Unsupervised brain anomaly detection in MR images

Brain disorders are characterized by morphological deformations in shape and size of (sub)cortical structures in one or both hemispheres. These deformations cause deviations from the normal pattern of brain asymmetries, resulting in asymmetric lesions that directly affect the patient’s condition. Unsupervised methods aim to learn a model from unlabeled healthy images, so that an unseen image that breaks priors of this model, i.e., an outlier, is considered an anomaly. Consequently, they are generic in detecting any lesions, e.g., coming from multiple diseases, as long as these notably differ from healthy training images. This thesis addresses the development of solutions to leverage unsupervised machine learning for the detection/analysis of abnormal brain asymmetries related to anomalies in magnetic resonance (MR) images. First, we propose an automatic probabilistic-atlas-based approach for anomalous brain image segmentation. Second, we explore an automatic method for the detection of abnormal hippocampi from abnormal asymmetries based on deep generative networks and a one-class classifier. Third, we present a more generic framework to detect abnormal asymmetries in the entire brain hemispheres. Our approach extracts pairs of symmetric regions — called supervoxels — in both hemispheres of a test image under study. One-class classifiers then analyze the asymmetries present in each pair. Experimental results on 3D MR-T1 images from healthy subjects and patients with a variety of lesions show the effectiveness and robustness of the proposed unsupervised approaches for brain anomaly detection

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Bayesian non-parametrics for multi-modal segmentation

Segmentation is a fundamental and core problem in computer vision research which has applications in many tasks, such as object recognition, content-based image retrieval, and semantic labelling. To partition the data into groups coherent in one or more characteristics such as semantic classes, is often a first step towards understanding the content of data. As information in the real world is generally perceived in multiple modalities, segmentation performed on multi-modal data for extracting the latent structure usually encounters a challenge: how to combine features from multiple modalities and resolve accidental ambiguities. This thesis tackles three main axes of multi-modal segmentation problems: video segmentation and object discovery, activity segmentation and discovery, and segmentation in 3D data. For the first two axes, we introduce non-parametric Bayesian approaches for segmenting multi-modal data collections, including groups of videos and context sensor streams. The proposed method shows benefits on: integrating multiple features and data dependencies in a probabilistic formulation, inferring the number of clusters from data and hierarchical semantic partitions, as well as resolving ambiguities by joint segmentation across videos or streams. The third axis focuses on the robust use of 3D information for various applications, as 3D perception provides richer geometric structure and holistic observation of the visual scene. The studies covered in this thesis for utilizing various types of 3D data include: 3D object segmentation based on Kinect depth sensing improved by cross-modal stereo, matching 3D CAD models to objects on 2D image plane by exploiting the differentiability of the HOG descriptor, segmenting stereo videos based on adaptive ensemble models, and fusing 2D object detectors with 3D context information for an augmented reality application scenario.Segmentierung ist ein zentrales problem in der Computer Vision Forschung mit Anwendungen in vielen Bereichen wie der Objekterkennung, der inhaltsbasierten Bildsuche und dem semantischen Labelling. Daten in Gruppen zu partitionieren, die in einer oder mehreren Eigenschaften wie zum Beispiel der semantischen Klasse übereinstimmen, ist oft ein erster Schritt in Richtung Inhaltsanalyse. Da Informationen in der realen Welt im Allgemeinen multi-modal wahrgenommen werden, wird die Segmentierung auf multi-modale Daten angewendet und die latente Struktur dahinter extrahiert. Dies stellt in der Regel eine Herausforderung dar: Wie kombiniert man Merkmale aus mehreren Modalitäten und beseitigt zufällige Mehrdeutigkeiten? Diese Doktorarbeit befasst sich mit drei Hauptachsen multi-modaler Segmentierungsprobleme: Videosegmentierung und Objektentdeckung, Aktivitätssegmentierung und –entdeckung, sowie Segmentierung von 3D Daten. Für die ersten beiden Achsen führen wir nichtparametrische Bayessche Ansätze ein um multi-modale Datensätze wie Videos und Kontextsensor-Ströme zu segmentieren. Die vorgeschlagene Methode zeigt Vorteile in folgenden Bereichen: Integration multipler Merkmale und Datenabhängigkeiten in probabilistischen Formulierungen, Bestimmung der Anzahl der Cluster und hierarchische, semantischen Partitionen, sowie die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in gemeinsamen Segmentierungen in Videos und Sensor-Strömen. Die dritte Achse konzentiert sich auf die robuste Nutzung von 3D Informationen für verschiedene Anwendungen. So bietet die 3D-Wahrnehmung zum Beispiel reichere geometrische Strukturen und eine holistische Betrachtung der sichtbaren Szene. Die Untersuchungen, die in dieser Arbeit zur Nutzung verschiedener Arten von 3D-Daten vorgestellt werden, umfassen: die 3D-Objektsegmentierung auf Basis der Kinect Tiefenmessung, verbessert durch cross-modale Stereoverfahren, die Anpassung von 3D-CAD-Modellen auf Objekte in der 2D-Bildebene durch Ausnutzung der Differenzierbarkeit des HOG-Descriptors, die Segmentierung von Stereo-Videos, basierend auf adaptiven Ensemble-Modellen, sowie der Verschmelzung von 2D- Objektdetektoren mit 3D-Kontextinformationen für ein Augmented-Reality Anwendungsszenario

