a joint action IFP Energies nouvelles-Inria, in which Inria brings its real-time systems experience to the numerical simulation challenges of IFP Energies nouvelles.; Lors de la conception de systèmes cyber-physiques complexes, les ingénieurs doivent intégrer des modèles numériques issus de différents environnements de modalisation afin de simuler l’ensemble du système et estimer ses performances globales. Si certaines parties du système sont physiquement disponibles, il est possible de connecter ces parties à la simulation dans une approche Hardware-in-the-Loop (HiL). Dans ce cas, la simulation doit être effectuée en temps-réel l’exécution des modèles consiste à réagir périodiquement aux composants réels (physiquement disponibles) et fournir des mises à jour périodiques des valeurs de sortie. L’augmentation des exigences sur la précision de la simulation et son domaine de validité nécessite des modèles plus complexes. En utilisant de tels modèles, il devient difficile d’assurer une exécution rapide ou en temps réel sans utiliser d'architectures multiprocesseur. FMI (Functional Mocked-up Interface), un standard de plus en plus adopté pour l'échange de modèles et la co-simulation, offre de nouvelles possibilités d’éxécution multi-coeur des modèles numériques. L’un des objectifs de cette thèse est de permettre l’extraction du parallélisme potentiel dans un ensemble de modèles multi-rate interconnectés. Nous nous appuyons sur l’approche RCOSIM qui a été développée auparavant à IFP Energies nouvelles et qui permet la parallélisation de modèles FMI sur des processeurs multi-coeurs. Cette approche est basée sur la représentation de la co-simulation par un graphe de dépendance. Dans la première partie de la thèse, des améliorations sont proposées dans le but de surmonter les limitations de RCOSIM. En particulier, nous proposons de nouveaux algorithmes pour permettre la prise en charge de modèles échangeant des données à des rythmes différents (multi-rate) et les ordonnancer sur des processeurs multi-coeur. En outre, les améliorations permettent de gérer des contraintes spécifiques telles que l’exclusion mutuelle et les contraintes temps-réel. Deuxièmement, nous proposons des algorithmes pour l’allocation et l’ordonnancement non prémptif des graphes de dépendance, entenant compte de leur contraintes de dépendance, temps réel, et d’allocation. Ces algorithmes visent à accélérer l’exécution de la co-simulation ou assurer son exécution en temps-réel dans une approche HiL. Les solutions proposées sont testés sur des graphes de dépendance générés aléatoirement et validées sur un cas d’utilisation industriel qui est une co-simulation d’un moteur à combustion interne. Cette thèse est une partie d'une action conjointe entre IFP Energies nouvelle et Inria, Inria a apporté son expertise en temps réel aux challenges sur la simulation numérique auxquels participe IFP Energies nouvelles.

ROADEF 2018, 19ème conférence de la Société française de Recherche Opérationnelle et d'Aide à la Décision, Lorient, FRANCE, 21-/02/2018 - 23/02/2018; Dans le cadre du projet européen OptiYard, nous voulons concevoir un outil d'optimisation qui a vocation à être adapté aux gares de triage en Europe pour le transport de marchandises. Provenant du réseau ferroviaire dit "classique", les trains arrivent et sortent respectivement par le faisceau de réception (ang. receiving tracks) et par le faisceau de départ (ang. departure tracks). Les wagons des trains réceptionnés sont recombinés de façon à former les trains attendus en sortie. Contrairement aux trains de passagers, l'ordre des wagons a ici de l'importance et c'est grâce aux allers-retours des wagons entre la butte de triage (ang. hump) et les voies de classification que les bonnes combinaisons sont obtenues. La butte sert à limiter l'énergie utilisée "à l'aller" pour envoyer un à un les wagons dans le faisceau de réception grâce à la force de gravitation, alors qu'"au retour", c'est un moteur qui sera utilisé pour remonter tout un ensemble de wagons d'une voie de classification vers la butte.

