L'imagerie bidimensionnelle ne permet pas toujours de répondre aux questions posées lors de l'analyse de scènes provenant de notre monde tridimensionnel. Cette thèse propose une étude de l'analyse d'images 3D, dans le domaine de la microscopie cellulaire. Nous examinons pour cela chacun des processus impliqués, depuis l'acquisition jusqu'à la quantification des images, en passant par leur représentation et leur traitement.

Nous exposons tout d'abord les caractéristiques des images acquises par microscopie confocale. Nous présentons les avantages et les limites de ce type d'acquisition et nous montrons en particulier que les traitements tridimensionnels isotropes ne sont pas adaptés aux images ainsi obtenues.

Nous présentons alors une représentation des images et des opérations de traitement permettant de prendre en compte les spécificités des images et des objectifs à atteindre : identifier des populations d'objets biologiques et caractériser leur architecture au sein des images. En particulier, afin de manipuler explicitement les relations de proximité et de ressemblance entre ces objets, nous proposons une double représentation des images : en tant que grilles régulières de points et en tant que graphes de voisinage.

Nous détaillons ensuite l'intégration de nouveaux opérateurs de traitement dans la bibliothèque PANDORE, en mettant l'accent sur l'analogie entre le traitement des graphes de voisinage et celui des grilles de points.

Enfin, nous appliquons notre approche à la résolution de divers problèmes de traitement d'images de microscopie cellulaire 2D et 3D. Nous présentons trois études menées en collaboration avec le Centre Régional de Lutte Contre le Cancer et le Groupe Régional d'Études sur le Cancer. Nous proposons une caractérisation de l'architecture des cellules dans des coupes histologiques, une quantification de la présence de contacts focaux dans des cellules de culture et une étude de l'architecture volumique de transformations cellulaires.