Bayesian non-parametrics for multi-modal segmentation

Segmentation is a fundamental and core problem in computer vision research which has applications in many tasks, such as object recognition, content-based image retrieval, and semantic labelling. To partition the data into groups coherent in one or more characteristics such as semantic classes, is often a first step towards understanding the content of data. As information in the real world is generally perceived in multiple modalities, segmentation performed on multi-modal data for extracting the latent structure usually encounters a challenge: how to combine features from multiple modalities and resolve accidental ambiguities. This thesis tackles three main axes of multi-modal segmentation problems: video segmentation and object discovery, activity segmentation and discovery, and segmentation in 3D data. For the first two axes, we introduce non-parametric Bayesian approaches for segmenting multi-modal data collections, including groups of videos and context sensor streams. The proposed method shows benefits on: integrating multiple features and data dependencies in a probabilistic formulation, inferring the number of clusters from data and hierarchical semantic partitions, as well as resolving ambiguities by joint segmentation across videos or streams. The third axis focuses on the robust use of 3D information for various applications, as 3D perception provides richer geometric structure and holistic observation of the visual scene. The studies covered in this thesis for utilizing various types of 3D data include: 3D object segmentation based on Kinect depth sensing improved by cross-modal stereo, matching 3D CAD models to objects on 2D image plane by exploiting the differentiability of the HOG descriptor, segmenting stereo videos based on adaptive ensemble models, and fusing 2D object detectors with 3D context information for an augmented reality application scenario.Segmentierung ist ein zentrales problem in der Computer Vision Forschung mit Anwendungen in vielen Bereichen wie der Objekterkennung, der inhaltsbasierten Bildsuche und dem semantischen Labelling. Daten in Gruppen zu partitionieren, die in einer oder mehreren Eigenschaften wie zum Beispiel der semantischen Klasse übereinstimmen, ist oft ein erster Schritt in Richtung Inhaltsanalyse. Da Informationen in der realen Welt im Allgemeinen multi-modal wahrgenommen werden, wird die Segmentierung auf multi-modale Daten angewendet und die latente Struktur dahinter extrahiert. Dies stellt in der Regel eine Herausforderung dar: Wie kombiniert man Merkmale aus mehreren Modalitäten und beseitigt zufällige Mehrdeutigkeiten? Diese Doktorarbeit befasst sich mit drei Hauptachsen multi-modaler Segmentierungsprobleme: Videosegmentierung und Objektentdeckung, Aktivitätssegmentierung und –entdeckung, sowie Segmentierung von 3D Daten. Für die ersten beiden Achsen führen wir nichtparametrische Bayessche Ansätze ein um multi-modale Datensätze wie Videos und Kontextsensor-Ströme zu segmentieren. Die vorgeschlagene Methode zeigt Vorteile in folgenden Bereichen: Integration multipler Merkmale und Datenabhängigkeiten in probabilistischen Formulierungen, Bestimmung der Anzahl der Cluster und hierarchische, semantischen Partitionen, sowie die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in gemeinsamen Segmentierungen in Videos und Sensor-Strömen. Die dritte Achse konzentiert sich auf die robuste Nutzung von 3D Informationen für verschiedene Anwendungen. So bietet die 3D-Wahrnehmung zum Beispiel reichere geometrische Strukturen und eine holistische Betrachtung der sichtbaren Szene. Die Untersuchungen, die in dieser Arbeit zur Nutzung verschiedener Arten von 3D-Daten vorgestellt werden, umfassen: die 3D-Objektsegmentierung auf Basis der Kinect Tiefenmessung, verbessert durch cross-modale Stereoverfahren, die Anpassung von 3D-CAD-Modellen auf Objekte in der 2D-Bildebene durch Ausnutzung der Differenzierbarkeit des HOG-Descriptors, die Segmentierung von Stereo-Videos, basierend auf adaptiven Ensemble-Modellen, sowie der Verschmelzung von 2D- Objektdetektoren mit 3D-Kontextinformationen für ein Augmented-Reality Anwendungsszenario