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

International audience; This paper presents a mobile object detection algorithm which performs with two consecutive stereo images. Like most motion detection methods, the proposed one is based on dense stereo matching and optical flow estimation. Noting that the main computational cost of existing methods is related to the estimation of optical flow, we propose to use a fast algorithm based on Lucas-Kanade paradigm. We then derive a comprehensive uncertainty model by taking into account all the estimation errors occurring during the process. In contrast with most previous works, we rigorously expand the error related to vision based ego-motion estimation. Finally we present a comparative study of performance on the challenging KITTI dataset which demonstrates the effectiveness of the proposed approach.; Ce papier présente un algorithme de détection d'objet mobile qui prend en entrée deux paires d'images stéréo consécutives. Comme la plupart des méthodes de détection de mouvement, la méthode proposée repose sur l'estimation des appariement stéréo denses et du flot optique. Remarquant que le coût de calcul des méthodes existantes est principalement dû à l'estimation du flot optique, nous proposons d'utiliser un algorithme rapide de type Lucas-Kanade. Nous dérivons ensuite un modèle complet pour les incertitudes de mesures, en prenant en compte toutes les erreurs d'estimation qui surviennent dans le système. Contrairement à la plupart des travaux précédent, nous analysons rigoureusement l'erreur liée à l'odométrie visuelle. Enfin nous présentons une étude comparative des performances sur le base KITTI, qui démontre l'efficacité de l'approche proposée.

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

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

International audience; This paper tackles data selection for training set generation in the context of nearreal-time pedestrian detection through the introduction of a training methodology: FairTrain.After highlighting the impact of poorly chosen data on detector performance, we will introduce anew data selection technique utilizing the expectation-maximization algorithm for data weighting.FairTrain also features a version of the cascade-of-rejectors enhanced with data selection principles.Experiments on the INRIA and PETS2009 datasets prove that, when ne trained, a simple HoG-based detector can perform on par with most of its near real-time competitors.; Ce document traite de la sélection de données pour la génération de l’ensembled’entraînement dans le contexte de la détection des piétons en temps-réel grâce a l’introductiond’une méthodologie: FairTrain. Après avoir souligné l’impact des données mal choisies sur lesperformances des détecteurs, nous allons présenter une nouvelle technique de sélection de donnéespondéré par l’algorithme d’expectation-maximization. FairTrain propose également une versionde cascade-de-rejecteurs améliorée avec des principes de sélection de données. Les expériencessur les bases de données INRIA et Caltech prouvent que, lorsqu’ils sont bien formés, un simpledétecteur basé sur des HoGs fonctionne aussi bien que ses concurrents temps-réel.

International audience; This paper tackles data selection for training set generation in the context of nearreal-time pedestrian detection through the introduction of a training methodology: FairTrain.After highlighting the impact of poorly chosen data on detector performance, we will introduce anew data selection technique utilizing the expectation-maximization algorithm for data weighting.FairTrain also features a version of the cascade-of-rejectors enhanced with data selection principles.Experiments on the INRIA and PETS2009 datasets prove that, when ne trained, a simple HoG-based detector can perform on par with most of its near real-time competitors.; Ce document traite de la sélection de données pour la génération de l’ensembled’entraînement dans le contexte de la détection des piétons en temps-réel grâce a l’introductiond’une méthodologie: FairTrain. Après avoir souligné l’impact des données mal choisies sur lesperformances des détecteurs, nous allons présenter une nouvelle technique de sélection de donnéespondéré par l’algorithme d’expectation-maximization. FairTrain propose également une versionde cascade-de-rejecteurs améliorée avec des principes de sélection de données. Les expériencessur les bases de données INRIA et Caltech prouvent que, lorsqu’ils sont bien formés, un simpledétecteur basé sur des HoGs fonctionne aussi bien que ses concurrents temps-réel.

