identifier: Polar Hito, R. M. (2012). Création automatique des animations 3D  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

title: Création automatique des animations 3D

abstract: RÉSUMÉ: La production traditionnelle d'animations 3D pour un jeu vidéo ou un film d'animation est un processus lourd. Les animateurs ont besoin de plusieurs années de pratique et de bons logiciels de création de contenu numérique pour réussir à créer des animations 3D. Cela est dû à la complexité du logiciel et à la complexité de la tâche. La création d'un cycle de marche réaliste dans une scène complexe nécessite de nombreux détails de bas niveau pour atteindre un niveau élevé de réalisme. Ce mémoire propose une vue de haut niveau dans la création automatique des animations 3D afin de simplifier le processus global de production de l'animation. Afin d'aborder cette problématique, l'objectif général de la recherche a consisté à élaborer un prototype logiciel capable de générer automatiquement des animations 3D qui représentent le sens d'une phrase simple. Ce projet faisait partie intégrale du projet GITAN dans le domaine de l'infographie. GITAN proposait une solution pour générer des animations 3D à partir du texte. La solution proposée dans ce mémoire constitue principalement le module graphique qui génère la scène 3D animée qui représente la phrase d'entrée. Avec ce système, la complexité de la construction de la scène animée est considérablement réduite, puisque nous utilisons une représentation textuelle pour décrire l'animation et les différents objets dans la scène. La revue bibliographique a suggéré que les systèmes semblables qui permettent de générer automatiquement des animations 3D à partir du texte sont souvent très orientés vers un domaine d'application spécifique, par exemple les accidents automobiles, les comportements ou les interactions des personnages. L'automatisation de la génération de la scène sur ces systèmes se base souvent sur des langages script ou des formalismes qui étaient souvent orientés au domaine d'application. De plus, nous voulions générer l'animation en utilisant un format d'échange 3D à la place d'afficher directement l'animation. Nous pensons que l'utilisation d'un format d'échange 3D nous permet de bien générer la scène 3D, puisqu'un bon format d'échange intermédiaire permet de bien définir une animation de façon standard et fournit des outils nécessaires pour son utilisation. Pour cette raison, nous avons utilisé COLLADA comme format 3D pour représenter nos animations. D'après ces observations, nous avons émis trois hypothèses de recherche. La première supposait qu'il était possible de créer un formalisme capable de décrire une scène animée à partir d'une phrase simple. Le formalisme nous permet de faire une description de la scène animée en utilisant des noeuds,des contraintes et des images clés. La deuxième hypothèse supposait qu'il est possible de traduire le script qui décrit la scène vers le fichier COLLADA. Nous avons proposé un système logiciel qui permet de traduire le script vers un fichier COLLADA qui contient l'animation 3D. Finalement, la troisième hypothèse supposait que l'animation générée par le système permet de communiquer le sens de la phrase initiale. Le système doit pouvoir communiquer le message de la phrase qui décrit la scène vers les observateurs. Pour tester ces hypothèses, la méthodologie que nous avons retenue consiste, premièrement, à la création du formalisme qui permet de décrire la scène 3D. Nous avons proposé un schéma XML qui permet de déclarer des noeuds, des animations prédéfinies, des contraintes et des images clés qui décrivent la scène la générer. Par la suite, nous avons proposé une architecture logicielle modulaire qui traduit le script vers le fichier COLLADA. Le système utilise des algorithmes pour positionner correctement les objets dans la scène et pour synchroniser les animations. Finalement, nous avons effectué un sondage pour valider la communication du message par les scènes 3D générées. Le résultat du sondage nous permet d'analyser la compréhension du message par les observateurs et l'influence de l'environnement de la scène 3D sur le message, et ainsi, déterminer s'il est possible de transmettre le sens de la phrase initiale avec l'animation 3D. Les résultats que nous avons obtenus sont très satisfaisants. Nous avons été capables de décrire les scènes avec le formalisme proposée. De plus, le système logiciel génère des fichiers COLLADA bien structurés et il est capable de générer deux types de scènes : des scènes statiques et des scènes animées. Finalement, l'analyse des résultats du sondage montre que les scènes animées permettent de mieux communiquer les messages que les scènes statiques, mais l'utilisation correcte de deux types de scènes en fonction de la phrase permet de bien communiquer le message. En eet, les phrases qui contiennent des verbes d'état seront mieux représentées par des scènes statiques, tandis que des animations 3D permettent de mieux représenter des phrases qui contiennent des verbes  d'action. De plus, l'analyse de l'influence de l'environnement nous a permis de constater qu'il n'offre pas d'amélioration dans la communication du message. Ces résultats nous ont permis de constater que le système est capable de générer de façon automatique des animations 3D qui transmettent le sens d'une phrase simple ce qui permet de simplifier le processus de production traditionnelle des animations 3D.  ABSTRACT: The traditional production of 3D animations for a video game or an animated film is a cumbersome process. Animators need several years of practice and excellent skills using Digital Content Creation (DCC) software to successfully create 3D animations. This is due to the complexity of the software and the complexity of the task. Creating a realistic walk cycle in a complex scene requires many low-level details for achieving a high level of realism. This thesis proposes a high-level view in the automatic creation of 3D animations to simplify the overall process of animation production. To address this problem, the overall objective of the research was to develop a software prototype able to automatically generate 3D animations that represent the meaning of a simple sentence. This project was an integral part of the project GITAN in computer graphics. GITAN proposed a solution to generate 3D animations from text. The solution proposed in this paper is mainly the graphics module that generates animated 3D scene representing the input sentence. With this system, the complexity of building the animated scene is greatly reduced, since we use a textual representation to describe the animation and the various objects in the scene. The literature review suggested that similar systems that automatically generate 3D animations from text are often related to a specific application domain such as automobile accidents, behavior or interactions of the characters. The automation of the scene generation for these systems is often based on scripting languages related to an application domain. In addition, we wanted to generate the animation using a 3D exchange format instead of directly display the animation. We believe that using a 3D exchange format allows us to better generate the 3D scene, since a good intermediate exchange format allows to define  animations as building blocks and provides the tools to use them. For this reason, we used COLLADA as 3D format to represent our animations. From these observations, we formulated three research hypotheses. The first one assumed that it was possible to create a formalism able to describe an animated scene from a simple sentence. The formalism allows us to make an animated description of the scene using nodes, constraints and keyframes. The second hypothesis assumed that it is possible to translate the script that described the scene to a COLLADA file. We proposed a software system that translates the script to a COLLADA file that contains the 3D animation. Finally, the third hypothesis assumed that the animation generated by the system communicate the original meaning of the sentence. The system must be able to communicate the message of the sentence describing the scene to the observers. To test these hypotheses, the methodology we have adopted consists, rst of all, in the creation of the formalism for describing the 3D scene. We have proposed an XML schema for declaring nodes, animation presets, constraints and keyframes to describe the scene. Subsequently, we proposed a modular software architecture that translates the script into the COLLADA file. The system uses algorithms to correctly position the objects in the scene and to synchronize animations. Finally, we conducted a survey to validate the communication of the message contained in the 3D scenes. The result of the survey allows us to analyze the transmission of the message to the observers and the influence of the environment of the 3D scene on the message, and so, determine if it's possible to transmit the original meaning of the sentence with the 3D animation. The results we obtained are very rewarding. We were able to describe the scenes with the proposed script language. In addition, the software system is generating well structured COLLADA files and it is capable of generating two types of scenes: static scenes and animated scenes. Finally, analysis of survey results shows that the animated scenes can better communicate messages than static scenes, but the proper use of the two types of scenes according to the phrase can eectively communicate the message. Indeed, sentences that contain state verbs will be better represented by static scenes, while 3D animations can more adequately represent sentences that contain action verbs. Furthermore, in the analysis of the influence of the environment, we found that it offers no improvement in communicating the message. These results revealed that the system is able to automatically generate 3D animations that convey the sense of a simple sentence to simplify the production process of traditional animation.


