De Statisticien à Data Scientist: Développements pédagogiques à l'INSA de Toulouse

International audienceAccording to a recent report from the European Commission, the world generates every minute 1.7 million of billions of data bytes, the equivalent of 360,000 DVDs, and companies that build their decision-making processes by exploiting these data increase their productivity. The treatment and valorization of massive data has consequences on the employment of graduate students in statistics. Which additional skills do students trained in statistics need to acquire to become data scientists ? How to evolve training so that future graduates can adapt to rapid changes in this area, without neglecting traditional jobs and the fundamental and lasting foundation for the training? After considering the notion of big data and questioning the emergence of a "new" science: Data Science, we present the current developments in the training of engineers in Mathematical and Modeling at INSA Toulouse.Selon un rapport récent de la commission européenne, le monde génère chaque minute 1,7 millions de milliards d'octets de données, soit l'équivalent de 360 000 DVD, et les entreprises qui bâtissent leur processus décisionnels en exploitant ces données accroissent leur productivité. Le traitement et la valorisation de données massives a des conséquence en matière d'emploi pour les diplômés des filières statistiques. Quelles compétences nouvelles les étudiants formés en statistique doivent-ils acquérir devenir des scientifiques des données ? Comment faire évoluer les formations pour permettre aux futurs diplômés de s'adapter aux évolutions rapides dans ce domaine, sans pour autant négliger les métiers traditionnels et le socle fondamental et pérenne de la formation? Après nous être interrogés sur la notion de données massives et l'émergence d'une "nouvelle" science : la science des données, nous présenterons les évolutions en cours dans la formation d'ingénieurs en Génie Mathématique et Modélisation à l'INSA de Toulouse

Modélisation et reconnaissance active d'objets 3D de forme libre par vision en robotique

Cette thèse concerne la robotique au service de l’Homme. Un robot compagnon de l’Homme devra manipuler des objets 3D courants (bouteille, verre…), reconnus et localisés à partir de données acquises depuis des capteurs embarqués sur le robot. Nous exploitons la Vision, monoculaire ou stéréo. Pour traiter de la manipulation à partir de données visuelles, il faut au préalable construire deux représentations pour chaque objet : un modèle géométrique 3D, indispensable pour contrôler la saisie, et un modèle d’apparence visuelle, nécessaire pour la reconnaissance. Cette thèse traite donc de l’apprentissage de ces représentations, puis propose une approche active de reconnaissance d’objets depuis des images acquises par les caméras embarquées. La modélisation est traitée sur un objet 3D isolé posé sur une table, ; nous exploitons des données 3D acquises depuis un capteur stéréo monté sur un bras manipulateur; le capteur est déplacé par le bras autour de l’objet pour acquérir N images, exploitées pour construire un modèle de type maillage triangulaire. Nous proposons d’abord une approche originale de recalage des vues partielles de l’objet, fondée sur des informations de pseudo-couleur générées à partir des points 3D acquis sur l’objet à apprendre ; puis une méthode simple et rapide, fondée sur la paramétrisation sphérique, est proposée pour construire un maillage triangulaire à partir des vues recalées fusionnées dans un nuage de points 3D. Pour la reconnaissance active, nous exploitons une simple caméra. L’apprentissage du modèle d’apparence pour chaque objet, se fait aussi en déplaçant ce capteur autour de l’objet isolé posé sur une table. Ce modèle est donc fait de plusieurs vues ; dans chacune, (1) la silhouette de l’objet est extraite par un contour actif, puis (2) plusieurs descripteurs sont extraits, globaux (couleur, signature de la silhouette, shape context calculés) ou locaux (points d’intérêt, couleur ou shape context dans des régions). Pendant la reconnaissance, la scène peut contenir un objet isolé, ou plusieurs en vrac, avec éventuellement des objets non appris ; nous proposons une approche active, approche incrémentale qui met à jour un ensemble de probabilités P(Obji), i=1 à N+1 si N objets ont été appris ; les objets inconnus sont affectés à la classe N+1 ; P(Obji) donne la probabilité qu’un objet de la classe i soit présent dans la scène. A chaque étape la meilleure position du capteur est sélectionnée en exploitant la maximisation de l’information mutuelle. De nombreux résultats en images de synthèse ou en images réelles ont permis de valider cette approche. ABSTRACT : This document concerns service robotics for human assistance. A companion robot will have to manipulate everyday 3D objects (bottles, glasses…), recognized and localized from data acquired with sensors embedded on the robot, here using monocular or stereo vision. For vision-based object manipulation, it is necessary first to learn two representations for every object; a 3D geometrical model, mandatory to control the grasping task, and an appearance-based model, required for the visual recognition. This thesis deals first with the construction of these representations, and then proposes an active method for object recognition from images acquired from embedded cameras. The modeling is performed on a 3D object set alone on a table; 3D data are acquired from a stereo rig mounted on a manipulator; the sensor is moved by the arm around the object in order to acquire N images, from which a triangular mesh is built. It is proposed first an original approach for the registration of partial views, approach based on a pseudo-color created from the 3D points acquired on the object surface. Then an efficient method, based on a spherical parametrization, is proposed to make simpler the construction of a triangular mesh from the registered views aggregated in a 3D points cloud. The active recognition method is based on a single camera. The learning of the appearance-based model is also built, moving the camera around every object set alone on a table. This model is made of several views: for everyone, (1) the object silhouette is first extracted using a snake, (2) then, several descriptors are computed, either global (color, silhouette signature, shape context computed on all the object region) or local ones (interest points, color or shape contexts in discretized regions). The recognition process analyzes a scene with a single object, or with several ones set without order, including unknown objects. An incremental active method allows to update a probability vector P(Obji), i=1, N+1 if N objects have been learnt; the unknown objects are assigned to the class N+1; P(Obji) gives the probability that an object from the class i is in the scene. After every step, the best view point is selected for the next sensor position, using the maximization of the mutual information. The method has been validated from numerous results from synthetic or true image

