Processeurs Parallèles Optoélectroniques Stochastiques pour le

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ORSAY
n° d'ordre :
Université de PARIS-SUD
CENTRE D'ORSAY
THESE
présentée
pour obtenir le titre de
Docteur en Sciences
de l'Université PARIS XI ORSAY
par
Alvaro CASSINELLI
Spécialité : Lasers et Matière
Processeurs Parallèles
Optoélectroniques Stochastiques
pour le traitement d'images en temps réel
Soutenue le 21 septembre 2000 devant la Commission d'examen :
Pierre CHAVEL Directeur de thèse
Marc P. Y. DESMULLIEZ Rapporteur externe
Francis DEVOS Président du jury
Denis GINGRAS Invité
Alain MARUANI
Philippe REFREGIER Rapporteur externe

Remerciements
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Remerciements
Je tiens à exprimer tous mes remerciements
à Francis DEVOS pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury de thèse ;
à Marc DESMULLIEZ et Philippe REFREGIER pour leur attention toute
particulière sur mon travail en qualité de rapporteurs, malgré le court délai qui leur aura
été imposé ;
à Alain MARUANI et Denis GINGRAS pour avoir accepté de participer au jury ;
à Pierre CHAVEL qui m’a fait l’honneur de m’accueillir dans son équipe, d'encadrer
mon travail et enfin de corriger mon manuscrit de thèse. Il m'a laissé une marge de liberté
considérable sans pour autant jamais manquer à l'écoute ni aux conseils ; je garde de sa
tutelle un exemple de rigueur scientifique et de sa personne un modèle de probité ;
à Philippe LALANNE pour son dynamisme contagieux et des conseils qui souvent
dépassèrent le cadre scientifique ;
à Jean Claude RODIER et André VILLING, sans lesquels la partie électronique du
démonstrateur n’aurait jamais fonctionné (…elle n’aurait même pas existé !) ;
aux stagiaires Nicolas NICEPHORE et Attila SÜTO qui ont fourni un travail
important de simulation informatique, ainsi qu’au stagiaire Lionel HEUSEY et au
scientifique du contingent Christophe VITRE pour l’aide précieuse apporté à la
réalisation des hologrammes.
à tous les doctorants (et ex-doctorants) du groupe Physique des Images avec qui j’ai
eu le plaisir de partager tant de bons moments et qui ont eu la patiente de supporter, entre
deux réglages micrométriques, des nombreuses questions techniques mais aussi
métaphysiques. Ainsi, un grand merci à Thomas GRUDZIEN et son faisceau gaussien
pas trop crédible, à Nelson DE OLIVEIRA qui m'aura appris beaucoup sur une certaine
façon de voir le monde (et les lapins), à Pierre PICHON et sa bonne humeur trempé à
l'eau de mer, à Laure LEE, un poisson tropical et souriant qui n'a pas peur du travail, et à
Pascale PARREIN, qui possède l'art de la science mais aussi la science de l'art et qui les
fait partager avec générosité.
…et bien sûr à tous les membres de l’équipe Physique des Images pour leur
disponibilité et l’ambiance chaleureuse qu’ils savent entretenir. Un grand merci à
Nathalie BAUDRY pour l'aide administrative et à Jacqueline BESSAGUET pour l'aide
apporté à la reproduction de ce mémoire.
Enfin, la place me manquera bien sûr pour remercier tous les proches qui m'ont
accompagné et appuyé en dehors du laboratoire et sans lesquels ce travail n'aurait
sûrement pas abouti. Mais comment passer sous silence l'amour et l'aide sans faille que

