Le contrôle de caméra virtuelle est aujourd'hui un composant essentiel dans beaucoup d'applications d'infographie. Malgré cette importance, les approches actuelles restent limitées en terme d'expressivité, d'interactivité et de performances. Typiquement, les éléments de style ou de genre cinématographique sont difficiles à modéliser et à simuler dû à l'incapacité des systèmes actuels de calculer simultanément des points de vues, des trajectoires et d'effectuer le montage. Deuxièmement, elles n'explorent pas assez le potentiel créatif offert par le couplage potentiel d'un humain et d'un système intelligent pour assister les utilisateurs dans une tâche complexe de construction de séquences cinématographiques. Enfin, la plupart des approches existantes se basent sur des techniques d'optimisation dans un espace de recherche 6D, qui s'avèrent coûteuses et donc inadaptées à un contexte interactif. Dans cette thèse, nous proposons tout d'abord un cadre unique intégrant les quatre aspects clés de la cinématographie (le calcul de point de vue, la planification de trajectoires, le montage et la visibilité). Ce cadre expressif permet de simuler certaines dimensions de style cinématographique. Nous proposons ensuite une méthodologie permettant de combiner les capacités d'un système automatique avec une interaction utilisateur. Enfin, nous présentons un modèle de contrôle de caméra efficace qui réduit l'espace de recherche de 6D à 3D. Ce modèle a le potentiel pour remplacer un certain nombre de formulations existantes.

Cette thèse porte sur la création interactive intuitive de formes 3D, justifié pour les artistes par un besoin d'efficacité et d'expressivité et pour le grand public par la démocratisation d'usages de la modélisation numérique pour les jeux vidéo ou pour les imprimantes 3D. Dans ce cadre, pour trouver des nouvelles formes d'interactions, nous avons développé des modeleurs et des techniques de modélisation : un modeleur de formes libres 3D par métaphore de peinture, un modeleur vectoriel temps réel de paysages ainsi qu'un modeleur de paysages par croquis vu de la première personne. Les contributions scientifiques vont d'un opérateur de mélange implicite qui garanti la localité du mélange, à l'utilisation qu'une formulation bi-harmonique pour la modélisation de terrains permettant une modélisation fine, intuitive et temps réel de terrains ; en passant par la modélisation de paysages à partir de croquis composé de silhouettes vus de la première personne.

Ce mémoire, a pour objet de présenter une synthèse de mes travaux de recherche et de les mettre en perspective avec l'objectif général de la conception et du développement d'un environnement logiciel pour la modélisation et la simulation. Ils sont présentés selon trois axes thématiques : - bien modéliser pour mieux simuler, - calculer efficacement, précisément et juste, - générer un code de calcul dédié. Un dernier chapitre, plus technique, présente les contours et les fonctionnalités de cet environnement logiciel intégré pour la modélisation et la simulation, dont la conception a été le cadre général et le fil conducteur de l'essentiel de mes travaux.