Humanités numériques et modélisation scientifique

Les projets dans les humanités numériques sont-ils de nature scientifique ? Une vision dite pragmatique et cognitive de la science montre que les théories scientifiques sont avant tout des modèles de différents types qui, ensemble, contribuent à l’avancement du savoir. Implicitement ou explicitement, les humanités numériques utilisent des modèles formels, matériels, conceptuels qui leur permettent de se positionner comme démarche scientifique, mais qui, aussi, limitent et contraignent leur méthode et leur champ d’application dans le domaine des humanités. En ce sens, les humanités numériques créent une passerelle originale entre les sciences et l’herméneutique.Can digital humanities build scientific theories? The pragmatic and cognitive conception of science allows us to see scientific theories as sets of various types of models. It is by working together that the models contribute to the advancement of knowledge. Implicitly or explicitly, digital humanities also use models that allow them to position themselves as a scientific inquiry. But this also limits and constrains their method and application in the field of the humanities. In this sense, digital humanities create an original bridge between science and hermeneutics

Humanités numériques et modélisation scientifique

Les projets dans les humanités numériques sont-ils de nature scientifique ? Une vision dite pragmatique et cognitive de la science montre que les théories scientifiques sont avant tout des modèles de différents types qui, ensemble, contribuent à l’avancement du savoir. Implicitement ou explicitement, les humanités numériques utilisent des modèles formels, matériels, conceptuels qui leur permettent de se positionner comme démarche scientifique, mais qui, aussi, limitent et contraignent leur méthode et leur champ d’application dans le domaine des humanités. En ce sens, les humanités numériques créent une passerelle originale entre les sciences et l’herméneutique.Can digital humanities build scientific theories? The pragmatic and cognitive conception of science allows us to see scientific theories as sets of various types of models. It is by working together that the models contribute to the advancement of knowledge. Implicitly or explicitly, digital humanities also use models that allow them to position themselves as a scientific inquiry. But this also limits and constrains their method and application in the field of the humanities. In this sense, digital humanities create an original bridge between science and hermeneutics

Capture de mouvement par fusion de poses multivues pour une réadaptation en environnement virtuel