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

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

In our times, we are surrounded by technologies meant to improve our lives, to assure its security, or programmed to realize different functions and to respect a series of constraints. We consider them as embedded systems or often as parts of cyber-physical systems. An embedded system is a microprocessor-based system that is built to control a function or a range of functions and is not designed to be programmed by the end user in the same way that a PC is. The Worst Case Execution Time (WCET) of a task represents the maximum time it can take to be executed. The WCET is obtained after analysis and most of the time it cannot be accurately determined by exhausting all the possible executions. This is why, in industry, the measurements are done only on a subset of possible scenarios (the one that would generate the highest execution times) and an execution time bound is estimated by adding a safety margin to the greatest observed time. Amongst all branches of real-time systems, an important role is played by the Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) domain. CRTESs are widely being used in fields like automotive, avionics, railway, health-care, etc. The performance of CRTESs is analyzed not only from the point of view of their correctness, but also from the perspective of time. In the avionics industry such systems have to undergo a strict process of analysis in order to fulfill a series of certification criteria demanded by the certifications authorities, being the European Aviation Safety Agency (EASA) in Europe or the Federal Aviation Administration (FAA) in United States. The avionics industry in particular and the real-time domain in general are known for being conservative and adapting to new technologies only when it becomes inevitable. For the avionics industry this is motivated by the high cost that any change in the existing functional systems would bring. Any change in the software or hardware has to undergo another certification process which cost the manufacturer money, time and resources. Despite their conservative tendency, the airplane producers cannot stay inactive to the constant change in technology and ignore the performance benefices brought by COTS processors which nowadays are mainly multi-processors. As a curiosity, most of the microprocessors found in airplanes flying actually in the world, have a smaller computation power than a modern home PC. Their chips-sets are specifically designed for embedded applications characterized by low power consumption, predictability and many I/O peripherals. In the actual context, where critical real-time systems are invaded by multi-core platforms, the WCET analysis using deterministic approaches becomes difficult, if not impossible. The time constraints of real-time systems need to be verified in the context of certification. This verification, done during the entire development cycle, must take into account architectures more and more complex. These architectures increase the cost and complexity of actual, deterministic, tools to identify all possible time constrains and dependencies that can occur inside the system, risking to overlook extreme cases. An alternative to these problems is the probabilistic approach, which is more adapted to deal with these hazards and uncertainty and which allows a precise modeling of the system. 2.Contributions. The contribution of the thesis is three folded containing the conditions necessary for using the theory of extremes on executions time measurements, the methods developed using the theory of extremes for analyzing real-time systems and experimental results. 2.1. Conditions for use of EVT in the real-time domain. In this chapter we establish the environment in which our work is done. The use of EVT in any domain comes with a series of restrictions for the data being analyzed. In our case the data being analyzed consists in execution time measurements., L'interaction sociale, l'éducation et la santé ne sont que quelques exemples de domaines dans lesquels l'évolution rapide de la technologie a eu un grand impact sur la qualité de vie. Les entreprises s’appuient de plus en plus sur les systèmes embarqués pour augmenter leur productivité, leur efficacité et leurs valeurs. Dans les usines, la précision des robots tend à remplacer la polyvalence humaine. Bien que les appareils connectés comme les drônes, les montres intelligentes ou les maisons intelligentes soient de plus en plus populaires ces dernières années, ce type de technologie a été utilisé depuis longtemps dans les industries concernées par la sécurité des utilisateurs. L’industrie avionique utilise des ordinateurs pour ses produits depuis 1972 avec la production du premier avion A300; elle a atteint des progrès étonnants avec le développement du premier avion Concorde en 1976 en dépassant de nombreuses années les avions de son époque, et ça a été considéré comme un miracle de la technologie. Certaines innovations et connaissances acquises pour le Concorde sont toujours utilisées dans les modèles récents comme A380 ou A350. Un système embarqué est un système à microprocesseur qui est construit pour contrôler une fonction ou une gamme de fonctions et qui n’est pas conçu pour être programmé par l'utilisateur final de la même manière qu'un ordinateur personnel. Un système temps-réel est un système de traitement de l’information qui doit répondre aux stimuli d’entrées générées de manière externe dans une période finie et spécifiée. Le comportement de ces systèmes prend en compte non seulement l'exactitude dépend non seulement du résultat logique mais aussi du temps dans lequel il a été livré. Les systèmes temps-réel peuvent être trouvés dans des industries comme l'aéronautique, l'aérospatiale, l'automobile ou l’industrie ferroviaire mais aussi dans les réseaux de capteurs, les traitements d'image, les applications multimédias, les technologies médicales, les robotiques, les communications, les jeux informatiques ou les systèmes ménagers. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les systèmes temps-réel embarqués et pour la facilité des notations, nous leur nommons simplement des systèmes temps réel. Nous pourrions nous référer aux systèmes cyber-physiques si tel est le cas. Le pire temps d’exécution (WCET) d'une tâche représente le temps maximum possible pour qu’elle soit exécutée. Le WCET est obtenu après une analyse de temps et souvent il ne peut pas être déterminé avec précision en déterminant toutes les exécutions possibles. C'est pourquoi, dans l'industrie, les mesures sont faites uniquement sur un sous-ensemble de scénarios possibles, celui qui générerait les temps d'exécution les plus élevés, et une limite supérieure de temps d’exécution est estimé en ajoutant une marge de sécurité au plus grand temps observé. L’analyses de temps est un concept clé qui a été utilisé dans les systèmes temps-réel pour affecter une limite supérieure aux WCET des tâches ou des fragments de programme. Cette affectation peut être obtenue soit par analyse statique, soit par analyse des mesures. Les méthodes statiques et par mesure, dans leurs approches déterministes, ont tendance à être extrêmement pessimistes. Malheureusement, ce niveau de pessimisme et le sur-provisionnement conséquent ne peut pas être accepté par tous les systèmes temps-réels, et pour ces cas, d'autres approches devraient être prises en considération.

