Phenomenological marine snow model for optical underwater image simulation: Applications to color restoration

International audienceOptical imaging plays an important role in oceanic science and engineering. However, the design of optical systems and image processing techniques for subsea environment are challenging tasks due to water turbidity. Marine snow is notably a major source of image degradation as it creates white bright spots that may strongly impact the performance of image processing methods. In this context, it is necessary to have a tool to foresee the behavior of these methods in marine conditions. This paper presents a phenomenological model of marine snow for image simulation. In order to highlight the interest of such a modeling for image processing characterization, the impact of marine snow perturbation on a color restoration technique is analyzed and a solution to improve the robustness of the algorithm is finally proposed

Active polarimetric imaging with adaptive contrast optimization (Orale)

International audienceWe propose a method for semi-automatic target detection and contrast optimization making joint use of an adaptive polarimetric imager and a statistical image segmentation algorithm. It can be used to detect targets that differ from the background by their polarimetric properties. This method illustrates the benefits of integrating digital processing algorithms in the image acquisition process, rather than using them only for post-processing

SOFI: A 3D simulator for the generation of underwater optical images

International audienceWe present an original simulator-called SOFI-for the synthetic generation of underwater optical images. The simulator architecture is flexible and relies on flow diagrams in order to allow the integration of various models for image generation which are based on the underwater optical phenomena. The objective is also to ensure real time or quasi real time performance so it takes advantage of the latest technologies, such as GPGPU, and relies on GPU programming under CUDA. Two kinds of models for image generation are presented and should be integrated in SOFI: (1) the OSOA model based on the radiative transfer theory and (2) global image modeling which describes globally how an image is deteriorated under the effects of sea water

Quantitative study of luminescence diffuse optical tomography : Application to source localisation in molecular imaging

L’imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d’un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d’un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l’échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d’acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d’inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d’intérêts. Ce travail de thèse s’articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L’objectif principal de cette étude est d’introduire et de présenter des outils d’évaluation des performances théoriques d’une méthode de tomographie optique. L’un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d’images acquises par un imageur optique conçu pour l’imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s’appuyer l’ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l’appliquons à l’étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d’une procédure d’inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s’inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l’appliquer avec succès à des mesures expérimentales.Molecular imaging is a major modality in the field of preclinical research. Among the existing methods, techniques based on optical detection of visible or near infrared radiation are the most recent and are mainly represented by luminescence optical tomography techniques. These methods allow for 3D characterization of a biological medium by reconstructing maps of concentration or localisation of luminescent beacons sensitive to biological and chemical processes at the molecular or cellular scale. Luminescence optical tomography is based on a model of light propagation in tissues, a protocol for acquiring surface signal and a numerical inversion procedure used to reconstruct the parameters of interest. This thesis is structured around these three axes and provides an answer to each problem. The main objective of this study is to introduce and present the tools to evaluate the theoretical performances of optical tomography methods. One of its major outcomes is the realisation of experimental tomographic reconstructions from images acquired by an optical imager designed for 2D planar imaging and developed by the company Quidd. In a first step we develop the theory of transport in scattering medium to establish the concept on which our work will rely. We present two different propagation models as well as resolution methods and theoretical difficulties associated with them. In a second part we introduce the statistical tools used to characterise tomographic systems. We define and apply a procedure to simple situations in luminescence optical tomography. The last part of this work presents the development of an inversion procedure. After introducing the theoretical frameworkwe validate the procedure fromnumerical data before successfully applying it to experimentalmeasurements

Étude quantitative de la tomographie optique diffuse de luminescence : Application à la localisation de sources en imagerie moléculaire

Molecular imaging is a major modality in the field of preclinical research. Among the existing methods, techniques based on optical detection of visible or near infrared radiation are the most recent and are mainly represented by luminescence optical tomography techniques. These methods allow for 3D characterization of a biological medium by reconstructing maps of concentration or localisation of luminescent beacons sensitive to biological and chemical processes at the molecular or cellular scale. Luminescence optical tomography is based on a model of light propagation in tissues, a protocol for acquiring surface signal and a numerical inversion procedure used to reconstruct the parameters of interest. This thesis is structured around these three axes and provides an answer to each problem. The main objective of this study is to introduce and present the tools to evaluate the theoretical performances of optical tomography methods. One of its major outcomes is the realisation of experimental tomographic reconstructions from images acquired by an optical imager designed for 2D planar imaging and developed by the company Quidd. In a first step we develop the theory of transport in scattering medium to establish the concept on which our work will rely. We present two different propagation models as well as resolution methods and theoretical difficulties associated with them. In a second part we introduce the statistical tools used to characterise tomographic systems. We define and apply a procedure to simple situations in luminescence optical tomography. The last part of this work presents the development of an inversion procedure. After introducing the theoretical frameworkwe validate the procedure fromnumerical data before successfully applying it to experimentalmeasurements.L’imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d’un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d’un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l’échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d’acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d’inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d’intérêts. Ce travail de thèse s’articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L’objectif principal de cette étude est d’introduire et de présenter des outils d’évaluation des performances théoriques d’une méthode de tomographie optique. L’un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d’images acquises par un imageur optique conçu pour l’imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s’appuyer l’ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l’appliquons à l’étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d’une procédure d’inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s’inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l’appliquer avec succès à des mesures expérimentales

