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PRATIQUES SCIENTIFIQUES
ACTUELLES 
Les pratiques de références possibles que nous présentons dans ce qui suit ne sont que quelques exemples parmi tant d'autres, que nous avons choisis au début de notre travail. Elles ne doivent donc être considérées que comme des cas caractéristiques d'une époque donnée.
De très nombreuses recherches dans le domaine du sport ont été, sont et seront encore réalisées dans le but de comprendre et d'améliorer les matériaux (terrain, balle, raquette, planche, voile, etc.), les gestes (course, prise d'élan, saut, etc.) et les performances des athlètes. Nous ne citerons ici que trois cas :
- Au Laboratoire d’automatique industrielle et humaine (LAIH) de l’université de Valenciennes, associé au CNRS [CNRS Info], ont été effectuées des recherches sur la coopération homme-machine dans les systèmes très automatisés. C’est dans ce contexte que le LAIH a développé un système de mesure et d’analyse du mouvement en trois dimensions (Saga 3) qui permet l’acquisition simultanée de toutes ces grandeurs de manière synchrone avec la vidéo. La mise en œuvre de techniques de modélisation biomécanique permet alors de calculer des grandeurs qui ne sont pas directement accessibles à la mesure.
- Au Laboratoire de physiologie neurosensorielle du CNRS [CNRS Info], l’analyse quantifiée du geste sportif a utilisé un système d’analyse automatique du mouvement : le système Elite. Développé par BTS en Italie et commercialisé en France par la société ActiSystem à Dijon, il s'agit d'un analyseur de mouvement automatique combinant le traitement en temps réel des images vidéo et l’acquisition simultanée de signaux relatifs à l’activité musculaire ou provenant de plates-formes de force.
- Au laboratoire "Matériaux et matériels à usage sportif" du CNRS de Poitiers [DUBOY et al, 1994], de nombreuses analyses de gestes sportifs (études bidimensionnelles), tels que salto et flip-flap, saut en longueur avec ou sans élan, lancers de poids, smash au volley, service au tennis, etc., ont été faites avec des dispositifs expérimentaux réalisés spécifiquement. Deux approches ont été suivies : une approche cinématique, avec des travaux effectués en utilisant un logiciel spécifique (Anais) qui permet l’analyse à partir de films, et une approche dynamique, dans laquelle des expériences réalisées avec une plate-forme de forces couplée à un ordinateur permettent d’enregistrer puis d’analyser les différentes réactions d’appui.
Salto avant
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Salto arrière
Ces 3 documents sont extraits de : |
De nombreux moyens d'acquisition d'images sont utilisés en astronomie. Citons en particulier les détecteurs numériques de la famille des CCD (Charge Coupled Device, ou, en français : DTC pour "Dispositif à transfert de charge") qui fournissent des images numérisées dès leur acquisition, et l'utilisation des plaques photographiques qui donnent accès à des zones de ciel très étendues.
L'apparition des caméras CCD se situe au début des années 80. L'utilisation des détecteurs CCD s'est très rapidement banalisé sur les télescopes professionnels implantés au sol, et actuellement la caméra CCD a pratiquement remplacé la photographie dans tous les domaines de l'astronomie observationnelle sauf lorsque le champ à couvrir est important.
Les détecteurs CCD présentent des atouts essentiels dûs d'une part à leur facilité d'emploi dans un environnement informatique (le dépouillement des images peut se faire dans les minutes, voire secondes, qui suivent le temps d'intégration) et, d'autre part, à leurs qualités exceptionnelles : faible bruit de lecture, rendement quantique (nombre d'électrons fournis par photon incident) proche de l'unité, excellente linéarité (le CCD n'a pratiquement pas de seuil de détection et le nombre d'électrons donne directement une mesure photométrique), etc. Ils sont employés dans tous les domaines de la photométrie : photométrie stellaire, photométrie de surface, photométrie rapide. Ils permettent en particulier de détecter les objets dont la brillance de surface est très faible par rapport au fond du ciel. La technique utilisé dans ce cas, consiste à réaliser une image composite à partir d'un grand nombre de poses courtes, car l'augmentation du temps d'intégration n'augmente pas le niveau de détection à cause de différents bruits (de lecture, thermique, de calibration, etc.). Ces techniques sont exploitées dans l’étude de l'Univers lointain [FORT, 1991].
Les outils de traitement d'images sont nombreux et variés. Citons, en particulier, les pré-traitements (soustraction du noir, suppression des pixels aberrants, etc.) et les opérations classiques de traitement d'image (opérations ponctuelles, transformations géométriques, convolutions spatiales et fréquentielles, la restauration des images, la modélisation stellaire, isophotale, etc.). D'autres, plus récentes, font appel à la morphologie mathématique ou à la transformation en ondelettes pour la vision des astres en multirésolution.