identifier: Gil, D. C. (2012). Processeurs embarqués configurables pour la reproduction de tons  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les images à grande gamme dynamique (HDR) peuvent capturer les détails d'une scène à la fois dans les zones les plus claires et les zones ombragées, en imitant les capacités du système visuel humain. La reproduction de tons (TM) vise à adapter les images HDR aux dispositifs d'affichage traditionnels. La première partie de ce travail s'occupe d'une application des algorithmes de reproduction de tons : l'amélioration du contraste. Nous avons effectué une comparaison de plusieurs méthodes de pointe d'ajustement du contraste, y compris deux opérateurs de TM. Cette analyse comparative a été mise en oeuvre dans le contexte d'applications de surveillance lorsque les vidéos sont prises dans des conditions d'éclairage faibles. La qualité de l'image a été évaluée en utilisant des métriques objectives comme le contraste d'intensités et l'erreur de la brillance, et via une évaluation subjective. De plus, la performance a été mesurée en fonction du temps d'exécution. Les résultats expérimentaux montrent qu'une technique récente basée sur une modification de l'histogramme présente un meilleur compromis si les deux critères sont considérés. Les algorithmes de TM imposent habituellement des besoins élevés en ressources de calcul. En conséquence, ces algorithmes sont normalement implémentés sur des processeurs à usage général puissants et des processeurs graphiques. Ces plateformes ne peuvent pas toujours satisfaire les contraintes de performance, de surface, de consommation de puissance et de flexibilité imposées par le domaine des systèmes embarqués. Même si ces exigences sont souvent contradictoires, les processeurs à jeu d'instructions spécialisées (ASIP) deviennent une alternative d'implémentation intéressante. Les ASIP peuvent fournir un compromis entre l'efficacité d'une solution matérielle dédiée et la flexibilité associée à une solution logicielle programmable. La deuxième partie de ce mémoire présente la conception et l'implémentation d'un processeur spécialisé pour un algorithme global de TM. Nous avons analysé l'algorithme entier afin d'estimer les besoins en données et en calculs. Trois instructions spécialisées ont été proposées : pour calculer les valeurs de la luminance, du logarithme et de la luminance maximale. En utilisant un langage de description architecturale, les instructions spécialisées ont été ajoutées à un processeur similaire à un RISC de 32 bits. Le logarithme a été calculé à l'aide d'une technique spécifique à faible coût basée sur une approximation de Mitchell améliorée. Les résultats expérimentaux démontrent une augmentation de la performance de 169% si les trois instructions y sont rajoutées, avec un coût matériel supplémentaire de seulement 22%. Finalement, comme les algorithmes globaux de TM peuvent ne pas préserver d'importants contrastes locaux, nous avons conçu et implémenté un autre ASIP pour un algorithme local. Des instructions spécialisées pour accélérer une pyramide gaussienne modifiée ont été ajoutées à un processeur configurable et extensible, semblable à un RISC de 32 bits. Les différents niveaux de la pyramide ont été calculés en utilisant un noyau gaussien 2D unique dans un processus itératif. Les résultats montrent un facteur d'accélération de 12,3× pour le calcul de la pyramide, ce qui implique une amélioration de la performance de 50% pour l'algorithme local. Ce processeur spécialisé requiert une augmentation de la surface de 19% par rapport à la configuration de base.  ABSTRACT: High dynamic range (HDR) images can capture the details of a scene in both highlights and shadows, imitating the capabilities of the human visual system. Tone mapping (TM) aims to adapt HDR images to conventional display devices. The first part of this work deals with an application of tone mapping algorithms: contrast enhancement. We compare several state-of-the-art contrast adjustment methods, including two TM operators. This comparative analysis was conducted in the context of surveillance applications when videos are taken in poor lighting conditions. Image quality was evaluated by means of objective metrics such as intensity contrast and brightness error, and by subjective assessment. Moreover, performance was measured based on execution time. Experimental results show that a recent technique based on histogram modification presents a better trade-off considering both aspects. TM algorithms usually impose high demands on computational resources. As a result, they are usually implemented on powerful general purpose processors and graphics processing units. Such platforms may not meet performance, area, power consumption and flexibility constraints imposed by the embedded system domain. These requirements are often contradictory, and application-specific instruction-set processors (ASIPs) become an interesting implementation alternative. ASIPs can provide a trade-off between the efficiency of a dedicated hardware solution and the flexibility associated with a software programmable solution. The second part of this master thesis presents the design and implementation of a customized processor for a global TM algorithm. We analyzed the whole algorithm to estimate the data and computational requirements. Three custom instructions were proposed: to calculate luminance, logarithm and maximum luminance values. Using an architecture description language, the custom instructions were added to a 32-bit RISC-based processor. The logarithm was computed using a specific low cost technique based on an improved Mitchell approximation. Experimental results demonstrate a 169% performance improvement when adding all three instructions, with a hardware overhead of only 22%. Finally, as global TM algorithms may not preserve important local contrasts, we designed and implemented another ASIP for a local algorithm. Custom instructions to accelerate a modified Gaussian pyramid were added to a configurable and extensible 32-bit RISC-like processor. The different pyramid levels were computed using a unique 2D Gaussian kernel in an iterative process. Results show a speedup factor of 12,3× for the pyramid computation, which implies a 50% performance improvement for the local algorithm. This customized processor requires a 19% area increase compared to the base configuration.


identifier: Torabi, A. (2012). Video Registration for Multimodal Surveillance Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours de la dernière décennie, la conception et le déploiement de systèmes de surveillance par caméras thermiques et visibles pour l'analyse des activités humaines a retenu l'attention de la communauté de la vision par ordinateur.  Les applications de l'imagerie thermique-visible pour l'analyse des activités humaines couvrent différents domaines, notamment la médecine, la sécurité à bord d'un véhicule et la sécurité des personnes. La motivation derrière un tel système est l'amélioration de la qualité des données dans le but ultime d'améliorer la performance du système de surveillance. Une difficulté fondamentale associée à un système d'imagerie thermique-visible est la mise en registre précise de caractéristiques et d'informations correspondantes à partir d'images avec des différences significatives dans les propriétés des signaux. Dans un cas, on capte des informations de couleur (lumière réfléchie) et dans l'autre cas, on capte la signature thermique (énergie émise). Ce problème est appelé mise en registre d'images et de séquences vidéo. La vidéosurveillance est l'un des domaines d'application le plus étendu de l'imagerie multi-spectrale. La vidéosurveillance automatique dans un environnement réel, que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur, est difficile en raison d'un nombre élevé de facteurs environnementaux tels que les variations d'éclairage, le vent, le brouillard, et les ombres. L'utilisation conjointe de différentes modalités permet d'augmenter la fiabilité des données d'entrée, et de révéler certaines informations sur la scène qui ne sont pas perceptibles par un système d'imagerie unimodal. Les premiers systèmes multimodaux de vidéosurveillance ont été conçus principalement pour des applications militaires. Mais de nos jours, en raison de la réduction du prix des caméras thermiques, ce sujet de recherche s'étend à des applications civiles ayant une variété d'objectifs. Les approches pour la mise en registre d'images pour un système multimodal de vidéosurveillance automatique sont divisées en deux catégories fondées sur la dimension de la scène: les approches qui sont appropriées pour des grandes scènes où les objets sont lointains, et les approches qui conviennent à de petites scènes où les objets sont près des caméras. Dans la littérature, ce sujet de recherche n'est pas bien documenté, en particulier pour le cas de petites scènes avec objets proches. Notre recherche est axée sur la conception de nouvelles solutions de mise en registre pour les deux catégories de scènes dans lesquels il y a plusieurs humains. Les solutions proposées sont incluses dans les quatre articles qui composent cette thèse. Nos méthodes de mise en registre sont des prétraitements pour d'autres tâches d'analyse vidéo telles que le suivi, la localisation de l'humain, l'analyse de comportements, et la catégorisation d'objets. Pour les scènes avec des objets lointains, nous proposons un système itératif qui fait de façon simultanée la mise en registre thermique-visible, la fusion des données et le suivi des personnes. Notre méthode de mise en registre est basée sur une mise en correspondance de trajectoires (en utilisant RANSAC) à partir desquelles on estime une matrice de transformation affine pour transformer globalement des objets d'avant-plan d'une image sur l'autre image. Notre système proposé de vidéosurveillance multimodale est basé sur un nouveau mécanisme de rétroaction entre la mise en registre et le module de suivi, ce qui augmente les performances des deux modules de manière itérative au fil du temps. Nos méthodes sont conçues pour des applications en ligne et aucune calibration des caméras ou de configurations particulières ne sont requises.  Pour les petites scènes avec des objets proches, nous introduisons le descripteur Local Self-Similarity (LSS), comme une mesure de similarité viable pour mettre en correspondance les régions du corps humain dans des images thermiques et visibles. Nous avons également démontré théoriquement et quantitativement que LSS, comme mesure de similarité thermique-visible, est plus robuste aux différences entre les textures des régions correspondantes que l'information mutuelle (IM), qui est la mesure de similarité classique pour les applications multimodales. D'autres descripteurs viables, y compris Histogram Of Gradient (HOG), Scale Invariant Feature Transform (SIFT), et Binary Robust Independent Elementary Feature (BRIEF) sont également surclassés par LSS. En outre, nous proposons une approche de mise en registre utilisant LSS et un mécanisme de votes pour obtenir une carte de disparité stéréo dense pour chaque région d'avant-plan dans l'image. La carte de disparité qui en résulte peut alors être utilisée pour aligner l'image de référence sur la seconde image. Nous démontrons que notre méthode surpasse les méthodes dans l'état de l'art, notamment les méthodes basées sur l'information mutuelle. Nos expériences ont été réalisées en utilisant des scénarios réalistes de surveillance d'humains dans une scène de petite taille. En raison des lacunes des approches locales de correspondance stéréo pour l'estimation de disparités précises dans des régions de discontinuité de profondeur, nous proposons une méthode de correspondance stéréo basée sur une approche d'optimisation globale. Nous introduisons un modèle stéréo approprié pour la mise en registre d'images thermique-visible en utilisant une méthode de minimisation de l'énergie en conjonction avec la méthode Belief Propagation (BP) comme méthode pour optimiser l'affectation des disparités par une fonction d'énergie. Dans cette méthode, nous avons intégré les informations de couleur et de mouvement comme contraintes douces pour améliorer la précision d'affectation des disparités dans les cas de discontinuités de profondeur. Bien que les approches de correspondance globale soient plus gourmandes au niveau des ressources de calculs par rapport aux approches de correspondance locale basée sur la stratégie Winner Take All (WTA), l'algorithme efficace BP et la programmation parallèle (OpenMP) en C++ que nous avons utilisés dans notre implémentation, permettent d'accélérer le temps de traitement de manière significative et de rendre nos méthodes viables pour les applications de vidéosurveillance. Nos méthodes sont programmées en C++ et utilisent la bibliothèque OpenCV. Nos méthodes sont conçues pour être facilement intégrées comme prétraitement pour toute application d'analyse vidéo. En d'autres termes, les données d'entrée de nos méthodes pourraient être un flux vidéo en ligne, et pour une analyse plus approfondie, un nouveau module pourrait être ajouté en aval à notre schéma algorithmique. Cette analyse plus approfondie pourrait être le suivi d'objets, la localisation d'êtres humains, et l'analyse de trajectoires pour les applications de surveillance multimodales de grandes scène. Aussi, Il pourrait être l'analyse de comportements, la catégorisation d'objets, et le suivi pour les applications sur des scènes de tailles réduites.  ABSTRACT: Recently, the design and deployment of thermal-visible surveillance systems for human analysis attracted a lot of attention in the computer vision community. Thermal-visible imagery applications for human analysis span different domains including medical, in-vehicle safety system, and surveillance. The motivation of applying such a system is improving the quality of data with the ultimate goal of improving the performance of targeted surveillance system. A fundamental issue associated with a thermal-visible imaging system is the  accurate registration of corresponding features and information from images with high differences in imaging characteristics, where one reflects the color information (reflected energy) and another one reflects thermal signature (emitted energy). This problem is named Image/video registration. Video surveillance is one of the most extensive application domains of multispectral imaging. Automatic video surveillance in a realistic environment, either indoor or outdoor, is difficult due to the unlimited number of environmental factors such as illumination variations, wind, fog, and shadows. In a multimodal surveillance system, the joint use of different modalities increases the reliability of input data and reveals some information of the scene that might be missed using a unimodal imaging system. The early multimodal video surveillance systems were designed mainly for military applications. But nowadays, because of the reduction in the price of thermal cameras, this subject of research is extending to civilian applications and has attracted more interests for a variety of the human monitoring objectives.  Image registration approaches for an automatic multimodal video surveillance system are divided into two general approaches based on the range of captured scene: the approaches that are appropriate for long-range scenes, and the approaches that are suitable for close-range scenes. In the literature, this subject of research is not well documented, especially for close-range surveillance application domains. Our research is focused on novel image registration solutions for both close-range and long-range scenes featuring multiple humans. The proposed solutions are presented in the four articles included in this thesis. Our registration methods are applicable for further video analysis such as tracking, human localization, behavioral pattern analysis, and object categorization. For far-range video surveillance, we propose an iterative system that consists of simultaneous thermal-visible video registration, sensor fusion, and people tracking. Our video registration is based on a RANSAC object trajectory matching, which estimates an affine transformation matrix to globally transform foreground objects of one image on another one.  Our proposed multimodal surveillance system is based on a novel feedback scheme between registration and tracking modules that augments the performance of both modules iteratively over time. Our methods are designed for online applications and no camera calibration or special setup is required.   For close-range video surveillance applications, we introduce Local Self-Similarity (LSS) as a viable similarity measure for matching corresponding human body regions of thermal and visible images. We also demonstrate theoretically and quantitatively that LSS, as a thermal-visible similarity measure, is more robust to differences between corresponding regions' textures than the Mutual Information (MI), which is the classic multimodal similarity measure. Other viable local image descriptors including Histogram Of Gradient (HOG), Scale Invariant Feature Transform (SIFT), and Binary Robust Independent Elementary Feature (BRIEF) are also outperformed by LSS. Moreover, we propose a LSS-based dense local stereo correspondence algorithm based on a voting approach, which estimates a dense disparity map for each foreground region in the image. The resulting disparity map can then be used to align the reference image on the second image.  We demonstrate that our proposed LSS-based local registration method outperforms similar state-of-the-art MI-based local registration methods in the literature.  Our experiments were carried out using realistic human monitoring scenarios in a close-range scene. Due to the shortcomings of local stereo correspondence approaches for estimating accurate disparities in depth discontinuity regions, we propose a novel stereo correspondence method based on a global optimization approach. We introduce a stereo model appropriate for thermal-visible image registration using an energy minimization framework and Belief Propagation (BP) as a method to optimize the disparity assignment via an energy function. In this method, we integrated color and motion visual cues as a soft constraint into an energy function to improve disparity assignment accuracy in depth discontinuities.  Although global correspondence approaches are computationally more expensive compared to Winner Take All (WTA) local correspondence approaches, the efficient BP algorithm and parallel processing programming (openMP) in C++ that we used in our implementation, speed up the processing time significantly and make our methods viable for video surveillance applications. Our methods are implemented in C++ using OpenCV library and object-oriented programming.         Our methods are designed to be integrated easily for further video analysis. In other words, the input data of our methods could come from two synchronized online video streams. For further analysis a new module could be added in our frame-by-frame algorithmic diagram. Further analysis might be object tracking, human localization, and trajectory pattern analysis for multimodal long-range monitoring applications, and behavior pattern analysis, object categorization, and tracking for close-range applications.