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

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

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

Audio recognition consists in giving a label to an unknown audio signal. It relies on audio descriptors and machine learning algorithms. However, in a real-time context with heterogeneous sounds, the current models lack of performance to classify sounds. This article presents a novel method based on a model of histogram mixture representing audio spectra. The recognition consists in computing the probability of each group and aggregate them temporally. A reduction step of the models allows also to perform this algorithm in real-time. This method outperforms current state-of-the-art algorithms, and achieves an accuracy of 96,7% on a database of 50 classes, using only 0.5s of audio data., La reconnaissance sonore consiste à attribuer un label à un signal audio inconnu. Celle-ci repose généralement sur des descripteurs audio ainsi que des modèles d'apprentissage statistique. Néanmoins les modèles actuels peinent à bien classer les sons dans un contexte temps-réel où ces derniers sont hétérogènes. Ce papier propose une nouvelle méthode basée sur un modèle de mélanges d'histogrammes représentant les spectres audio. La reconnaissance consiste à calculer la probabilité de chaque groupe puis à les agréger temporellement. Une étape de réduction du précédent modèle permet par ailleurs de passer au temps-réel. Cette méthode surpasse les algorithmes actuels, et peut atteindre 96,7% de bonne classification sur une base de 50 classes de sons en utilisant 0,5s de données audio.

Dans cette thèse, nous étudions l’adéquation de l’architecture distribuée des processeurs pluricoeurs avec les besoins des concepteurs de systèmes temps réels avioniques. Nous proposons d’abord une analyse détaillée d’un processeur sur étagère (COTS), le KALRAY MPPA®-256, et nous identifions certaines de ses ressources partagées comme étant les goulots d’étranglement limitant à la fois la performance et la prédictibilité lorsque plusieurs applications s’exécutent. Pour limiter l’impact de ces ressources sur les WCETs, nous définissons formellement un modèle d’exécution isolant temporellement les applications concurrentes. Son implantation est réalisée au sein d’un hyperviseur offrant à chaque application un environnement d’exécution isolé et assurant le respect des comportements attendus en ligne. Sur cette base, nous formalisons la notion de partition comme l’association d’une application avec un budget de ressources matérielles. Dans notre approche, les applications s’exécutant au sein d’une partition sont garanties d’être temporellement isolées des autres applications. Ainsi, étant donné une application et son budget associé, nous proposons d’utiliser la programmation par contraintes pour vérifier automatiquement si les ressources allouées à l’application sont suffisantes pour permettre son exécution de manière satisfaisante. Dans le même temps, dans le cas où un budget est effectivement valide, notre approche fournit un ordonnancement et un placement complet de l’application sur le sous-ensemble des ressources du processeur allouées à sa partition. In this thesis, we study the suitability of the distributed architecture of many-core processors for the design of highly constrained real-time systems as is the case in avionics. We firstly propose a thorough analysis of an existing COTS processor, namely the KALRAY MPPA®-256, and we identify some of its shared resources to be paths of interference when shared among several applications. We provide an execution model to restrict the access to these resources in order to mitigate their impact on WCETs and to temporally isolate co-running applications. We describe in detail how such an execution model can be implemented with a hypervisor which practically provides the expected property of temporal isolation at run-time. Based on this, we formalize a notion of partition which represents the association of an application with a resource budget. In our approach, an application placed in a partition is guaranteed to be temporally isolated from applications placed in other partitions. Then, assuming that applications and resource budgets are given, we propose to use constraint programming in order to verify automatically whether the amount of resources requested by a budget is sufficient to meet all of the application’s constraints. Simultaneously, when a budget is valid, our approach computes a schedule of the application on the subset of the processor’s resources allocated to it.