Generalizable deep learning based medical image segmentation

Deep learning is revolutionizing medical image analysis and interpretation. However, its real-world deployment is often hindered by the poor generalization to unseen domains (new imaging modalities and protocols). This lack of generalization ability is further exacerbated by the scarcity of labeled datasets for training: Data collection and annotation can be prohibitively expensive in terms of labor and costs because label quality heavily dependents on the expertise of radiologists. Additionally, unreliable predictions caused by poor model generalization pose safety risks to clinical downstream applications. To mitigate labeling requirements, we investigate and develop a series of techniques to strengthen the generalization ability and the data efficiency of deep medical image computing models. We further improve model accountability and identify unreliable predictions made on out-of-domain data, by designing probability calibration techniques. In the first and the second part of thesis, we discuss two types of problems for handling unexpected domains: unsupervised domain adaptation and single-source domain generalization. For domain adaptation we present a data-efficient technique that adapts a segmentation model trained on a labeled source domain (e.g., MRI) to an unlabeled target domain (e.g., CT), using a small number of unlabeled training images from the target domain. For domain generalization, we focus on both image reconstruction and segmentation. For image reconstruction, we design a simple and effective domain generalization technique for cross-domain MRI reconstruction, by reusing image representations learned from natural image datasets. For image segmentation, we perform causal analysis of the challenging cross-domain image segmentation problem. Guided by this causal analysis we propose an effective data-augmentation-based generalization technique for single-source domains. The proposed method outperforms existing approaches on a large variety of cross-domain image segmentation scenarios. In the third part of the thesis, we present a novel self-supervised method for learning generic image representations that can be used to analyze unexpected objects of interest. The proposed method is designed together with a novel few-shot image segmentation framework that can segment unseen objects of interest by taking only a few labeled examples as references. Superior flexibility over conventional fully-supervised models is demonstrated by our few-shot framework: it does not require any fine-tuning on novel objects of interest. We further build a publicly available comprehensive evaluation environment for few-shot medical image segmentation. In the fourth part of the thesis, we present a novel probability calibration model. To ensure safety in clinical settings, a deep model is expected to be able to alert human radiologists if it has low confidence, especially when confronted with out-of-domain data. To this end we present a plug-and-play model to calibrate prediction probabilities on out-of-domain data. It aligns the prediction probability in line with the actual accuracy on the test data. We evaluate our method on both artifact-corrupted images and images from an unforeseen MRI scanning protocol. Our method demonstrates improved calibration accuracy compared with the state-of-the-art method. Finally, we summarize the major contributions and limitations of our works. We also suggest future research directions that will benefit from the works in this thesis.Open Acces