identifier: Ren, Q. (2012). Type-2 Takagi-Sugeno-Kang Fuzzy Logic System and Uncertainty in Machining  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs méthodes permettent aujourd'hui d'analyser le comportement des écoulements qui régissent le fonctionnement de systèmes rencontrés dans l'industrie (véhicules aériens, marins et terrestres, génération d'énergie, etc.). Pour les écoulements transitoires ou turbulents, les méthodes expérimentales sont utilisées conjointement avec les simulations numériques (simulation directe ou faisant appel à des modèles) afin d'extraire le plus d'information possible. Dans les deux cas, les méthodes génèrent des quantités de données importantes qui doivent ensuite être traitées et analysées. Ce projet de recherche vise à améliorer notre capacité d'analyse pour l'étude des écoulements simulés numériquement et les écoulements obtenus à l'aide de méthodes de mesure (par exemple la vélocimétrie par image de particules PIV ). L'absence, jusqu'à aujourd'hui, d'une définition objective d'une structure tourbillonnaire a conduit à l'utilisation de plusieurs méthodes eulériennes (vorticité, critère Q, Lambda-2, etc.), souvent inadaptées, pour extraire les structures cohérentes des écoulements. L'exposant de Lyapunov, calculé sur un temps fini (appelé le FTLE), s'est révélé comme une alternative lagrangienne efficace à ces méthodes classiques. Cependant, la méthodologie de calcul actuelle du FTLE exige l'évaluation numérique d'un grand nombre de trajectoires sur une grille cartésienne qui est superposée aux champs de vitesse simulés ou mesurés. Le nombre de noeuds nécessaire pour représenter un champ FTLE d'un écoulement 3D instationnaire atteint facilement plusieurs millions, ce qui nécessite des ressources informatiques importantes pour une analyse adéquate. Dans ce projet, nous visons à améliorer l'efficacité du calcul du champ FTLE en proposant une méthode alternative au calcul classique des composantes du tenseur de déformation de Cauchy-Green. Un ensemble d'équations différentielles ordinaires (EDOs) est utilisé pour calculer simultanément les trajectoires des particules et les dérivées premières et secondes du champ de déplacement, ce qui se traduit par une amélioration de la précision nodale des composantes du tenseur. Les dérivées premières sont utilisées pour le calcul de l'exposant de Lyapunov et les dérivées secondes pour l'estimation de l'erreur d'interpolation. Les matrices hessiennes du champ de déplacement (deux matrices en 2D et trois matrices en 3D) nous permettent de construire une métrique optimale multi-échelle et de générer un maillage anisotrope non structuré de façon à distribuer efficacement les noeuds et à minimiser l'erreur d'interpolation.  ABSTRACT: Several methods can help us to analyse the behavior of flows that govern the operation of fluid flow systems encountered in the industry (aerospace, marine and terrestrial transportation, power generation, etc..). For transient or turbulent flows, experimental methods are used in conjunction with numerical simulations ( direct simulation or based on models) to extract as much information as possible. In both cases, these methods generate massive amounts of data which must then be processed and analyzed. This research project aims to improve the post-processing algorithms to facilitate the study of numerically simulated flows and those obtained using measurement techniques (e.g. particle image velocimetry PIV ). The absence, even until today, of an objective definition of a vortex has led to the use of several Eulerian methods (vorticity, the Q and the Lambda-2 criteria, etc..), often unsuitable to extract the flow characteristics. The Lyapunov exponent, calculated on a finite time (the so-called FTLE), is an effective Lagrangian alternative to these standard methods. However, the computation methodology currently used to obtain the FTLE requires numerical evaluation of a large number of fluid particle trajectories on a Cartesian grid that is superimposed on the simulated or measured velocity fields. The number of nodes required to visualize a FTLE field of an unsteady 3D flow can easily reach several millions, which requires significant computing resources for an adequate analysis. In this project, we aim to improve the computational efficiency of the FTLE field by providing an alternative to the conventional calculation of the components of the Cauchy-Green deformation tensor. A set of ordinary differential equations (ODEs) is used to calculate the particle trajectories and simultaneously the first and the second derivatives of the displacement field, resulting in a highly improved accuracy of nodal tensor components. The first derivatives are used to calculate the Lyapunov exponent and the second derivatives to estimate the interpolation error. Hessian matrices of the displacement field (two matrices in 2D and three matrices in 3D) allow us to build a multi-scale optimal metric and generate an unstructured anisotropic mesh to efficiently distribute nodes and to minimize the interpolation error. The flexibility of anisotropic meshes allows to add and align nodes near the structures of the flow and to remove those in areas of low interest. The mesh adaptation is based on the intersection of the Hessian matrices of the displacement field and not on the FTLE field.


