Cette thèse étudie différentes relaxations pour minimiser des fonctionnelles non convexes qui apparaissent en traitement d’images. Des problèmes comme la segmentation d’image peuvent en effet s’écrire comme un problème de minimisation d’une certaine fonctionnelle, le minimiseur représentant la segmentation recherchée. Différentes méthodes ont été proposées pour trouver des minima locaux ou globaux de la fonctionnelle non convexe du modèle de Mumford-Shah constant par morceaux à deux phases. Certaines approches utilisent une relaxation convexe qui permet d’obtenir des minima globaux de la fonctionnelle non convexe. On rappelle et compare certaines de ces méthodes et on propose un nouveau modèle par bande étroite, qui permet d’obtenir des minima locaux tout en utilisant des algorithmes robustes qui proviennent de l’optimisation convexe. Ensuite, on construit une relaxation convexe d’un modèle de segmentation à deux phases qui repose sur la comparaison entre deux histogrammes donnés et les histogrammes estimés globalement sur les deux régions de la segmentation. Des relaxations pour des problèmes multi-étiquettes à plusieurs dimensions comme le flot optique sont également étudiées. On propose une relaxation convexe avec un algorithme itératif qui ne comprend que des projections qui se calculent exactement, ainsi qu’un nouvel algorithme pour une relaxation convexe sur chaque variable mais non convexe globalement. On étudie la manière d’estimer une solution du problème non convexe original à partir d’une solution d’un problème relaxé en comparant des méthodes existantes avec des nouvelles