Plusieurs recherches ont démontré les avantages de la réadaptation physique assistée par la robotique ainsi que la réadaptation en environnement virtuel. Les exercices de réadaptation sont fréquemment effectués sur un système coûteux de capture de mouvement basé sur le suivi de marqueurs fixés sur le patient. L'utilisation de ce type de système nécessite du temps et l'expertise d'un clinicien. Le projet que nous proposons a pour but de supporter de tels exercices de réadaptation en plus de pallier aux problèmes des systèmes de capture de mouvement conventionnels très coûteux. Le système développé comprend un mécanisme à câbles intégré en environnement virtuel procurant un retour haptique et visuel au patient. L'estimation de la pose humaine sans marqueur est effectuée en temps réel pour permettre l'analyse du mouvement, l'affichage de l'avatar du patient ainsi que son interaction avec l'environnement virtuel. Le système de vision fait usage de capteurs 3D peu coûteux afin d'offrir un dispositif abordable pour la plupart des cliniques de réadaptation. Un tel système permet une reconfigurabilité importante afin d'optimiser les exercices de réadaptation aux besoins du patient. Ce mémoire couvre les étapes du développement du système, notamment l'approche de fusion de pose selon des points de vue multiples basée sur le filtrage particulaire. L'analyse des résultats présentés est prometteuse à différents niveaux sachant que le système est aussi très flexible et adaptable à différents contextes autres que la réadaptation, comme le milieu du divertissement.Several works have shown the benefits of robotic assisted physical rehabilitation as well as rehabilitation in a virtual environment. Rehabilitation exercises are often performed using an expensive motion capture system based on markers attached to the patient. The use of this type of system requires time and expertise from a clinician. The project we are introducing aims to support such rehabilitation exercises in addition to avoid some of the problems of an expensive conventional motion capture systems. The developed system includes a cable mechanism integrated into a virtual environment providing haptic and visual feedback to the patient. The estimation of the human pose without marker is carried out in real-time to allow the analysis of the movement, the display of the patient avatar as well as its interaction with the virtual environment. The vision system exploit inexpensive 3D sensors to provide an affordable device for most rehabilitation clinics. That system allows enough reconfigurability to optimize the rehabilitation exercises to the needs of the patient. This thesis covers the stages of the system development, including the fusion approach based on multiple views based on particle filtering. The analysis of the results presented is promising, knowing that the system is also very flexible and adaptable to different contexts other than rehabilitation, such as the entertainment industry