identifier: Lalande, V. (2012). Conception, caractérisation et validation d'un embout de fil-guide magnétique dirigé par un appareil d'imagerie à résonance magnétique amélioré  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le catheterisme endovasculaire est une procedure utilisant les vaisseaux sanguins pour faire naviguer des outils medicaux a des ns therapeutiques. L'ecacite des outils depend de la geometrie des arteres, de la dexterite du manipulateur et des techniques de visualisation. Par exemple, l'avancee des outils dans la vasculature est limitee par la friction des outils sur les vaisseaux, par les reductions de diametre des vaisseaux, par la tortuosite de ceux-ci, par la forte angulation qui existe entre les arteres... Actuellement, pour visualiser la progression des outils dans le corps, le radiologue interventionniste realise le catheterisme avec un  uoroscope dont les radiations sont ionisantes pour les patients et le corps medical. Ces problematiques de navigation et de nocivite sont a l'origine de notre projet. Notre objectif est d'une part d'ameliorer le guidage des outils utilises pour le catheterisme endovasculaire et d'autre part d'utiliser une technologie de visualisation inoensive pour tous les acteurs de la procedure de soin. Nous proposons d'utiliser un appareil d'imagerie a resonance magnetique (IRM) qui permet a la fois d'eliminer tout probleme de nocivite et d'obtenir une meilleure visualisation des tissus environnants. Cependant, l'appareil IRM presente un co^ut consequent amenant a un nombre d'IRM tres limite dans les hopitaux et donc a une disponibilite limitee de cette methode d'imagerie. L'appareil IRM a la particularite d'^etre compose d'un aimant puissant produisant un champ magnetique unidirectionnel et de bobines de gradient magnetique tridimensionnelles. Notre hypothese est que le contr^ole de ces elements permet de creer une force magnetique dans toutes les directions de l'espace et ainsi d'attirer tout objet magnetique dans la direction choisie. A partir de cette hypothese, nous proposons de developper une nouvelle technologie de guidage : un embout magnetique qui se xe a l'extremite des outils du catheterisme (catheter ou guide) an de pouvoir diriger activement l'extremite de l'outil a l'aide d'une force magnetique. Pour atteindre ces objectifs, nous utilisons un IRM ameliore dont la capacite a produire une force magnetique est multipliee par 20 par rapport a un IRM clinique. Dans notre etude, nous concevons plusieurs embouts dierents que nous caracterisons ensuite an d'evaluer leurs performances et de les comparer avec celles d'outils standards. Enn, la derniere etape est celle de la validation qui permet de verier que la technologie est fonctionnelle en conditions reelles, soit in vivo. Notre caracterisation s'appuie sur des montages experimentaux de notre conception qui nous aident a quantier les deformations obtenues sur un outil dote d'un embout magnetique sur lequel une force magnetique est appliquee. Une modelisation theorique vient appuyer les quantications experimentales en expliquant l'origine du comportement de l'outil.  ABSTRACT: Endovascular catheterization consists in navigating medical tools inside the blood vessel network at therapeutic ends. The eciency of these tools depends on the vessel's geometry, the doctors's dexterity and the imaging technique. Indeed, the tools progress in the vascular network is limited by the friction of the vessels walls, the progressive shrinking of the vessels lumen, their tortuosity, the angle between the vessels intersections... Currently, the tool's progress in the body is imaged with a  uoroscopic apparatus which radiations are ionising for both patients and the medical team. These steering and health issues are the reason of our project. Our goal is to improve the steering of catheterization tools while using an innocuous imaging technique. We thus propose to use a Magnetic Resonance Imaging (MRI) system for catheterization procedures that would eliminate any noxious sources and provide a better visualisation of the surroundings tissues. The MRI system is made of a powerful magnet and tridimentional gradient coils. Our hypothesis is that the combinaison of these two hardwares can create a 3D-magnetic force to attract any magnetic material towards any direction. From this hypothesis, we develop a new steering technology: a magnetic tip attached to the distal end of catheterization tools (catheters or guidewires) in order to actively steer the distal end of the tool with a magnetic force. The MRI system provides both excellent and safe imaging and magnetic steering possibilities. However, this apparatus has a limited availability in clinical constraints due to its cost. In our experiments, to improve its magnetic force, we use an upgraded MRI system able to produce a magnetic force 20 times larger than a clinical MRI. In our study, we design several tips that we also characterize in order to evaluate their performances and compare them with those of standard tools. We use laboratory-made experimental setups to quantify the static deformation of our upgraded catheter under a magnetic force. A theoretical model explains and predicts its behavior for dierent tip con- gurations. We also study the steerability of our upgraded catheterization tool and compare it to standard tools. Our experimental setups also help us understand the mechanics of the tool entrance in an intersection and the maximal angle our tool can reach. The whole characterization brought us to notice that the guidewire entrance into an intersection is more complex than expected and numerous parameters are involved. We could also notice that our tools have better steerability than those of standards tools according to our evaluation method.


identifier: Chihab, N. (2012). Vers une méthode automatique de reconstruction 3D du tronc scoliotique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle complexe du tronc. Elle est caractérisée par une déviation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l'espace. Le diagnostic de la scoliose idiopathique adolescente actuellement utilisé à l'hôpital Sainte-Justine, est basé sur les radiographies postéro-antérieures et latérales. Le clinicien mesure l'angle de Cobb sur les radiographies et décide du traitement nécessaire pour les patients en se basant sur la sévérité de l'angle de Cobb. Cependant, l'exposition répétitive à des radiations ionisantes peut augmenter les risques de développer certains cancers. Pour cette raison, les cliniciens limitent la fréquence des acquisitions radiographiques de patients scoliotiques à une acquisition tous les six mois. Cependant, la dose cumulative d'irradiations infligées au patient durant un suivi clinique est tout de même importante. Plusieurs techniques ont été utilisées pour l'évaluation non invasive de la scoliose à partir de la topographie de la surface au cours des trente dernières années. Dans ce contexte, le système InSpeck (Creaform, inc., Lévis, Québec) est utilisé à la clinique de scoliose à l'hôpital Sainte-Justine. La précision des reconstructions 3D de la surface externe du tronc par InSpeck a été mesurée par la distance normale moyenne entre la reconstruction tridimensionnelle de InSpeck et les points mesurés à la MMT (machine à mesurer tridimensionnelle), cette distance est évaluée à 1.1±0.9 mm. Les reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques avec le logiciel EM (Editing and Merging) de InSpeck ne sont pas automatiques. Elles nécessitent des interventions manuelles qui prennent un temps considérable (en moyenne 21 minutes) pour faire une seule reconstruction 3D de la surface du tronc d'un patient scoliotique. De plus, ces interventions manuelles entrainent une faible reproductibilité. Le but de ce projet est d'automatiser les reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques afin de diminuer le temps nécessaire pour faire chaque reconstruction 3D. L'avantage d'une nouvelle méthode de reconstruction automatique et rapide est de construire rapidement une grande base de données de reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques dans différentes positions et aussi des patients normaux. Cette base de données de différentes reconstructions permettra de faire plusieurs études statistiques sur les patients normaux et les patients scoliotiques, calculer des indices cliniques pour pouvoir évaluer les déformations scoliotiques à partir de la surface externe du tronc et de faire un suivi des déformations de patients scoliotiques sur plusieurs années. Nous avons proposé et validé une méthode de reconstruction 3D automatique de la surface externe du tronc de patients scoliotiques. Celle-ci est rapide, fonctionnelle quelque soit la position du patient et indépendante de l'opérateur. De plus, les résultats sont complètement reproductibles. Cette méthode de reconstruction 3D est composée de trois étapes : le prétraitement des quatre surfaces polygonales 3D bruitées issues des numériseurs InSpeck, le recalage de ces surfaces polygonales et la fusion de géométries et de textures. Premièrement, nous avons proposé le filtre bilatéral 3D pour supprimer le bruit des surfaces polygonales pour sa simplicité, sa rapidité et ses qualités pour supprimer le bruit tout en préservant les détails fins pertinents des surfaces 3D. Nous avons choisi les paramètres du lissage en calculant la distance moyenne point à point entre la surface bruitée et la surface filtrée sur 28 surfaces polygonales. Nous avons opté pour la valeur des paramètres du filtre bilatéral σ_c=σ_s=3, puisque qualitativement le bruit n'apparait plus sur la surface filtrée et quantitativement la distance moyenne calculée sur 28 surfaces polygonales est petite (0.26±0.33 mm), elle est inférieure à la résolution en profondeur du système InSpeck (1 mm).  Par la suite, nous avons présenté une mesure de calcul de la qualité des triangles d'une façon automatique et rapide. Nous avons sélectionné la valeur du facteur de qualité q=0.3 parce qu'elle permet de supprimer les triangles de mauvaise qualité et en même temps garder un minimum de pourcentage de triangles pour avoir une bonne reconstruction 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques. Nous avons validé cette valeur sur 145 patients en différentes positions (debout ou en flexion). Cette étape prend seulement 3.5 secondes pour les quatre surfaces polygonales, elle est très rapide par rapport à l'étape manuelle de InSpeck qui prend environ 20 minutes. Dans une deuxième étape, les données recueillies par chaque numériseur sont exprimées dans un système de coordonnées propre à chaque caméra. Il est donc nécessaire de recaler toutes les données dans un système de coordonnées commun. Nous avons donc proposé un recalage rigide en utilisant la matrice de recalage calculée par InSpeck, suivi d'un raffinement par l'algorithme de ICP pour corriger les erreurs. Cette étape de recalage est automatique et rapide. Dans une troisième étape, nous proposons une méthode de fusion de géométries basée sur l'équation de Poisson. Cette méthode génère une surface résultante fermée et lisse et le maillage ne contient ni sommets dupliqués ni polygones en intersection. Contrairement au maillage obtenu par le logiciel de InSpeck qui contient des trous dus à des occlusions, des arêtes qui sont connectées à plus de deux faces, des sommets dupliqués et des polygones en intersection. Enfin, la méthode de fusion de textures proposée permet de récupérer la texture des quatre faces et interpoler la texture des triangles qui ont été créés par la méthode de fusion de géométries par une moyenne de toutes les couleurs sur les quatre faces.  Nous avons validé quantitativement la méthode proposée de reconstruction 3D en évaluant trois mesures cliniques (la rotation de la surface du dos (BSR), la déviation du tronc dans le plan frontal et la déviation du tronc dans le plan sagittal) sur 10 patients scoliotiques. Ces mesures montrent bien que la méthode proposée est proche de celle du logiciel EM de InSpeck. L'avantage de la méthode proposée est l'automatisation et la rapidité. Le temps nécessaire pour une reconstruction 3D de la surface externe du tronc avec la méthode proposée est environ une minute au lieu de 21 minutes avec la méthode de InSpeck.  Afin d'intégrer la méthode proposée de reconstruction 3D dans un outil d'évaluation clinique, nous proposons de déterminer les valeurs optimales des paramètres du filtrage et du facteur de la qualité des triangles sur une plus grande cohorte de patients scoliotiques. Une validation clinique plus exhaustive sur la reconstruction 3D proposée doit être aussi effectuée en calculant les trois mesures cliniques (BSR, déviation du tronc dans le plan frontal, déviation du tronc dans le plan sagittal) sur une plus grande cohorte de patients scoliotiques. Finalement, il faut intégrer la méthode proposée de reconstruction 3D dans une interface graphique pour l'utiliser en clinique afin de permettre une évaluation 3D des déformations scoliotiques durant la visite des patients.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis is a complex three-dimensional deformation of the trunk. It is characterized by a deviation of the spine in the three planes. Presently, the diagnosis of adolescent idiopathic scoliosis used at Sainte-Justine hospital is based on the postero-anterior and lateral radiographs. The clinician measures the Cobb angle on radiographs and decides the necessary treatment for patients based on the severity of the Cobb angle. However, the repetitive use of radiographs exposes scoliotic patients to ionizing radiation, which may increase the risk of developing certain cancers. For this reason, clinicians have reduced the frequency of radiographic acquisitions for scoliotic patients to once every six months. However, the cumulative dose of radiation inflicted on the patient during clinical follow-up is nevertheless considerable. Over the last thirty years, several techniques have been used for non invasive evaluation of scoliosis. In this context, the InSpeck system (Creaform Inc., Lévis, Québec) is used in the scoliosis clinic at Sainte-Justine hospital. The precision of the 3D reconstruction of the trunk surface using this system has been evaluated by measuring the mean normal distance between the 3D reconstruction with InSpeck and the set of points digitized with a coordinate measuring machine (CMM). This distance is evaluated at. 1.1±0.9 mm. The 3D reconstructions of the trunk surface of scoliotic patients using the InSpeck EM (Editing and Merging) software are not automatic. They require manual interventions which take considerable time (on average 21 minutes) to reconstruct the trunk surface of a single scoliotic patient. Moreover, these manual interventions result in low reproducibility. The goal of this project is to develop an automatic method for reconstructing in 3D the trunk surface of scoliotic patients to reduce the time required to obtain each 3D trunk model. The advantage of a new, automatic and fast method for 3D reconstruction is to enable the rapid construction of a large database of 3D models of the trunk surface of scoliotic patients in different positions as well as normal (non-scoliotic) cases. This database of different models will allow our team to carry out several statistical studies of normal and scoliotic patients, to calculate clinical indices in order to assess the scoliotic deformities based on the trunk surface shape and to perform clinical follow-up of the deformities of scoliotic patients over several years. We have proposed and validated a method for automatic 3D reconstruction of the trunk surface of scoliotic patients. This method is fast, functional regardless of the position of the patient and independent of the operator. Moreover, the results are completely reproducible. Our 3D reconstruction method consists of three steps: preprocessing of the four noisy polygonal surfaces from the InSpeck digitizers, registration of these polygonal surfaces and merging the geometries and textures. Firstly, to remove the noise from the 3D polygonal surfaces, we have proposed the bilateral filter for its simplicity, speed and ablity to remove noise while preserving 3D surface features. We have validated the smoothing parameters by calculating the average point to point distance between the noisy surface and its filtered couterpart for 28 polygonal surfaces. Thus, we have selected the values of the smoothing parameters σ_c=σ_s=3, since, qualitatively, noise is no longer visible on the filtered surface, while quantitatively the average distance calculated over the 28 polygonal surfaces is small (0.26±0.33 mm), which is less than the depth resolution of the InSpeck system (1 mm). Subsequently, we have introduced a measure to automatically and rapidly compute the quality of triangles. We have selected the value q=0.3 for the quality factor because it eliminates triangles of poor quality while at the same time keeping a minimum percentage of triangles to obtain a good 3D reconstruction of the trunk surface. We have validated this parameter on 145 patients in different positions (standing or lateral bending). This step takes only 3.5 seconds for the four polygonal surfaces: this is very fast compared to the manual process using InSpeck EM which takes about 20 minutes. Secondly, the data captured by each digitizer are expressed in a coordinate system related to each camera. It is therefore necessary to register all the data into a common coordinate system. We have thus proposed a rigid registration technique that uses the initial registration matrices computed with the InSpeck system, followed by a refinement step using the ICP algorithm to correct errors. This registration step is automatic and fast. Thirdly, we have proposed a method for merging the geometries based on the Poisson equation. This method generates a closed and smooth surface and the resulting mesh contains no duplicate vertices or intersecting polygons, unlike the mesh obtained with the InSpeck software which contains holes due to occlusions, edges connected to more than two faces, duplicate vertices and polygon intersections. Finally, our proposed method for merging of textures retrieves the textures of the four faces and, for those triangles that were created by the geometries merge step, interpolates their texture by averaging all the colors on all four faces. We have quantitatively validated the proposed 3D reconstruction method by evaluating three clinical measures (the back surface rotation (BSR), the trunk deviation in the frontal plane and the trunk deviation in the sagittal plane) on 10 scoliotic patients. Comparison of these measurements shows that the proposed method produces trunk models close to those produced with the InSpeck EM software. The principal advantages of the proposed method are automation and speed. Indeed, the time required for a 3D reconstruction of the trunk surface with the proposed method is about one minute instead of 21 minutes with the InSpeck EM method. To integrate the proposed 3D reconstruction method into a clinical assessment tool, we propose to determine the optimal values of the filtering parameters and of the triangles quality factor on a larger cohort of scoliotic patients. A more exhaustive clinical validation of the proposed 3D reconstruction method must also be performed by calculating the three clinical measures (BSR, trunk deviation in the frontal and sagittal planes) on a larger cohort of scoliotic patients. Finally, the proposed method must be integrated into a graphical interface for use in clinical practice in order for the 3D scoliotic trunk deformity to be evaluated during the patient's visit.