Complex embedded systems today commonly involve a mix of real-time and best-effort applications integrated on separate microcontrollers thus ensuring fault isolation and error containment. However, this solution multiplies hardware costs, power consumption and thermal dissipation.The recent emergence of low-cost multi-core processors raises the possibility of running both kinds of applications on a single machine, with virtualization ensuring isolation. Nevertheless, the memory hierarchy on such processors is shared between all cores. Memory accesses done by a real time application running on one dedicated core can be slowed down by concurrent memory accesses initiated by best effort applications running in parallels. Therefore real time applications can miss their deadlines.In this thesis, we propose a run-time software-regulation approach that aims to maximize parallelism between real-time and best-effort applications running on a single low-cost multicore ECU. Our approach uses an overhead estimation derived from offline profiling of the real-time application to estimate the slow down on the real-time application caused by memory interferences. When the estimated overhead reaches a predefined threshold, our approach suspends the best-effort applications, allowing the real-time task to continue executing without interferences. Suspended best-effort applications are resumed when the real-time application ends its current activation., Les systèmes embarqués dans les véhicules comportent un mélange d’applications temps réel et « best effort » déployées, pour des raisons d’isolation, sur des calculateurs séparés. L’ajout de nouvelles fonctionnalités dans les véhicules se traduit par un accroissement du nombre de calculateurs et ainsi par une augmentation des coûts, de la consommation électrique et de la dissipation thermique.L’émergence de nouvelles plate-formes multi-cœurs à bas coûts permet d’envisager le déploiement d’une nouvelle architecture dite « virtualisée » pour exécuter en parallèle sur un même calculateur les deux types d’applications. Néanmoins, la hiérarchie mémoire de tels calculateurs, reste partagée. Une application temps réel exécutée sur un cœur peut donc voir ses temps d’accès à la mémoire ralentis par les accès effectués par les applications « best effort » exécutées en parallèle entraînant ainsi la violation des échéances de la tâche temps réel.Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche de gestion de la contention mémoire. Dans une première étape, hors ligne, nous générons un oracle capable d’estimer les ralentissements d’une tâche temps réel en fonction du trafic mémoire mesuré. Dans une deuxième étape, en ligne, les tâches temps réel sont exécutées en parallèle des applications « best effort ». Un mécanisme de régulation va surveiller la consommation mémoire et utiliser l’oracle généré précédemment pour estimer le ralentissement des tâches temps réel. Lorsque le ralentissement estimé est supérieur à celui fixé par le concepteur du système les applications « best effort » sont suspendues jusqu’à ce que l’application temps réel termine son activation.

International audience; Sport event competitors have been fully equipped with GPS/GSM devices. Dynamic 3D representations of resulting GPS data flux will be shown and discussed focusing on 3D model quality and mobile computational abilities.

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

Sport event competitors have been fully equipped with GPS\/GSM devices. Dynamic 3D representations of resulting GPS data flux will be shown and discussed focusing on 3D model quality and mobile computational abilities.

