Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/ / La synthèse d'une flamme animée dans un environnement 3D virtuel, reste à ce jour une tâche ardue, exigeant de judicieusement balancer réalisme et coût de calcul. Dans ce mémoire, nous présentons un ensemble de techniques pour sa simulation en temps réel tout en modélisant une interaction à des forces externes. Nous désirons minimiser son coût de calcul tout en préservant une apparence convaincante dans l'optique d'une intégration au sein de systèmes existants, n'affectant pas indûment leurs performances. Un champ de vélocité est extrait d'une simulation de ressorts et mis à profit dans le déplacement de chaînes de particules modélisant la forme de la flamme par l'entremise de la paramétrisation d'une surface NURBS. Considérant l'importance qu'ils ont sur notre perception de la combustion, nous prenons également soin de reproduire l'illumination, les ombres, et l'effet d'éblouissement qu'elle engendre. / The synthesis of an open flame in a virtual 3D environment, remains to this day an arduous task, requiring a wise balance between realism and processing cost. In this M. Sc. thesis, we present a set of techniques for its simulation in real time while also modeling the interaction with external forces. Our goal is to minimize the cost while preserving a convincing appearance, thus facilitating integration of the techniques into existing systems without unduly affecting their performance. A velocity field is extracted from a spring-mass simulation which contributes to moving chains of particules that are used in modeling the flame shape through the configuration of a NURBS surface. In light of the importance they have on our perception of combustion, we also take care to duplicate the lighting, shadows and bloom the flame gives rise to.

Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques de l'oxyde de zinc (ZnO), matériau semi-conducteur à grand gap. La technique de caractérisation principale de ce travail est la spectroscopie par photoluminescence, technique non destructive permettant d'obtenir des informations relatives à la structure électronique d'un matériau. Après avoir présenté les propriétés du ZnO, de ses alliages, et rappelé quelques principes de base associés à la luminescence des matériaux semi-conducteurs., nous comparerons dans un premier temps les propriétés optiques de différents types de ZnO monocristallin, selon leur mode d'élaboration : matériaux massifs de différentes origines, couches épitaxiées et nanofils. Ces comparaisons ainsi que l'étude des effets sur les spectres de photoluminescence des traitements tels que recuit et passivation nous permettront d'avancer différentes hypothèses quant à l'origine de la luminescence visible dans ce matériau grand gap, sujet encore controversé dans la littérature. Dans un deuxième temps, nous présenterons notre contribution à l'étude du dopage p du matériau, qui est encore aujourd'hui le verrou pour l'obtention de diodes électroluminescentes à base de ZnO. Nous examinerons le problème du dopage intrinsèque de type n et de la compensation, préalable indispensable avant d'aborder le dopage de type p. Le dopage p est traité ici principalement au travers des études optiques d'échantillons implantés et recuits. Plusieurs variantes liées à l'implantation d'azote seront présentées et l'obtention de paires donneur accepteurs clairement mise en évidence pour des conditions de recuit optimisées. La nature des accepteurs présents est discutée par référence aux travaux antérieurs. . / We have studied the optical properties of Zinc Oxide (ZnO), a wide band gap semiconductor material. The main characterization technique used in this work is the photoluminescence spectroscopy, a non destructive technique which gives information about the electronic structure of the material. After presenting the properties of ZnO, its alloys, and reminding some basic principles relative to the luminescence in semiconductor materials, we will compare the optical properties of ZnO single-crystals from different growth methods: bulk material from different origins, epitaxial layers and nanowires. These comparisons and the effects of different treatments (annealing, passivation...) on the PL spectra unable us to emit hypothesis about the origin of the visible luminescence, which is a controversial subject in the literature. Secondly, we will present our contribution to the study of the p doping of ZnO, which is indispensable for device applications based on the p–n junction. We will take a look at the n type intrinsic doping problem before examining the p type doping. We investigate here p type doping through optical studies of implanted and annealed samples. We present here some variants of nitrogen implantation and the presence of donor acceptor pairs has been proven, leading to the optimization of the annealing conditions. Nature of the acceptors is discussed with the literature.