identifier: Boudreau, I. (2012). Étude d'un déphaseur large bande en technologie de guide d'ondes intégré au substrat  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'électronique est un domaine en émergence depuis plus de 60 ans. En effet, depuis que le premier transistor a vu le jour un peu avant les années 50, la complexité des circuits n'a cessé d'augmenter. Cependant, il n'y a pas que les circuits intégrés qui se complexifient et évoluent dans ce domaine. Les supports des circuits intégrés, soit les « PCBs » ce qui signifie « Printed Circuits Boards » ou en français « circuits imprimés » sont tout aussi importants lors de la conception d'un système électronique. Ils font bien sûr l'interconnexion entre les circuits intégrés, mais aussi souvent une bonne partie du traitement hyperfréquence (filtres, déphaseurs, antennes). Lorsqu'un grand facteur de qualité est requis, il n'est plus possible d'utiliser des lignes de transmission. Il faut alors utiliser des guides d'ondes. Ces guides sont généralement très performants, mais sont aussi coûteux et difficiles à intégrer. Une nouvelle classe de ces guides, les guides d'ondes intégrés au substrat (ou en anglais « Substrate Integrated Waveguide »), a vu le jour il y a un peu plus de dix ans. Ces derniers ont l'avantage, comme leur nom l'indique, d'être intégrés directement dans le substrat, ou le circuit imprimé. L'utilisation de ceux-ci permet de diminuer les coûts de production et le poids. Du même coup, nous augmentons la densité de composants tout en obtenant un excellent facteur de qualité. Il est alors très intéressant de concevoir le plus de circuits possible en utilisant ce guide d'ondes. Le présent document détaille l'analyse complète d'un nouveau type de déphaseur large bande utilisant la technologie de guides d'ondes intégrés au substrat. La méthode de déphasage proposée consiste à placer une tranche d'un diélectrique au centre de la structure. Ainsi, en comparant avec un guide de même dimension, mais sans cette perturbation, il est possible de mesurer une différence de phase. L'objectif de ce mémoire est de développer les outils nécessaires à l'étude de différentes configurations de déphaseurs. L'objectif final est d'étudier plusieurs formes de tranche afin de trouver celle qui donne les meilleurs résultats en termes de pertes d'insertion et de déphasage.  ABSTRACT: Electronic is an emerging field since the 60's. Indeed, from the day that the first transistor has been manufactured, a little bit before the 50's, the complexity of electronic circuits didn't stop increasing. Nevertheless, there are others fields than integrated circuits that become more complex in this area. The «PCB» or «Printed Circuit Board», the component that supports the ICs, is as important as the integrated circuits during the fabrication process of an electronic system. It interconnects the integrated circuits together but also has to process a great part of the microwave signals (filters, phase shifters, antennas).When a large quality factor is required, it is not possible to use transmission lines. Waveguides have to be used. These guides are usually very efficient but are very expensive and difficult to integrate. A new class of waveguides, the Substrate Integrated Waveguides (SIW), was proposed more than ten years ago. As seen in their name, these guides have the advantage to be integrated directly into the substrate, or into the PCBs.  This technology reduces the production costs and the weight. At the same time, it increases the components density while providing an excellent quality factor. It is then interesting to use a lot of SIW in the integration of microwave systems. This document presents the complete analysis of a new kind of broadband phase shifters designed with the SIW. The proposed method to realize the phase shift consists of a dielectric slab placed in the middle of the structure. Thus, by comparing the phase shift of this waveguide with another having the same dimensions but without this perturbation, a phase difference can be observed. The objective of this project is to develop the required tools to study different phase shifter configurations. The final goal is to study some forms of slot to find the optimal which gives the best results in term of insertion loss and phase shift.To simplify the theoretical analysis, a SIW can be replaced by an equivalent rectangular waveguide.