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

Cyber physical systems (CPS) and Internet of Objects (IoT) are generating an unprecedentedvolume and variety of data that needs to be collected and stored on the cloud before beingprocessed. By the time the data makes its way to the cloud for analysis, the opportunity totrigger a reply might be late.One approach to solve this problem is to analyze the most time-sensitive data at the net-work edge, close to where it is generated. Thus, only the pre-processed results are sent tothe cloud. This computation model is know as *Fog Computing* or *Edge computing*. Crit-ical CPS applications using the fog computing model may have real-time constraints becauseresults must be delivered in a pre-determined time window. Furthermore, in many relevantapplications of CPS, the processing can be parallelized by applying the same processing ondifferent sub-sets of data at the same time by the mean parallel programming techniques. Thisallow to achieve a shorter response time, and then, a larger slack time, which can be used toreduce energy consumption.In this thesis we focus on the problem of scheduling a set of parallel tasks on multicoreprocessors, with the goal of reducing the energy consumption while all deadlines are met. Wepropose several realistic task models on architectures with identical and heterogeneous cores,and we develop algorithms for allocating threads to processors, select the core frequencies, andperform schedulability analysis. The proposed task models can be realized by using OpenMP-like APIs.; Les systèmes cyber-physiques (CPS) et d’Internet des objets génèrent un volume et une variété des données sans précédant. Le temps que ces données parcourent le réseau dans son chemin vers le cloud, la possibilité de réagir à un événement critique pourrait être tardive. Pour résoudre ce problème, les traitements de données nécessitant une réponse rapide sont faits à proximité d’où les données sont collectées. Ainsi, seuls les résultats du pré-traitement sont envoyées au cloud et la réaction pourrai être déclenché suffisamment rapide pour préserver l’intégrité du système. Ce modèle de calcul est connu comme Fog Computing. Un large spectre d’applications de CPS ont des contraintes temporelle et peuvent être facilement parallélisées en distribuant les calculs sur différents sous-ensembles de données en même temps. Ceci peut permettre d’obtenir un temps de réponse plus court et un temps de creux plus large. Ainsi, on peut réduire la fréquence du processeur et/ou éteindre des parties du processeur afin de réduire la consommation d’énergie. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le problème d'ordonnancement d’un ensemble de taches temps-réels parallèles sur des architectures multi-coeurs dans l’objectif de réduire la consommation d’énergie en respectant toutes les contraintes temporelles. Nous proposons ainsi plusieurs modèles de tâches et des testes d'ordonnançabilité pour résoudre le problème d’allocation des threads aux processeurs. Nous proposons aussi des méthodes qui permettent de sélectionner les fréquences et les états des processeurs. Les modèles proposés peuvent être implantés comme des directives dans la même logique que OpenMP.

Cyber physical systems (CPS) and Internet of Objects (IoT) are generating an unprecedentedvolume and variety of data that needs to be collected and stored on the cloud before beingprocessed. By the time the data makes its way to the cloud for analysis, the opportunity totrigger a reply might be late.One approach to solve this problem is to analyze the most time-sensitive data at the net-work edge, close to where it is generated. Thus, only the pre-processed results are sent tothe cloud. This computation model is know as *Fog Computing* or *Edge computing*. Crit-ical CPS applications using the fog computing model may have real-time constraints becauseresults must be delivered in a pre-determined time window. Furthermore, in many relevantapplications of CPS, the processing can be parallelized by applying the same processing ondifferent sub-sets of data at the same time by the mean parallel programming techniques. Thisallow to achieve a shorter response time, and then, a larger slack time, which can be used toreduce energy consumption.In this thesis we focus on the problem of scheduling a set of parallel tasks on multicoreprocessors, with the goal of reducing the energy consumption while all deadlines are met. Wepropose several realistic task models on architectures with identical and heterogeneous cores,and we develop algorithms for allocating threads to processors, select the core frequencies, andperform schedulability analysis. The proposed task models can be realized by using OpenMP-like APIs.; Les systèmes cyber-physiques (CPS) et d’Internet des objets génèrent un volume et une variété des données sans précédant. Le temps que ces données parcourent le réseau dans son chemin vers le cloud, la possibilité de réagir à un événement critique pourrait être tardive. Pour résoudre ce problème, les traitements de données nécessitant une réponse rapide sont faits à proximité d’où les données sont collectées. Ainsi, seuls les résultats du pré-traitement sont envoyées au cloud et la réaction pourrai être déclenché suffisamment rapide pour préserver l’intégrité du système. Ce modèle de calcul est connu comme Fog Computing. Un large spectre d’applications de CPS ont des contraintes temporelle et peuvent être facilement parallélisées en distribuant les calculs sur différents sous-ensembles de données en même temps. Ceci peut permettre d’obtenir un temps de réponse plus court et un temps de creux plus large. Ainsi, on peut réduire la fréquence du processeur et/ou éteindre des parties du processeur afin de réduire la consommation d’énergie. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le problème d'ordonnancement d’un ensemble de taches temps-réels parallèles sur des architectures multi-coeurs dans l’objectif de réduire la consommation d’énergie en respectant toutes les contraintes temporelles. Nous proposons ainsi plusieurs modèles de tâches et des testes d'ordonnançabilité pour résoudre le problème d’allocation des threads aux processeurs. Nous proposons aussi des méthodes qui permettent de sélectionner les fréquences et les états des processeurs. Les modèles proposés peuvent être implantés comme des directives dans la même logique que OpenMP.

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

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