Neural text line extraction in historical documents: a two-stage clustering approach

Accessibility of the valuable cultural heritage which is hidden in countless scanned historical documents is the motivation for the presented dissertation. The developed (fully automatic) text line extraction methodology combines state-of-the-art machine learning techniques and modern image processing methods. It demonstrates its quality by outperforming several other approaches on a couple of benchmarking datasets. The method is already being used by a wide audience of researchers from different disciplines and thus contributes its (small) part to the aforementioned goal.Das Erschließen des unermesslichen Wissens, welches in unzähligen gescannten historischen Dokumenten verborgen liegt, bildet die Motivation für die vorgelegte Dissertation. Durch das Verknüpfen moderner Verfahren des maschinellen Lernens und der klassischen Bildverarbeitung wird in dieser Arbeit ein vollautomatisches Verfahren zur Extraktion von Textzeilen aus historischen Dokumenten entwickelt. Die Qualität wird auf verschiedensten Datensätzen im Vergleich zu anderen Ansätzen nachgewiesen. Das Verfahren wird bereits durch eine Vielzahl von Forschern verschiedenster Disziplinen genutzt

Leveraging Supervoxels for Medical Image Volume Segmentation With Limited Supervision

The majority of existing methods for machine learning-based medical image segmentation are supervised models that require large amounts of fully annotated images. These types of datasets are typically not available in the medical domain and are difficult and expensive to generate. A wide-spread use of machine learning based models for medical image segmentation therefore requires the development of data-efficient algorithms that only require limited supervision. To address these challenges, this thesis presents new machine learning methodology for unsupervised lung tumor segmentation and few-shot learning based organ segmentation. When working in the limited supervision paradigm, exploiting the available information in the data is key. The methodology developed in this thesis leverages automatically generated supervoxels in various ways to exploit the structural information in the images. The work on unsupervised tumor segmentation explores the opportunity of performing clustering on a population-level in order to provide the algorithm with as much information as possible. To facilitate this population-level across-patient clustering, supervoxel representations are exploited to reduce the number of samples, and thereby the computational cost. In the work on few-shot learning-based organ segmentation, supervoxels are used to generate pseudo-labels for self-supervised training. Further, to obtain a model that is robust to the typically large and inhomogeneous background class, a novel anomaly detection-inspired classifier is proposed to ease the modelling of the background. To encourage the resulting segmentation maps to respect edges defined in the input space, a supervoxel-informed feature refinement module is proposed to refine the embedded feature vectors during inference. Finally, to improve trustworthiness, an architecture-agnostic mechanism to estimate model uncertainty in few-shot segmentation is developed. Results demonstrate that supervoxels are versatile tools for leveraging structural information in medical data when training segmentation models with limited supervision

Analyse d’images de documents patrimoniaux : une approche structurelle à base de texture