identifier: Dionne, F.-L. (2012). Conception d'une nouvelle génération de bassin d'élevage permettant la récupération rapide des rejets des poissons  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Il est bien connu que l'aquaculture en eau douce constitue une source de pollution organique importante. Notamment, le phosphore contenu dans les rejets piscicoles contribue à l'eutrophisation des cours d'eau et est donc néfaste pour la vie aquatique. D'ailleurs, le MDDEP estime que près de 65% des cours d'eau en milieu agricole du Québec excèdent la concentration seuil d'eutrophisation de phosphore de 0,03 mg P/L. Avec ces préoccupations en tête, l'industrie piscicole québécoise s'est dotée d'une nouvelle stratégie en 2004 dont l'objectif est de réduire le rejet de phosphore à 4,2 kg de phosphore par tonne de poisson produite d'ici 2014. Les activités piscicoles nécessitent d'importants débits d'eau. En ce sens, ce projet veut mettre à profit cette ressource en optant pour des paramètres de design et d'opération du bassin d'élevage favorisant la récupération des rejets de poissons. Cette quête de paramètres favorables a été effectuée à l'aide du logiciel de mécanique des fluides numérique Fluent. En se basant sur le bassin Gilbert de première génération, situé sur le terrain de la pisciculture Gilbert en Estrie, un nouveau concept a été développé en modifiant la configuration et les paramètres hydrauliques du bassin déjà en place. Des mesures de qualité de l'eau et de l'hydraulique du bassin ont été prises afin de calibrer le modèle. Ces mesures ont permis d'une part d'établir les paramètres d'entrée du modèle et d'autre part d'en valider les résultats. Ainsi, une efficacité de récupération du phosphore, largué par les poissons, mesurée entre 30 et 46% a servi de repère pour valider le modèle simulé du bassin Gilbert de première génération. Les simulations effectuées sur ce concept ont donné des valeurs d'efficacité allant de 36,9 à 48,3%, pour des écoulements correspondant à celui observé sur le terrain. Les paramètres de design et d'opération ont ensuite été modifiés, de manière réaliste, jusqu'à l'obtention d'une efficacité jugée satisfaisante en termes de performance environnementale, c'est-à-dire vis-à-vis l'objectif de rejet de phosphore.  ABSTRACT: It is well know that fresh water aquaculture is an important source of organic pollution. Especially, phosphorus contained in fish farm's discharges contribute to watercourse eutrophication, which is harmful for aquatic life. Thereby, MDDEP estimates that near 65% of watercourses in agricultural area in Quebec are exceeding the threshold concentration of eutrophication of 0.03 mg P/L. With those considerations in mind, Quebec fish farming industry figured out a new strategy in 2004, whose purpose is to reduce the phosphorous discharge to 4.2 kg of phosphorous per produced fish ton by 2014. Fish farming activities require important water inflows. Thus, this project tend to use this resource by opting for fish farm basin design and operation parameters leading to an amelioration of fish discharges removal. The search of favourable parameters has been done using computational fluid dynamics software Fluent. Based on the first generation Gilbert basin, located at Gilbert fish farm in Estrie, a new concept has been developed by modifying the configuration and hydraulic parameters of the existing basin. Water quality and hydraulic measurements have been taken in order to calibrate the model developed in Fluent. Those measurements led to the assessment of starting parameters and were used to validate some of the results. A measured phosphorous removal efficiency between 30 and 46% has been used as a comparison value to validate the simulated first generation Gilbert basin. The simulated values for the removal efficiency ranged from 36.9 to 48.3% for similar flows as those observed on the field. Design and operation parameters were then modified, within realistic ranges, to improve the phosphorous removal efficiency leading to better environmental performance. According to the numerical simulations, a concept with 3 lateral sedimentation traps, a 2.5% bottom slope, a fish-farming zone of 24.4 m by 6.1 m, and a 0.3 m deflector located under the recirculation upstream pipe, has been the most efficient over our range of hydraulic parameters combinations. Efficiency values up to 54% have been obtained for this concept after a first round of simulations.


identifier: Mouret, L. (2012). Analyse des déformations résiduelles dans des pièces composites fortement courbées fabriquées par RTM  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites à matrice polymère thermodurcissable sont de nos jours largement utilisés dans l'industrie aéronautique pour leurs excellentes propriétés mécaniques et leur faible poids. L'introduction de tels matériaux a rendu possible la fabrication de structures de grande taille aux géométries plus ou moins complexes, réduisant ainsi les coûts d'assemblage. Ils remplacent désormais les métaux et alliages dans de nombreuses applications, notamment en ce qui concerne la conception de pièces structurales à haute performance. L'utilisation des composites en remplacement à certains matériaux dépend de la capacité à produire des pièces de qualité et de dimension constante. Cependant, la mise en oeuvre des matériaux composites est plus complexe que celle des métaux et conduit inévitablement à la formation de contraintes résiduelles à l'intérieur des pièces. Dans certains cas, ces contraintes peuvent se manifester par une déformation de la pièce après démoulage, conduisant à de nombreux problèmes à l'assemblage. L'instabilité dimensionnelle constitue donc actuellement l'un des défis majeurs dans l'aéronautique, où des tolérances particulièrement serrées sont requises. Le présent travail se concentre sur le phénomène de retour d'angle qui se développe durant la fabrication de pièces courbes. Les mécanismes affectant ce phénomène sont encore peu compris et les méthodes pour le quantifier restent peu développées. Le niveau des contraintes et des déformations dépend en partie des conditions de mise en oeuvre et donc du procédé utilisé. Ce projet vise en particulier à étudier la déformation de pièces courbes réalisées par RTM. Le procédé RTM représente en effet une alternative moins coûteuse que l'autoclave pour fabriquer des pièces composites à haute performance et de géométrie complexe. De ce fait, ce procédé présente un intérêt croissant pour l'industrie aéronautique et est destiné à se développer davantage dans les années à venir.  ABSTRACT: Thermoset composite materials are nowadays widely used in the aeronautic industry for their excellent mechanical properties and low weight. The introduction of such materials enabled the manufacturing of wide structures with more or less complex geometries, thus reducing the assembly costs. From now on, they replace metallic materials in numerous applications such as high performance structural parts. The use of composite's materials to replace more traditional materials depends upon the ability to fabricate parts of quality and constant dimensions. Yet, the manufacturing of composite materials is more complex than the one of metals and leads inevitably to the formation of residual stresses within the parts. In some cases, these stresses translate into distortions after demolding, leading to assembly issues. Thus, the change in dimensions represents one of the major challenges in the aeronautic field, where tight tolerances are needed. The present work focuses of the spring-in phenomenon which develops during the fabrication of curved parts. There is still a poor understanding of the mechanisms affecting this phenomenon and very few methods have been developed to quantify it. The amount of strains and stresses within the part partly depends on the manufacturing conditions and the process used. This project aims at studying the deformation of curved parts manufactured by RTM. The RTM process represents a cheaper alternative than the autoclave in order to manufacture high performance composite parts with a complex geometry. Hence, this process presents a growing interest for the aircraft industry and is intended to develop more in the years ahead. First, an experimental procedure is developed to manufacture stair- shaped parts of quality with the RTM process. The highly curved geometry of the parts allows comprehending the limits of the process. The issues and difficulties encountered with such a process are described and solutions are suggested. Two resin-reinforcement couples are studied for different curing temperatures and injection pressures.


identifier: Gravel, C. (2012). Modélisation numérique des contraintes in situ pour la conception des tunnels sous pression non blindés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche se veut un travail exploratoire sur l'utilisation de la modélisation numérique en trois dimensions comme outil pour intégrer l'ensemble des résultats de mesures de contraintes par soulèvement hydraulique à la conception de tunnels sous pression non blindés. Ceci est réalisé en utilisant les mesures in situ pour calibrer un modèle numérique représentant la zone où le tunnel sous pression doit être excavé tout en incluant la topographie de surface. Il est montré dans ce travail que même avec un minimum d'informations, un modèle simplifié est très utile et permet non seulement de planifier les mesures de soulèvement hydraulique, mais aussi d'utiliser les résultats au maximum afin d'obtenir des données tout au long du tracé de la galerie sous pression. Une fois créé, le modèle numérique représente aussi un outil intéressant pour analyser de façon préliminaire l'état de contrainte du massif rocheux pour la conception du tunnel et de d'autres structures (répartiteur, centrale souterraine, galeries de fuite). L'ingénieur gagne ainsi à créer un modèle tridimensionnel du massif dès les premières phases du projet.  ABSTRACT: This research project is an exploratory work which focuses on the use of three-dimensional numerical modelling as a tool to improve unlined pressure tunnel design by integrating all the data made available from hydro jacking stress measurements. The results of these tests are used to calibrate a numerical model that includes the topography in the area where the pressure tunnel is to be excavated. In this study, it is shown that even with a limited amount of data, a simplified model can be useful for planning stress measurements as well as to obtain a stress profile along the tunnel axis once the boundary conditions of the model are estimated. This model then becomes a useful tool for preliminary stress analysis of the rock mass for designing the tunnel and other structures of the project such as the underground power plant, the manifold and the tailrace tunnel. Having access to a 3D stress model of the rock mass in the early phases of the project becomes a major advantage. The information acquired from such analyses is very useful and contributes in maximising the benefits of the considerable efforts put in estimating the in situ stress field in the rock mass.