Génération automatique d'environnements virtuels urbains complexes

L'essor des technologies numériques constitue pour les entreprises de la construction, bâtiment et Travaux Publics (BTP), un enjeu majeur. La maquette numérique, par exemple, procure à tous les acteurs d'un chantier une visibilité en temps réel des différents aspects mis en jeux. Dans de nombreux domaines, il est donc nécessaire de modéliser en 3D des immeubles, des bâtiments industriels, des ensembles immobiliers, des villes ... Le BIM (Building Information Modeling, ou building information model, en français modélisation des données du bâtiment) est un ensemble de technologies et de processus d'intégration, de production, de gestion et de visualisation de données des modèles de construction du BTP. Plusieurs voies existent pour éviter aux concepteurs en architecture, aux urbanistes ou aux graphistes de fastidieuses opérations manuelles pour la création de ces environnements, des techniques de génération automatique ont été développées en complément (ou en substitution) des logiciels de modélisation et de conception assistée par ordinateur (CAO) qu'ils utilisent pour créer ces environnement virtuels. De nombreux systèmes procèdent à la génération de ces environnements 3D à partir du monde réel : les scanners 3D ou les prises de vue stéréoscopiques permettent en effet de reconstruire des objets, des bâtiments et des environnements 3D à partit des données géométriques et photométriques acquises. Dans un autre approche, les techniques de modélisation procédurales permettent de générer automatiquement des environnements 3D complexes en utilisant des déclarations de propriétés ou de contraintes issues de règles métier et des techniques issues de la Vie Artificielle. Les données issues de ces systèmes d'acquisition ou de génération peuvent être enregistrés et gérées dans les systèmes d'informations géographiques et les logiciels de cartographie ou dans une suite logicielle BIM. Les données de ces applications informatiques et les métadonnées associées qu'ils contiennent sont également exploitables pour générer ou modifier les environnements 3D. Parmi toutes les méthodes procédurales qui ont été utilisées pour aborder la question, les grammaires de formes sont particulièrement efficaces face au problème d'encodage des connaissances sur les formes et leur reproduction. Le but de la thèse est de générer des environnements urbains en 3D incluant des données issues de l'existant et de nouveaux édifices à travers l'utilisation des grammaires de formes. En partant d'une interface graphique, de données géographiques et de descripteurs, le but est de générer les règles encodant les informations d'apparence des bâtiments de manière semi-automatique. A l'issue de ce processus, un fichier BIM de ces bâtiments au format standard IFC pourra être généré.The development of digital technologies is a major challenge for construction, construction and public works (BTP) companies. The digital model, for example, gives all the actors of a construction site a real-time visibility of the different aspects involved. In many areas, it is therefore necessary to model in 3D buildings, industrial buildings, buildings, cities ... The BIM (building information modeling, or building information model) is a set Technologies and processes for the integration, production, management and visualization of data from construction models of construction. Several avenues exist to prevent architectural designers, town planners or graphic designers to do the tedious manual operations of creating these environments, automatic generation techniques have been developed in addition (or in substitution) to software for modeling and Computer Assisted Design (CAD) they use to create these virtual environments. Many systems generate these 3D environments from the real world: 3D scanners or stereoscopic shots allow reconstructing 3D objects, buildings and environments from acquired geometric and photometric data. In another approach, procedural modeling techniques can automatically generate complex 3D environments using property declarations or constraints derived from rules and techniques derived from Artificial Life. Data from these acquisition or generation systems can be stored and managed in geographic information systems and mapping software or in a BIM software suite. The data of these computer applications and the associated metadata they contain can also be used to generate or modify 3D environments. Among all the procedural methods that have been used to address the issue, shape grammars are particularly effective when it comes to dealing with the problem of encoding knowledge about patterns and their reproduction. The aim of the thesis is to generate 3D urban environments using data from existing and new buildings through the use of shape grammars. Starting from a graphical interface, geographic data and eventually descriptors, the goal of the thesis is to semi-automatically generate the ruleset encoding the appearance information of these buildings. At the end of this process, a BIM file of these buildings in the IFC standard format can be generated

Auto-adaptativité et topologie dans les cartes de Kohonen

Nous modifions l’algorithme non supervisé de Kohonen sur la base de considérations biologiques, dans le double intérêt d’améliorer ses performances de modélisation et d’enrichir sa valeur de modèle théorique d’auto-organisation neuronale. À chaque étape de nos recherches sur l’auto-adaptativité et la topologie des cartes de Kohonen, nous intégrons nos conclusions à un algorithme opérationnel : version normée, multirythmique et auto-instruite. Deux nouvelles fonctions sont introduites : l’Attractivité locale AintL inspirée du « Growing Neural Gas network »(GNG) et la Connaissance Cint, qui permettent de réduire l’erreur de modélisation jusqu’à 80% de l’erreur standard. L’extension du cadre classique d’étude de la topologie petit-monde, récemment décou- verte dans quantité de réseaux, à la théorie de l’information, nous permet par ailleurs de mettre en lumière le lien temporel entre structure (topologie) et fonction (apprentissage et connaissance) du système de neurones.Using biological understanding we have modified the unsupervised Kohonen algo- rithm, with two aims : to improve the performance of modelisation and to make this theoretical model of neural self-organisation more realistic. At various stages during our research into the auto-adaptivity and topology of Kohonen maps, we implemented our findings into practical algorithms creating normalised, multirhythmic and self-instructed versions. Two new functions are introduced : local attractivity AintL , inspired from Growing Neural Gas networks (GNG), and knowledge Cint. Using these, modelisation error is reduced by up to 80% of the standard error. Guided by recent work that shows small-world topologies exist in a large number of networks, we have extended this classic approach to information theory. This has highlighted the temporal link between structure (topology) and function (learning and knowledge) in the neural system