Over the last few years, there has been tremendous growth in digitizing collections of cultural heritage documents. Thus, many challenges and open issues have been raised, such as information retrieval in digital libraries or analyzing page content of historical books. Recently, an important need has emerged which consists in designing a computer-aided characterization and categorization tool, able to index or group historical digitized book pages according to several criteria, mainly the layout structure and/or typographic/graphical characteristics of the historical document image content. Thus, the work conducted in this thesis presents an automatic approach for characterization and categorization of historical book pages. The proposed approach is applicable to a large variety of ancient books. In addition, it does not assume a priori knowledge regarding document image layout and content. It is based on the use of texture and graph algorithms to provide a rich and holistic description of the layout and content of the analyzed book pages to characterize and categorize historical book pages. The categorization is based on the characterization of the digitized page content by texture, shape, geometric and topological descriptors. This characterization is represented by a structural signature. More precisely, the signature-based characterization approach consists of two main stages. The first stage is extracting homogeneous regions. Then, the second one is proposing a graph-based page signature which is based on the extracted homogeneous regions, reflecting its layout and content. Afterwards, by comparing the different obtained graph-based signatures using a graph-matching paradigm, the similarities of digitized historical book page layout and/or content can be deduced. Subsequently, book pages with similar layout and/or content can be categorized and grouped, and a table of contents/summary of the analyzed digitized historical book can be provided automatically. As a consequence, numerous signature-based applications (e.g. information retrieval in digital libraries according to several criteria, page categorization) can be implemented for managing effectively a corpus or collections of books. To illustrate the effectiveness of the proposed page signature, a detailed experimental evaluation has been conducted in this work for assessing two possible categorization applications, unsupervised page classification and page stream segmentation. In addition, the different steps of the proposed approach have been evaluated on a large variety of historical document images.Les récents progrès dans la numérisation des collections de documents patrimoniaux ont ravivé de nouveaux défis afin de garantir une conservation durable et de fournir un accès plus large aux documents anciens. En parallèle de la recherche d'information dans les bibliothèques numériques ou l'analyse du contenu des pages numérisées dans les ouvrages anciens, la caractérisation et la catégorisation des pages d'ouvrages anciens a connu récemment un regain d'intérêt. Les efforts se concentrent autant sur le développement d'outils rapides et automatiques de caractérisation et catégorisation des pages d'ouvrages anciens, capables de classer les pages d'un ouvrage numérisé en fonction de plusieurs critères, notamment la structure des mises en page et/ou les caractéristiques typographiques/graphiques du contenu de ces pages. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, nous proposons une approche permettant la caractérisation et la catégorisation automatiques des pages d'un ouvrage ancien. L'approche proposée se veut indépendante de la structure et du contenu de l'ouvrage analysé. Le principal avantage de ce travail réside dans le fait que l'approche s'affranchit des connaissances préalables, que ce soit concernant le contenu du document ou sa structure. Elle est basée sur une analyse des descripteurs de texture et une représentation structurelle en graphe afin de fournir une description riche permettant une catégorisation à partir du contenu graphique (capturé par la texture) et des mises en page (représentées par des graphes). En effet, cette catégorisation s'appuie sur la caractérisation du contenu de la page numérisée à l'aide d'une analyse des descripteurs de texture, de forme, géométriques et topologiques. Cette caractérisation est définie à l'aide d'une représentation structurelle. Dans le détail, l'approche de catégorisation se décompose en deux étapes principales successives. La première consiste à extraire des régions homogènes. La seconde vise à proposer une signature structurelle à base de texture, sous la forme d'un graphe, construite à partir des régions homogènes extraites et reflétant la structure de la page analysée. Cette signature assure la mise en œuvre de nombreuses applications pour gérer efficacement un corpus ou des collections de livres patrimoniaux (par exemple, la recherche d'information dans les bibliothèques numériques en fonction de plusieurs critères, ou la catégorisation des pages d'un même ouvrage). En comparant les différentes signatures structurelles par le biais de la distance d'édition entre graphes, les similitudes entre les pages d'un même ouvrage en termes de leurs mises en page et/ou contenus peuvent être déduites. Ainsi de suite, les pages ayant des mises en page et/ou contenus similaires peuvent être catégorisées, et un résumé/une table des matières de l'ouvrage analysé peut être alors généré automatiquement. Pour illustrer l'efficacité de la signature proposée, une étude expérimentale détaillée a été menée dans ce travail pour évaluer deux applications possibles de catégorisation de pages d'un même ouvrage, la classification non supervisée de pages et la segmentation de flux de pages d'un même ouvrage. En outre, les différentes étapes de l'approche proposée ont donné lieu à des évaluations par le biais d'expérimentations menées sur un large corpus de documents patrimoniaux