identifier: Miron, P. (2012). Adaptation anisotrope sur des structures lagrangiennes cohérentes en mécanique des fluides  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs méthodes permettent aujourd'hui d'analyser le comportement des écoulements qui régissent le fonctionnement de systèmes rencontrés dans l'industrie (véhicules aériens, marins et terrestres, génération d'énergie, etc.). Pour les écoulements transitoires ou turbulents, les méthodes expérimentales sont utilisées conjointement avec les simulations numériques (simulation directe ou faisant appel à des modèles) an d'extraire le plus d'information possible. Dans les deux cas, les méthodes génèrent des quantités de données importantes qui doivent ensuite être traitées et analysées. Ce projet de recherche vise à améliorer notre capacité d'analyse pour l'étude des écoulements simulés numériquement et les écoulements obtenus à l'aide de méthodes de mesure (par exemple la vélocimétrie par image de particules PIV ). L'absence, jusqu'à aujourd'hui, d'une dénition objective d'une structure tourbillonnaire a conduit à l'utilisation de plusieurs méthodes eulériennes (vorticité, critère Q, Lambda-2, etc.), souvent inadaptées, pour extraire les structures cohérentes des écoulements. L'exposant de Lyapunov, calculé sur un temps ni (appelé le FTLE), s'est révélé comme une alternative lagrangienne ecace à ces méthodes classiques. Cependant, la méthodologie de calcul actuelle du FTLE exige l'évaluation numérique d'un grand nombre de trajectoires sur une grille cartésienne qui est superposée aux champs de vitesse simulés ou mesurés. Le nombre de n÷uds nécessaire pour représenter un champ FTLE d'un écoulement 3D instationnaire atteint facilement plusieurs millions, ce qui nécessite des ressources informatiques importantes pour une analyse adéquate. Dans ce projet, nous visons à améliorer l'ecacité du calcul du champ FTLE en proposant une méthode alternative au calcul classique des composantes du tenseur de déformation de Cauchy-Green. Un ensemble d'équations diérentielles ordinaires (EDOs) est utilisé pour calculer simultanément les trajectoires des particules et les dérivées premi ères et secondes du champ de déplacement, ce qui se traduit par une amélioration de la précision nodale des composantes du tenseur. Les dérivées premières sont utilisées pour le calcul de l'exposant de Lyapunov et les dérivées secondes pour l'estimation de l'erreur d'interpolation. Les matrices hessiennes du champ de déplacement (deux matrices en 2D et trois matrices en 3D) nous permettent de construire une métrique optimale multi-échelle et de générer un maillage anisotrope non structuré de façon à distribuer ef- cacement les n÷uds et à minimiser l'erreur d'interpolation.  ABSTRACT: Several methods can help us to analyse the behavior of ows that govern the operation of uid ow systems encountered in the industry (aerospace, marine and terrestrial transportation, power generation, etc..). For transient or turbulent ows, experimental methods are used in conjunction with numerical simulations ( direct simulation or based on models) to extract as much information as possible. In both cases, these methods generate massive amounts of data which must then be processed and analyzed. This research project aims to improve the post-processing algorithms to facilitate the study of numerically simulated ows and those obtained using measurement techniques ( e.g. particle image velocimetry PIV ). The absence, even until today, of an objective denition of a vortex has led to the use of several Eulerian methods (vorticity, the Q and the Lambda-2 criteria, etc..), often unsuitable to extract the ow characteristics. The Lyapunov exponent, calculated on a nite time (the so-called FTLE), is an eective Lagrangian alternative to these standard methods. However, the computation methodology currently used to obtain the FTLE requires numerical evaluation of a large number of uid particle trajectories on a Cartesian grid that is superimposed on the simulated or measured velocity elds. The number of nodes required to visualize a FTLE eld of an unsteady 3D ow can easily reach several millions, which requires signicant computing resources for an adequate analysis. In this project, we aim to improve the computational eciency of the FTLE eld by providing an alternative to the conventional calculation of the components of the Cauchy-Green deformation tensor. A set of ordinary dierential equations (ODEs) is used to calculate the particle trajectories and simultaneously the rst and the second derivatives of the displacement eld, resulting in a highly improved accuracy of nodal tensor components. The rst derivatives are used to calculate the Lyapunov exponent and the second derivatives to estimate the interpolation error. Hessian matrices of the displacement eld (two matrices in 2D and three matrices in 3D) allow us to build a multi-scale optimal metric and generate an unstructured anisotropic mesh to eciently distribute nodes and to minimize the interpolation error. The exibility of anisotropic meshes allows to add and align nodes near the structures of the ow and to remove those in areas of low interest. The mesh adaptation is based on the intersection of the Hessian matrices of the displacement eld and not on the FTLE eld.


identifier: Armatys, M. (2012). Modification des classifications géomécaniques pour les massifs rocheux schisteux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La masse rocheuse schisteuse se caractérise par un comportement anisotrope influençant la stabilité des excavations souterraines à l'égard de l'orientation des plans de faiblesse (e.g.foliation). Pour tenir compte du comportement anisotrope, la classification géomécanique du "Rock Mass Rating" (RMR) présente un ajustement en guise de facteur correctif. Toutefois, l'application de celle-ci n'est pas objectivement validée pour le domaine minier, en particulier pour les conditions de terrain schisteux. La cote ajustée ne tient pas compte de toutes les composantes du comportement anisotrope permettant de prédire le niveau de convergence des excavations en roche dure schisteuse quand celles-ci sont orientées parallèlement (convergence maximale) ou perpendiculairement (convergence minimale) par rapport à la foliation. L'objectif du projet de maîtrise vise à améliorer la classification RMR76 existante (version 1976) pour inclure la présence et l'orientation des plans de faiblesse (i.e. anisotropie) tout en tenant compte des conditions influençant la convergence. Le degré d'anisotropie est intégré dans la classification par des courbes anisotropes spécifiques produites en laboratoire. En collaboration avec le Projet Westwood (Québec), une campagne d'échantillonnage de roches foliées est effectuée dans deux zones géologiques schisteuses afin de réaliser des essais mécaniques en laboratoire selon des orientations variables. En supplément, des rétro-analyses ont été réalisées pour des galeries disponibles dans les unités les plus schisteuses. Appelé le RMRanisotrope, la classification proposée est développée à partir de ces résultats, celle-ci est basée sur le produit de trois paramètres clés : (i) la cote de base du massif isotrope (RMR'isotrope); (ii) le facteur d'anisotropie (anisotrope); et (iii) le facteur de correction pour l'espacement du schiste (Dschiste). Les cotes résultantes du RMRanisotrope se sont montrées sensibles à la variation due à l'anisotropie induite par les plans de faiblesse. Des données de terrain supplémentaires ont permis de calibrer la réduction du système pour estimer le niveau de convergence selon la Classification du Comportement Convergent (CCC). Les modifications apportées au RMR76 permettront de mieux prédire la stabilité des futures excavations du domaine minier pour des directions défavorables (parallèle à la foliation) et assureront une meilleure sécurité des travailleurs.  ABSTRACT: Schist rock masses are characterized by anisotropic behaviour that strongly influences the stability of underground excavations depending on the relative orientations of the planes of weakness (e.g. foliation). To account for this anisotropic behaviour, the Rock Mass Rating (RMR) includes a correction factor for anisotropy. However, its use has not been objectively validated for mining applications, particularly for schist rock formations. Consequently, the adjusted rating does not account for all the elements of the anisotropic behaviour therefore could not predict the levels of squeezing on excavations when observed at parallel (convergence is maximal) or perpendicular (convergence is minimal) with respect to the foliation. This thesis aims to improve the existi g RMR76 (version 1976) classification to include the planes of weakness and its orientation in the rock mass while accounting for ground squeezing conditions. The determination of the anisotropy curve is required for each rock type with laboratory testing and is then integrated into the classification. In collaboration with the Westwood Project (located in Québec), a number of rocks with anisotropic behaviour were collected in two highly schistose geological areas, at variable orientations, for mechanical laboratory testing. In addition, retroanalyse for selected orientations were performed for the areas. The new developed classification, entitled RMRanisotrope, is based on the product of three key parameters: (i) the isotropic rock mass base value (RMR'isotrope); (ii) the anisotropic reduction factor (anisotropic); and (iii) the correction for schist spacing (Dschiste). Its application was validated for both schistose units. The results from the new classification were sensitive to the variation of the anisotropy induced by the planes of weakness. With acquired field data, the reduction of the system allowed for proper calibration in order to estimate the level of squeezing behaviour by the Classification of the Convergent Behaviour (CCB). The changes proposed to the RMR76 will help better predict the stability of mining excavations when the plane of weakness are oriented unfavourably and subsequently will improve the working safety of staff members.


identifier: De la Poix de Fréminville, P. (2012). Partitionnement d'une zone géographique en territoires homogènes et contigus  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de régionalisation ou de "districting" consiste à diviser une zone géographique en un nombre prédéfini de sous-zones contigües tout en minimisant un critère de partitionnement  fonction de données non géographiques. Le problème de régionalisation peut être vu comme un processus de regroupement d'unités élémentaires, les unités géographiques (UG), en groupes appelés territoires qui, une fois assemblés, reconstituent la carte ou la configuration donnée. Ce problème a surtout été  étudié dans le cadre du découpage électoral. Le problème qui nous intéresse consiste à grouper les UG selon une valeur associée à chacune d'elle en des territoires homogènes respectant un poids minimum. Pour cela nous utilisons comme critère d'agrégation la variance intra-territoire qui est la somme pondérée de la variance de chaque territoire en solution. La variance d'un territoire est la variance de la valeur associée à chaque UG lui appartenant, et la pondération d'un territoire dans l'objectif est la somme des poids de chaque UG qui lui est associé. Ce problème est difficile à résoudre et une technique d'énumération de tous les territoires n'est donc pas envisageable pour de grandes instances. La difficulté par rapport à quelques travaux déjà réalisés est la présence simultanée d'une fonction objectif quadratique et d'une contrainte de contiguïté, ainsi que la taille des instances (500 UG). Ce travail présente une méthode heuristique de génération de colonnes couplée avec une méthode de branchement pour résoudre un tel problème de partitionnement avec contrainte de contiguïté.  Dans la méthode de génération de colonnes, le sous-problème génère de nouveaux territoires et il est résolu par un algorithme heuristique de type glouton avec plusieurs points de départ. La méthode de branchement est aussi heuristique car les décisions prises sont fixées de façon permanente, i.e., aucun retour en arrière n'est permis dans l'arbre de branchement. A notre connaissance une telle méthode de résolution avec des instances de l'ordre de 500 UG n'a pas encore été appliquée. Cette méthode a été développée dans un contexte industriel et permet d'obtenir des solutions réalisables de bonne qualité sur les instances testées dans des temps relativement courts (15 min. à 40 min.). Abstract: The regionalization or districting problem consists of dividing a geographical area into a predefined number of contiguous territories, while optimizing a clustering criterion. The regionalization problem can be seen as a process of aggregating elementary geographical units (GU) into clusters called territories, that combined, cover the entire map or given configuration. The most studied variant of this problem is the electoral districting problem. The variant of the regionalization problem studied here, referred to as the PPHCT, consists of aggregating the GU according to their value into homogeneous and contiguous territories, satisfying a minimum weight constraint. For this matter, an aggregation criterion, namely the within-territory variance, is used, which is the weighted sum of the variance of each territory in the solution. The variance of a territory is the variance of the value assigned to each GU in that territory, and the weight of a territory is the sum of the weights of each GU in that territory.  ABSTRACT: The PPHCT is difficult to solve optimally and an enumeration of all the feasible territories cannot be applied for large instances. The main difficulty of this variant, in comparison to other variants previously studied, is the simultaneous presence of a contiguity constraint and a quadratic objective function, together with large instances (500 GU). The purpose of this paper is to present a heuristic column-generation model and branch-and-bound algorithm designed to solve the PPHCT. In the column-generation method, the sub-problem generates new feasible territories and is solved by a greedy multi-start algorithm. The branching method is also heuristic, as branching decisions are taken permanently, that is, no back -tracking is possible in the branching tree. This solution method was developed in an industrial context and is able to produce good quality feasible solutions on the tested data, in relatively short computing times (15 min. to 40 min.).