Les systèmes distribués sont au cœur des technologies de l'information. Il est devenu classique de s'appuyer sur multiples unités distribuées pour améliorer la performance d'une application, la tolérance aux pannes, ou pour traiter problèmes dépassant les capacités d'une seule unité de traitement. La conception d'algorithmes adaptés au contexte distribué est particulièrement difficile en raison de l'asynchronisme et du non-déterminisme qui caractérisent ces systèmes. La simulation offre la possibilité d'étudier les performances des applications distribuées sans la complexité et le coût des plates-formes d'exécution réelles. Par ailleurs, le model checking permet d'évaluer la correction de ces systèmes de manière entièrement automatique. Dans cette thèse, nous explorons l'idée d'intégrer au sein d'un même outil un model checker et un simulateur de systèmes distribués. Nous souhaitons ainsi pouvoir évaluer la performance et la correction des applications distribuées. Pour faire face au problème de l'explosion combinatoire des états, nous présentons un algorithme de réduction dynamique par ordre partiel (DPOR), qui effectue une exploration basée sur un ensemble réduit de primitives de réseau. Cette approche permet de vérifier les programmes écrits avec n'importe laquelle des interfaces de communication proposées par le simulateur. Nous avons pour cela développé une spécification formelle complète de la sémantique de ces primitives réseau qui permet de raisonner sur l'indépendance des actions de communication nécessaire à la DPOR. Nous montrons au travers de résultats expérimentaux que notre approche est capable de traiter des programmes C non triviaux et non modifiés, écrits pour le simulateur SimGrid. Par ailleurs, nous proposons une solution au problème du passage à l'échelle des simulations limitées pour le CPU, ce qui permet d'envisager la simulation d'applications pair-à-pair comportant plusieurs millions de nœuds. Contrairement aux approches classiques de parallélisation, nous proposons une parallélisation des étapes internes de la simulation, tout en gardant l'ensemble du processus séquentiel. Nous présentons une analyse de la complexité de l'algorithme de simulation parallèle, et nous la comparons à l'algorithme classique séquentiel pour obtenir un critère qui caractérise les situations où un gain de performances peut être attendu avec notre approche. Un résultat important est l'observation de la relation entre la précision numérique des modèles utilisés pour simuler les ressources matérielles, avec le degré potentiel de parallélisation atteignables avec cette approche. Nous présentons plusieurs cas d'étude bénéficiant de la simulation parallèle, et nous détaillons les résultats d'une simulation à une échelle sans précédent du protocole pair-à-pair Chord avec deux millions de nœuds, exécutée sur une seule machine avec un modèle précis du réseau.

Cette thèse propose une méthode originale pour la génération automatique d'un code de simulation pour les systèmes à événements discrets. Cette méthode utilise l'information de localisation des produits lors du fonctionnement du système. Ce flux composé par des tuples (product id, location, time) constitue le point d'entrée pour l'algorithme proposé de génération d'un modèle de simulation de type réseau de files d'attente. Ce type d'approche permet, outre un gain important de temps pour la conception initiale du modèle, une maintenance et reconfiguration " on line " du modèle. La thèse est composée de 5 chapitres. Le premier chapitre pose la problématique et fixe le cadre théorique de la thèse. Le second chapitre est une revue de la littérature sur la simulation en général et sur les travaux utilisant la notion de trajectoires à des fins de modélisation. Le troisième chapitre sert à mettre en avant la proposition au cœur de cette thèse. Le quatrième chapitre décrit le générateur développé. Le cinquième et dernier chapitre présente les travaux d'expérimentation et de validation du générateur.

L'architecture des ordinateurs est maintenant dans l'ère des multiprocesseurs permettant le calcul en parallèle. Les systèmes embarqués les plus récents s'appuient sur plusieurs processeurs DSP (Digital Signal Processor) ou MPSoC (Multiprocessor System-on-Chip). Corrélativement, les algorithmes des applications de traitement du signal et de l'image deviennent de plus en plus sophistiqués. La mise en oeuvre de telles applications sur un système embarqué devient complexe. Aussi, les approches de prototypage rapide et de co-conception matérielle/logicielle sont souvent utilisées pour faciliter ce travail. Le problème de l'ordonnancement des tâches, étape importante du prototypage rapide, est discuté et traité dans cette thèse. Nous cherchons des modèles d'ordonnancement des tâches en considérant précisément les communications entre les tâches. Nous modélisons ainsi l'algorithme de l'application comme un graphe acyclique orienté (Directed Acyclic Graph ou DAG), et nous proposons un modèle avancé décrivant de façon appropriée l'architecture du système embarqué parallèle. Après la formalisation du problème de l'ordonnancement des tâches avec ce modèle d'architecture, nous présentons plusieurs heuristiques d'ordonnancement basées sur la méthode de la liste (list scheduling) pour améliorer les performances de l'ordonnancement. Nos résultats expérimentaux attestent d'une accélération de l'application dans un contexte de moyenne ou de forte communication. Comme le poids des communications va en croissant dans les applications les plus récentes, que ce soient en communication numérique ou en compression vidéo, nos méthodes s'avèrent efficaces dans la mise en oeuvre de ces applications sur systèmes embarqués parallèles. Nos méthodes d'ordonnancement sont intégrées dans PREESM, environnement de prototypage rapide basé sur Eclipse en "open source".