Les plaques photographiques restent encore un support irremplaçable pour l'analyse des grands champs et pour le suivi des phénomènes variables dans le temps et l'espace (certaines plaques datent d'un siècle). L'analyse des clichés a longtemps été effectuée à l'aide de procédés manuels ou semi-automatiques prenant beaucoup de temps, manquant de précision, et faisant intervenir le rôle personnel de l'opérateur. Avec les développements technologiques, il est apparu nécessaire de construire des machines automatiques pour dépouiller les clichés (nouveaux ou anciens). Ces machines permettent d'obtenir des gains considérables en vitesse, en précision et en fiabilité. Elles autorisent en outre le traitement et le stockage de masses considérables de données. C'est dans ce contexte que la division technique de l'Institut national des sciences de l'Univers (INSU), institut du CNRS, a construit une Machine automatique à mesurer pour l'astronomie, la MAMA [GUIBERT, 1991], hébergée par l'observatoire de Paris.
Il s'agit d'un microdensitomètre capable de mesurer pixel par pixel l'opacité d'un cliché photographique dont le support est une plaque de verre ou un film. Le cliché est posé sur une table de verre se déplaçant horizontalement et perpendiculairement à un faisceau lumineux calibré fixe. La lumière transmise est recueillie par le système de mesure. Les signaux analogiques sont ensuite transformés en signaux numériques pour être envoyés au système informatique. Les mesures sont faites à la volée pendant le mouvement de la table. Les données sont transférées à l'ordinateur qui assure la gestion et le traitement des informations, lui-même relié à une station d'analyse et de visualisation des images et à un système informatique qui permet de faire du traitement interactif d'images à partir de logiciels spécialisés.
L'analyse des clichés à l'aide de la MAMA permet d'obtenir de nombreuses informations scientifiques dans le domaine de l'astrophysique. Citons ainsi :
- dans le domaine solaire et planétaire : l'étude, à partir de clichés du Soleil, de la dynamique des écoulements de matière dans la chromosphère, les filaments, les protubérances et les éruptions solaires, le suivi au cours du temps du déplacement des taches solaires, la mesure de la position et la détermination des trajectoires des satellites des planètes géantes ;
- dans le domaine stellaire et galactique : la mesure précise de la position des objets, la détermination de mouvements propres des étoiles grâce à l'analyse comparative de clichés pris à différentes époques, l'étude des populations stellaires ;
- dans le domaine extragalactique : la détection systématique des quasars par la photométrie couleur, l'étude de la morphologie des galaxies.
Télédétection Infrarouge
La mesure du rayonnement thermique du sol à partir de capteurs embarqués dans des avions ou des satellites est une des méthodes utilisées pour observer les phénomènes naturels à une échelle relativement grande (suivi de la végétation, météorologie et océanographie).
Parmi les satellites destinés à l'observation de la Terre et de l'atmosphère, ceux qui sont gérés par la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) possèdent des caractéristiques qui sont très utiles pour l'analyse de la structure thermique superficielle des océans et celle des échanges océan/atmosphère. Évoluant à basse altitude (850 km environ), permettant un survol quotidien des mêmes zones, et disposant d'un large champ d'observation (2 900 km environ), ces satellites embarquent des capteurs de rayonnement dans les bandes spectrales suivantes :
| canal | spectre | domaine |
| 1 | 0,58 µm - 0,68 µm | visible |
| 2 | 0,70 µm - 1,00 µm | infrarouge proche |
| 3 | 3,60 µm - 3,90 µm | infrarouge moyen |
| 4 | 10,30 µm - 11,30 µm | infrarouge thermique |
| 5 | 11,40 µm - 12,40 µm | infrarouge thermique |
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| Image acquise par un satellite NOAA de jour, canal 4, 30 mars 1991 Origine : Centre de météorologie spatiale de Météo-France. |
Image acquise par un satellite NOAA de nuit, canal 4, 30 mars 1991 Origine : Centre de météorologie spatiale de Météo-France. |
Les exemples d'utilisation des données acquises dans le domaine de l'infrarouge par les satellites NOAA, pour le calcul de la température de la surface de la mer, que nous rapportons ici sont effectués par le Centre de météorologie spatiale de Météo–France à Lannion [MOUNIER et al., 1992], [ANTOINE et al., 1992].
Les domaines de fréquence des deux canaux choisis pour ce calcul (canaux 4 et 5) sont situés dans l'infrarouge dit thermique, et correspondent au maximum de l'émission terrestre aux températures moyennes de 280°K.