identifier: Mansoornejad, B. (2012). Design for Flexibility in the Forest Biorefinery Supply Chain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le climat d'affaires de industrie papetière nord américaine et européenne change présentement. La baisse de la demande, la volatilité des prix, l'augmentation de la compétition pour l'accès aux matières premières et le contrôle du marché, ainsi que des couts énergétiques passablement élevés poussent les entreprises forestières à rechercher de nouveaux modèles d'affaires afin d'être plus compétitives sur le long terme. Une des alternatives pour ces entreprises est de se tourner vers le secteur émergent de la bioéconomie et du bioraffinage. Possédant déjà un système d'utilité, un réseau d'approvisionnement de matières premières, un réseau de distribution de produits ainsi qu'un savoir-faire technique ouvrant la porte à de nombreuses possibilités d'intégration massique et énergétique, l'industrie forestière possède plusieurs avantages compétitifs pouvant améliorer la performance économique de l'implantation du bioraffinage. Plusieurs stratégies différentes peuvent être adoptées pour implanter des activités de bioraffinage au sein d'une entreprise. Par contre, en raison des risques technologiques et des risques de marché associés aux nouveaux procédés et produits, et le manque en capital des entreprises forestières, l'implantation du bioraffinage devrait être effectuée par phase. Des outils d'analyse appropriés sont toutefois requis afin d'identifier les stratégies possibles et les phases d'implantation. Puisque la chaine logistique (SC) d'une entreprise est critique pour la compétitivité à long terme des bioraffineries, un outil d'analyse de la SC peut donc jouer un rôle clé pour une transformation d'entreprise réussie. Une analyse de la SC calcule le bénéfice pour l'ensemble de la chaine logistique et prend en compte les différents contributeurs de couts qui sont typiquement ignorés dans les analyses économiques, tel que les couts d'inventaire, de transition, etc. Elle peut aussi être utilisée pour prendre en considération la volatilité du marché, et détermine comment la flexibilité inhérente d'un système de production peut être exploitée pour atténuer les risques et maximiser le profit. À cet effet, une analyse de la SC peut aussi être utilisée pour cibler le niveau de flexibilité souhaité d'un système afin d'atténuer les risques de volatilité du marché. De plus, cette analyse offre une meilleure compréhension des couts et de la rentabilité d'une stratégie d'implantation donnée. Ainsi, une analyse de la SC peut être utilisée à deux fins différentes : v • Pour la prise de décision au niveau de conception, et plus précisément, pour cibler le niveau de flexibilité d'un procédé de fabrication, • Pour comparer différentes stratégies pouvant être poursuivies par une entreprise, en évaluant leur performance selon différentes conditions de marché. L'objectif de cette recherche est d'illustrer une telle méthodologie de conception, soit une méthodologie qui cible un niveau de flexibilité manufacturière préférable à avoir, qui aide à concevoir le réseau de la SC, et qui permet d'évaluer différentes stratégies de bioraffinage pour transformer une entreprise forestière. Cette méthodologie est démontrée en utilisant une étude de cas qui inclut deux options de produits/procédé, dont des procédés thermochimiques et biochimiques, et plusieurs stratégies d'implantation à implanter au fil du temps. Le point d'ancrage de cette méthodologie est basé sur les principes de gestion de la chaine logistique centrée sur les marges. Plutôt que d'appliquer une approche traditionnelle centrée sur la production, où la gestion de la capacité des équipements et la minimisation des couts de production prime, une approche centrée sur les marges vise plutôt à maximiser le profit. Pour ce faire, tous les couts encourus au long de la SC doivent être considérés de façon intégrée. De même, le potentiel de flexibilité au sein de la SC, particulièrement au niveau de la production, doit être exploité pour maximiser le profit. Une formulation mathématique d'optimisation est développée pour représenter une telle mentalité. Selon cette dernière, une méthodologie de conception est proposée afin d'aider le processus de prise de décision stratégique reliée au design de la chaine logistique du bioraffinage. Cette méthodologie est alimentée par d'autres méthodologies qui identifient un ensemble d'options de procédés/produits prometteurs. Elle comprend quatre étapes principales : 1. La définition des alternatives de procédés représentant différents potentiels de flexibilité, 2. La définition d'options de réseau de SC, en tenant compte des caractéristiques des alternatives de procédés, de même que les politiques, les forces et les faiblesses de l'entreprise étudiant ces alternatives procédés/produits, 3. Le ciblage d'un degré de flexibilité manufacturière et d'un réseau de SC associé, 4. L'analyse de stratégies d'implantation des alternatives procédés/produits retenues vi Un ensemble d'indicateurs de performance représentant la rentabilité de la SC, la robustesse et la flexibilité des différentes options de bioraffinage est utilisé pour évaluer la performance de stratégies de bioraffinage selon différents scénarios de marchés. Les résultats montrent que lorsque la flexibilité d'un système est améliorée, le profit augmente. Cependant, cela ne mène pas nécessairement à une amélioration de la rentabilité. Pour que la rentabilité d'un système flexible augmente, les investissements supplémentaires déboursés pour augmenter le degré de flexibilité doivent être compensés par une amélioration au niveau des profits. Ainsi, pour certains cas, la rentabilité augmente avec la flexibilité du procédé, et dans certains cas non. De plus, la robustesse d'une option est directement liée à sa flexibilité. Plus le degré de flexibilité augmente, plus le système devient robuste envers la volatilité du marché. De même, les résultats montrent l'importance de l'analyse de la SC lors de la prise de décision reliée à la conception. Ils illustrent le fait qu'un changement dans le degré de flexibilité manufacturière d'un procédé affecte directement les opportunités de l'entreprise. Ainsi, des stratégies de marché et des degrés de flexibilité différents impliquent une configuration de réseau de SC et une stratégie de gestion spécifiques. Il devrait donc y avoir une intégration entre la conception de procédés et la conception du réseau de la SC. Il est aussi montré que les produits chimiques à valeur ajoutée sont prometteurs pour le succès futur du bioraffinage. Les options de procédés fabriquant ces derniers obtiennent une rentabilité en termes de taux de retour interne considérablement plus élevée que les options fabriquant des produits de commodités.  ABSTRACT: The pulp and paper industry business environment in North-America and Europe is changing. Declining and volatile product price and demand, increased competition for feedstock and market share, growing competition from global low-cost producers and considerably high energy cost are driving companies to seek alternative business models to be competitive over the longer term. One alternative is to enter the bio-energy and biorefinery sectors that have been emerging in recent years. Having the required utility systems in place and the engineering know-how, existing feedstock supply chain networks and product delivery systems as well as the potential for mass and/or energy integration between existing processes and new processes imply competitive advantages for the forestry companies to improve their economic performance via implementing biorefinery. Many different strategies can be pursued for implementing the biorefinery. Due to a lack of capital for implementing such strategies, technological risks and product market immaturities, the implementation should be executed in a phase-wise manner. Proper analysis tools are required to identify feasible strategies and their implementation phases. The design and management of supply chain (SC) is critical for the long-term competitive advantage of companies who would like to implement the biorefinery. In this regard, SC analysis can be used to evaluate the potential SC performance of different biorefinery strategies. It calculates the profit across the entire SC and accounts for cost contributors that are typically ignored in economic analyses, e.g. inventory cost, changeover cost, etc. It can also be used to take into consideration market volatility, and determine how the flexibility of the manufacturing system can be exploited to mitigate market risks in order to maximize profit. In this way, SC analysis can be used to target the desired level of flexibility of a manufacturing system needed to mitigate the impact of market price volatility. Moreover, these capabilities provide better insight into the costs and profit incurred by an implemented strategy. Thus, an SC analysis can be used for two different purposes: • For making design decisions, and more specifically, for targeting the level of flexibility of a system and designing the SC network configuration • For comparing several strategies by evaluating their performance for different market conditions viii The objective of this thesis is to develop a design methodology for targeting the required level of flexibility, designing the SC network configuration, and evaluating different FBR strategies for transforming a forest company. The methodology is demonstrated using a case study that involves two product/process options, including thermochemical and biochemical processes, with several implementation strategies, implemented over the years. The pivot of this methodology is the margins-based thinking used as an operating policy. It is discussed that, instead of applying the traditional manufacturing-centric approach in production which focuses on capacity management and tries to minimize the costs, the margins-based policy must be implemented, which has the following specifications: • It maximizes the profit instead of minimizing costs • It considers all costs incurred by SC activities in an integrated manner and doesn't only focus on production cost • It exploits the potential for flexibility in the SC, especially in production, to maximize profit A SC optimization formulation is developed to represent such thinking. Using this formulation, a design methodology is proposed for making strategic decisions related to biorefinery SC design. This methodology is fed by separate methodologies which identify the most promising set of product to produce and technologies to employ. Given that, the methodology involves four major steps: • Defining process alternatives representing different potentials for flexibility • Defining SC network alternatives based on the defined process alternatives as well as the policies, advantages and restrictions of the company • Targeting the level of flexibility of processes and determining its associated SC network • Analyzing different implementation strategies for the proposed product/processes with their targeted level of flexibility and defined SC network A set of performance metrics that represents SC profitability, robustness and flexibility is used to evaluate the performance of biorefinery strategies for several market scenarios. The results show that when the flexibility of a system is enhanced, its profit increases. But this does not necessarily end in profitability improvement. For the profitability of a flexible system to ix improve, the extra capital cost paid for increasing the level of flexibility must be compensated by the profit improvement. Thus, for some cases profitability increases with flexibility and for some cases it does not. Moreover, robustness has a direct relationship with flexibility. As flexibility increases, the system becomes more robust against market volatility. The results reveal the importance of SC analysis in making design decisions. They illustrate that changes in the level of flexibility will directly affect the company's opportunities and strategies in the market, and thus, each level of flexibility implies a specific SC network configuration and management strategy. Therefore, there must be integration between process design and SC network design. It is also shown that added-value chemicals are promising for the long-term success of biorefineries. Their profitability, in terms of internal rate of return (IRR), is considerably higher than that of commodities.