Table des matières
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mes parents et mes frères Horacio et Eduardo m'ont toujours prodigué et qui m'ont
permis de surmonter nombre d'écueils matériels et psychologiques? Ce ne sont pas les
seules personnes envers lesquelles je suis en dette ; ainsi je serai toujours reconnaissant à
Philippe PINEL (inestimable compagnon de route et élément résonant essentiel – mais
toujours critique - de mes élucubrations intellectuelles), à Delphine CHEVRY, à Thomas
PEDROLETTI, à Giulia DEVECCHI, à Gonzalo FRASCA, à Min KYUNG CHO, à
Christophe VERJUS, à André PIRODEAU, à Jean-Baptise FORTIN&Helène
LAGOUTE, à Cedric BINAU, à Thierry TOMASI, à Grégory LECLERC, à Beatriz
MONTERO, à Emmanuel FORT, à Nicolas LEUILLOT, à Barbara FAYARD, à Monica
BRESSAGLIA,… et à tant d'autres encore qui ont chacun à leur manière (et parfois
même à leur insu) contribué à l'heureuse issue de ce travail.

Sommaire
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Sommaire
Remerciements _______________________________________________ 2
Sommaire ___________________________________________________ 4
Table des matières ____________________________________________ 5
Introduction_________________________________________________ 10
Chapitre I : Champs de Markov en analyse d'images_____________ 20
Chapitre II : Recuit Simulé Parallèle _________________________ 43
Chapitre III : Prototype VLSI-CMOS ________________________ 79
Chapitre IV : La détection du mouvement ____________________ 104
Chapitre V : Un démonstrateur pour la détection du mouvement __ 150
Chapitre VI : Résultats expérimentaux_______________________ 180
Chapitre VII : Vers une nouvelle puce à entrées et sorties
optiques__204
Conclusion générale _________________________________________ 259
ANNEXES ________________________________________________ 262
Annexe A : Modulateur Spatial de Lumière_______________________ 263
Annexe B : Hologrammes synthétiques pour la convolution optique ___ 270
Annexe C : Description des séquences de mouvement_______________ 284
Annexe D : Interface informatique ______________________________ 298
Références bibliographiques___________________________________ 306

Table de matières
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Table des matières
Introduction_________________________________________________ 10
Chapitre I : Champs de Markov en analyse d'images_________________ 20
1. Introduction _____________________________________________________________ 20
2. Régularisation Bayesienne__________________________________________________ 23
2.1 Introduction et notations _______________________________________________________ 23
2.2 Règle de Bayes_______________________________________________________________ 24
2.3 Lien statistique entre observation et étiquettes. ______________________________________ 25
2.4 Probabilité a priori : modèle Markovien spatial._____________________________________ 27
3. Champs de Markov._______________________________________________________ 28
3.1 Définitions. _________________________________________________________________ 28
3.2 Théorème d'équivalence _______________________________________________________29
3.3 Le problème de l'estimation des paramètres. ________________________________________ 31
4. Estimateur MAP et minimisation de l'énergie ___________________________________ 32
4.1 Construction de la fonction de coût. ______________________________________________ 32
4.2 Remarque : estimateurs MPM et MF. _____________________________________________ 33
5. Quelques exemples _______________________________________________________ 34
5.1 Débruitage d'images binaires et modèle d’Ising. _____________________________________ 34
5.2 Codage en demi-teintes.________________________________________________________ 40
6. Conclusion ______________________________________________________________ 42
Chapitre II : Recuit Simulé Parallèle _____________________________ 43
1. Introduction _____________________________________________________________ 43
1.1 Quelques exemples de problèmes d'optimisation. ____________________________________44
1.2 Les algorithmes d'optimisation : généralités.________________________________________ 47
2. Algorithmes stochastiques __________________________________________________ 48
2.1 Introduction _________________________________________________________________48
2.2 Les procédures d'échantillonnage dynamiques ______________________________________ 49
2.3 La procédure de refroidissement ou Recuit Simulé ___________________________________68
3. Algorithmes déterministes __________________________________________________ 72
3.1 Introduction _________________________________________________________________73
3.2 Stochastique vs déterministe ____________________________________________________ 74
4. Cahier de charges pour un processeur dédié au recuit simulé parallèle. _______________ 77
5. Conclusion ______________________________________________________________ 77