Principe des traitements effectués
À partir des données fournies par les appareils à bord du satellite, dénommés
comptes numériques, la luminance L est calculée par une fonction linéaire (L = a.C + b ; les coefficients a et b étant des coefficients d'étalonnage fournis par le gestionnaire du satellite).La méthode de traitement employée pour calculer la température de surface se caractérise par :
- l'élimination des zones qui ne sont pas significatives, correspondant au sol et aux nuages ; l'opération de masquage des nuages nécessite plusieurs opérations successives relativement complexes (calcul de combinaisons de canaux, filtrage, puis seuillage) ; des difficultés se posent avec les nuages semi–transparents et avec les contours des nuages (qui ne sont pas toujours bien déterminés) ;
- l'application d'une formule donnant la température en fonction des valeurs numériques dans les deux canaux 4 (T4) et 5 (T5) ; cette formule a été élaborée par les chercheurs pour tenir compte de l'absorption atmosphérique à partir de modèles simplifiés de l'atmosphère et de méthodes statistiques d'ajustement aux mesures effectuées simultanément par des bateaux ;
- des corrections en fonction de l'angle de visée du satellite, les images étant obtenues sous des angles différents suivant leur date.
Utilisations
Les résultats de ces travaux, effectués quotidiennement sur six zones géographiques en Europe, constituent à la fois des données de référence destinées aux chercheurs, et des données techniques pour des professionnels. Ainsi, les analyses des structures thermiques de la surface de la mer effectuées au CEMS de Lannion correspondent aux objectifs suivants :
- fournir à la Marine nationale des cartes des structures thermiques ;
- procurer aux océanographes des documents de base pour préparer une campagne de pêche ou analyser des résultats ;
- assurer une assistance éventuelle aux campagnes de pêche au thon.
Thermographie pour l'étude de la propagation de la chaleur
Il s'agit d'applications de la thermographie pour l'étude de la propagation de la chaleur dans les matériaux. Les caméras vidéo classiques fournissent des images d’objets émettant ou réfléchissant dans le visible. Les caméras infrarouges sont sensibles aux infrarouges émis et réfléchis par les objets, elles transforment généralement les signaux qu’elles reçoivent en fausses images visibles pour l’être humain. Ces images fournissent des renseignements sur la forme et la température des objets. Comme la température de fond est souvent voisine de celle des objets ce qui engendrent des images floues, il peut s'avérer nécessaire d’améliorer et d’augmenter les contrastes, ce qui peut se faire techniquement ou par calcul ou par les deux.
Initialement utilisées par l’armée pour la vision nocturne, les images infrarouges sont maintenant exploitées dans de nombreux domaines : médecine, météorologie, électricité, électronique, bâtiment, métallurgie, etc.
Cette technique est en particulier utilisée au LEMTA (Laboratoire de mécanique énergétique) de L’ENSEM (école nationale supérieure d’électricité et mécanique) de Nancy pour effectuer des recherches fondamentales sur l’étude de la propagation de la chaleur dans les matériaux.
Ainsi, l'étude de la propagation de la chaleur dans une ailette chauffée en continu permet :
- la mise en évidence du flux de chaleur et des isothermes lors du chauffage en continu d’une ailette.
- l'étude du flux de chaleur et des isothermes au niveau d’un évidement simulant une aspérité lors du transfert de chaleur entre deux surfaces non parfaitement planes.
CNRS Info, n° spécial, 1992. La
recherche et le sport au CNRS, 63 p. 
DUBOY, J., JUNQUA, A., LACOUTURE, P.
(1994). Mécanique humaine, éléments d'une analyse des gestes sportifs en deux
dimensions. Paris : Editions "Revue EP.S", 222 p.
FORT, B. (1991). Imagerie CCD de l'Univers lointain. Le Courrier
du CNRS, signaux et images, n°77, p.20-21.
GUIBERT, J. (1991). La Mama. Le Courrier du CNRS, signaux et
images, n°77, p.21.
Extraite de Images satellitales NOAA et connaissance de l’environnement terrestre. Ministère de l’Éducation nationale, Météo–France, 1994.
MOUNIER, J., GOUERY, P. (1992).
Température de la mer autour du Massif armoricain selon les données du satellite
NOAA–AHRR, Norois, Poitiers, t. 39, n° 155, pp. 305-310.
ANTOINE, J.–Y., DERRIEN, M., GAILLARD, O., LE BORGNE, P., LE GOAS, C., MARSOUIN, A. (1992). Restitution de la température de surface de la mer à partir des données du satellite NOAA-AVHRR, Norois, Poitiers, t. 39, n° 155, pp. 297-304.
INRP-TECNE
Unité Informatique et enseignement
08/10/1999