On ne peut pas reproduire l'expérience d'une épidémie à l'échelle d'un pays ou d'une région. Or, en l'absence d'expérience reproductible, la notion usuelle de " validation " de modèle qui consiste à tester si le modèle A* d'un système A permet de reproduire le comportement de A, n'a aucun sens statistique.Marvin Minsky donne la définition suivante de ce qu'est un modèle: Pour un observateur B, un objet A* est un modèle d'un objet A s'il permet à B de répondre à une question qu'il se pose sur A. Nous appelons triade de Minsky, l'ensemble des trois objets A, B et A*. Nous proposons d'utiliser la Théorie de la Modélisation et de la Simulation (TMS) pour modéliser et simuler la triade de Minsky. Cela nous permet de modéliser la triade vue comme un système dynamique composée des objets A, B et A*. Nous pouvons ainsi nous interroger sur l'utilisation d'un modèle A* par un utilisateur B et sur l'impact que cette utilisation a sur la trajectoire du système A.Nous appliquons ce cadre à une triade de Minsky empruntée à notre contexte d'étude. Il s'agit d'un cas d'école où une épidémie (l'objet A) est observée et contrôlée par un système de surveillance et de contrôle (l'observateur B) et où un modèle épidémiologique (A*) est utilisé pour évaluer les mesures de contrôle.

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Nos travaux se situent au croisement de trois domaines : la sûreté de fonctionnement, l'analyse fonctionnelle et l'ingénierie des modèles. Dans l'objectif d'assister les analyses préliminaires des risques, nous avons proposé d'exploiter les modèles issus de l'analyse fonctionnelle de l'avion. Ces modèles décrivent les dépendances entre les fonctions qui doivent être réalisées durant une phase de vol. Pour exploiter ces modèles, nous avons introduit la notion d'efficacité qui mesure le degré de contribution d'une fonction à la réalisation nominale d'une phase de vol. Cette notion est utile pour les analyses de risques car elle permet de formaliser divers cas de dysfonctionnements des fonctions et pour évaluer le niveau de dégradation d'une phase de vol en cas de dysfonctionnement d'une ou plusieurs fonctions. Nous avons proposé d'annoter les modèles issus de l'analyse fonctionnelle avec des informations relatives à l'efficacité des fonctions et à leurs dysfonctionnements possibles. En suivant les principes de la transformation de modèles, nous avons étudié les moyens de produire le plus automatiquement possible des modèles utiles aux analyses de risques à partir des modèles annotés. Les modèles produits sont décrits avec le langage AltaRica, ils peuvent être analysés avec les outils associés à ce langage afin d'évaluer l'effet du dysfonctionnement de fonctions de l'avion ou de rechercher les combinaisons de dysfonctionnements les plus critiques. L'approche proposée a été appliquée pour analyser les risques associés aux fonctions utiles lors du décollage d'un avion.

Nous nous intéressons aux simulations mécaniques pour des applications de synthèse d'images, particulièrement en temps réel, comme les jeux vidéos ou les simulateurs d'apprentissage de gestes techniques. La simulation physique interactive a fait des progrès remarquables ces dernières années, mais n'a pas encore atteint un niveau de maturité suffisant pour être applicable par des non-spécialistes à une grande variété de modèles. Nous présentons ici des contributions permettant de lever un certain nombre de verrous technologiques. La modélisation d'objets souples repose généralement sur une décomposition en cellules déformables. Nous avons proposé des éléments finis tétraédriques rapides et robustes, et généralisé à des grilles hexaédriques simplifiant grandement les problèmes de maillage et de contrôle de la résolution. La détection et la réponse aux collisions posent des problèmes géométriquement complexes et mécaniquement discontinus, qui causent bien souvent les principaux goulots d'étranglement des simulations. Nous avons proposé des solutions au problème du contrôle du temps de calcul, de la diversité des modèles géométriques des surfaces de contact, ainsi que de la robustesse des réponses et de leur calcul accéléré sur GPU. Une grande attention a été portée aux architectures logicielles permettant d'accroître la modularité et les performances des simulateurs. Nous avons proposé un graphe de scène mécanique permettant de hiérarchiser les modèles et décomposer les algorithmes en modules indépendants. Noua avons également exploré la distribution des simulations sur architectures parallèles, rendue nécessaire par l'évolution des matériels.