Optimal configuration of static polarization imagers for target detection

International audienceWe determine the set of analysis states of a static Stokes imager that maximizes target detection performance for 9 the least favorable target–background polarimetric configuration. By using a minimax approach, we demonstrate 10 that the optimal choice consists of four analysis states forming a regular tetrahedron in the Poincaré sphere. We 11 also show that the value of the contrast in the best of the four Stokes channels is, in the worst case, equal to one-12 third of that provided by a fully adaptive polarimetric imager. Static Stokes imagers thus constitute an attractive 13 solution in applications where limited loss of discrimination ability can be tolerated

Étude quantitative de la tomographie optique diffuse de luminescence. Application à la localisation de sources en imagerie moléculaire

L imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d intérêts. Ce travail de thèse s articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L objectif principal de cette étude est d introduire et de présenter des outils d évaluation des performances théoriques d une méthode de tomographie optique. L un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d images acquises par un imageur optique conçu pour l imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s appuyer l ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l appliquons à l étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d une procédure d inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l appliquer avec succès à des mesures expérimentales.Molecular imaging is a major modality in the field of preclinical research. Among the existing methods, techniques based on optical detection of visible or near infrared radiation are the most recent and are mainly represented by luminescence optical tomography techniques. These methods allow for 3D characterization of a biological medium by reconstructing maps of concentration or localisation of luminescent beacons sensitive to biological and chemical processes at the molecular or cellular scale. Luminescence optical tomography is based on a model of light propagation in tissues, a protocol for acquiring surface signal and a numerical inversion procedure used to reconstruct the parameters of interest. This thesis is structured around these three axes and provides an answer to each problem. The main objective of this study is to introduce and present the tools to evaluate the theoretical performances of optical tomography methods. One of its major outcomes is the realisation of experimental tomographic reconstructions from images acquired by an optical imager designed for 2D planar imaging and developed by the company Quidd. In a first step we develop the theory of transport in scattering medium to establish the concept on which our work will rely. We present two different propagation models as well as resolution methods and theoretical difficulties associated with them. In a second part we introduce the statistical tools used to characterise tomographic systems. We define and apply a procedure to simple situations in luminescence optical tomography. The last part of this work presents the development of an inversion procedure. After introducing the theoretical frameworkwe validate the procedure fromnumerical data before successfully applying it to experimentalmeasurements.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Optimal configuration of static Mueller imagers for target detection

International audienc

Fluorescence quenching by a metal nanoparticle in the extreme near-field regime

International audienceWe study the spontaneous decay rate of a dipole emitter close to a metallic nanoparticle in the extreme near-field regime. The metal is modeled using a nonlocal dielectric function that accounts for the microscopic length scales of the free electron gas. We describe quantitatively the crossover between the macroscopic and microscopic regimes and the enhanced nonradiative decay due to microscopic interactions. Our theory is in agreement with results previously established in the asymptotic near-and far-field regimes. The controlled modification of spontaneous emission is a central issue in photonics. Modifications of the spontaneous decay rate of molecules close to metallic surfaces [1] or atoms in cavities [2] have become textbook examples. The development of nano-optics techniques has stimulated the use of metallic nanopar-ticles or tips to act on the excited-state lifetime [3], on the fluorescence intensity [3,4], and on the radiation pattern [5,6] of isolated emitters, leading to the concept of optical nanoantenna. The interplay among the enhancement of the excitation intensity, nonradiative decay, and changes in the radiation pattern [7,8] offers useful degrees of freedom. Fluorescence enhancement can be optimized for imaging applications or single photon sources, while efficient quenchers can be designed for biochemical applications [9,10]. In this Letter we study quantitatively the spontaneous decay rate of a single emitter coupled to a metallic nanoparticle, up to a regime in which the mac-roscopic description of the electrodynamics of the metal surface breaks down. This regime is expected when the distance to the metal surface is on the order of the microscopic length scales driving the electron dynamics. In this regime, the metal surface has to be described using a spatially nonlocal dielectric function. In the context of molecular fluorescence, a general formalism and the main trends have been described by Ford and Weber [11]. More recently, a giant enhancement of the nonradiative decay rate due to microscopic interactions at a plane metal surface has been predicted [12], and a simplified nonlo-cal model has been used to describe the change in the radiative and nonradiative decay rates of molecules adsorbed on small nanoparticles [13]. In the present study, we describe the full crossover between the far-field regime and the extreme near-field regime (up to physical contact) in the case of nanoparticles with size R satisfying ᐉ Ͻ R Ӷ␭, where ᐉ is the electron mean free path and ␭ is the emission wavelength. Note that this condition does not include the case of very small particles ͑R Ͻ 10 nm͒ [13,14] in which other mechanisms, such as quantum confinement, can be involved. Handling the full emitter-nanoparticle distance range requires a more sophisticated model than that used in [12,13] and allows us to determine precisely the breakdown of the macro-scopic approach, thus providing an answer to a recurrent issue in nano-optics [15]. In the weak-coupling regime, the spontaneous decay rate of a dipole emitter located at position r takes the form ⌫ = ͑2/ប͉͒p͉ 2 Im͓u · G͑r , r , ␻͒ · u͔, where p is the transition dipole, u = p / ͉p͉, and ␻ is the emission frequency [16]. The dyadic Green's function G describes the electrodynamic response of the environment. It connects an electric dipole at position r to the radiated electric field at position rЈ through the relation E͑rЈ , ␻͒ = G͑rЈ , r , ␻͒ · p. In free space, the decay rate is obtained from the vacuum Green's function and reads ⌫ 0 =