La méthode de radiosité, méthode de simulation globale de l'éclairage, est très utilisée pour la visualisation de scènes d'intérieur statiques. Malgré les différentes améliorations apportées jusqu'à présent, son coût reste conditionné par le calcul des facteurs de forme qui modélisent l'interaction lumineuse entre deux surfaces. Ce calcul constitue l'étape la plus coûteuse de la méthode de radiosité, compte tenu des calculs de visibilité qu'il implique. D'autre part, il semble primordial d'utiliser un maillage qui suive les discontinuités (c'est à dire les limites d'ombre et de pénombre), pour obtenir une solution de radiosité de bonne qualité. Or cette méthode est très coûteuse car elle nécessite de nombreux calculs géométriques. De plus les méthodes proposées jusqu'à présent pour des environnements dits dynamiques (environnements où la géométrie, les propriétés des matériaux, etc., peuvent changer) effectuent toujours trop de recalculs. Le problème reste d'arriver à identifier précisément et efficacement quels facteurs de forme doivent vraiment être recalculés. Nous avons considéré le cas 2D qui permet une meilleure compréhension et une analyse plus approfondie, ne serait-ce que grâce à l'existence de solutions analytiques. Nous nous sommes intéressés au complexe de visibilité (introduit récemment en géométrie algorithmique) qui code les relations de visibilité entre les objets dans le plan. Nous présentons dans cette thèse son utilisation dans le cadre de la radiosité, pour les environnements statiques, puis pour les environnements dynamiques. Nous montrons que le complexe permet d'effectuer le calcul des facteurs de forme de manière efficace et analytique, et de construire le maillage de discontinuité de façon simple. De plus, seuls les facteurs de forme entre deux éléments mutuellement visibles de la scène sont calculés. Enfin, dans le cas dynamique, le complexe permet d'identifier et de mettre à jour uniquement les facteurs de forme strictement nécessaires lorsqu'un objet se déplace.

La synthèse d'une flamme animée dans un environnement 3D virtuel, reste à ce jour une tâche ardue, exigeant de judicieusement balancer réalisme et coût de calcul. Dans ce mémoire, nous présentons un ensemble de techniques pour sa simulation en temps réel tout en modélisant une interaction à des forces externes. Nous désirons minimiser son coût de calcul tout en préservant une apparence convaincante dans l'optique d'une intégration au sein de systèmes existants, n'affectant pas indûment leurs performances. Un champ de vélocité est extrait d'une simulation de ressorts et mis à profit dans le déplacement de chaînes de particules modélisant la forme de la flamme par l'entremise de la paramétrisation d'une surface NURBS. Considérant l'importance qu'ils ont sur notre perception de la combustion, nous prenons également soin de reproduire l'illumination, les ombres, et l'effet d'éblouissement qu'elle engendre. / The synthesis of an open flame in a virtual 3D environment, remains to this day an arduous task, requiring a wise balance between realism and processing cost. In this M. Sc. thesis, we present a set of techniques for its simulation in real time while also modeling the interaction with external forces. Our goal is to minimize the cost while preserving a convincing appearance, thus facilitating integration of the techniques into existing systems without unduly affecting their performance. A velocity field is extracted from a spring-mass simulation which contributes to moving chains of particules that are used in modeling the flame shape through the configuration of a NURBS surface. In light of the importance they have on our perception of combustion, we also take care to duplicate the lighting, shadows and bloom the flame gives rise to. / Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets transparents par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de "Shape from Polarization" aux surfaces transparentes. Après réflexion sur la surface, la lumière incidente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à l'utilisation d'un éclairage multispectral dont la difficulté de calibration est expliquée dans ce manuscrit. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et présentons des résultats de reconstruction 3D sur des objets parfaitement calibrés.

Cette thèse traite de la reconstruction 3D par stéréophotométrie, qui consiste à utiliser plusieurs photographies d'une scène prises sous le même angle, mais sous différents éclairages. Nous nous intéressons dans un premier temps à des techniques robustes pour l'estimation des normales à la surface, et pour leur intégration en une carte de profondeur. Nous étudions ensuite deux situations où le problème est mal posé : lorsque les éclairages sont inconnus, ou lorsque seuls deux éclairages sont utilisés. La troisième partie est consacrée à l'étude de modèles plus réalistes, à la fois en ce qui concerne les éclairages et la réflectance de la surface. Ces trois premières parties nous amènent aux limites de la formulation classique de la stéréophotométrie : nous introduisons finalement, dans la partie 4, une reformulation variationnelle et différentielle du problème qui permet de dépasser ces limites. / This thesis tackles the photometric stereo problem, a 3D-reconstruction technique consisting in taking several pictures of a scene under different lightings. We first focus on robust techniques for estimating the normals to the surface, and for integrating these normals into a depth map. Then, we study two situations where the problem is ill-posed: when lightings are unknown and when only two images are used. Part 3 is devoted to more realistic models, in terms of lightings and of surface reflectance. These first three parts bring us to the limits of the usual formulation of photometric stereo: we eventually introduce in Part 4 a variational and differential reformulation of this problem which allows us to overcome these limits.

This work specifies the synthesis and the characterization of amorphous powders belonging to the Y2O3 - Al2O3 - B2O3 system. The main objective of this work was to develop amorphous powders near the YAl3(BO3)4 composition without any rare earth as doping for the development of a new family of phosphors for solid state lighting systems excited by near ultra-violet light. The sol-gel and polymeric precursor methods were applied in order to produce these powders. After these syntheses we optimized several parameters such as thermal treatments: two different routes were tested: direct calcination and pyrolytic decomposition followed by calcination. The temperature, annealing time, heating rate and the effects of impurities on the photoluminescence (PL) were studied. A comparison between these two synthesis methods was done. The powder samples were characterized by thermal analysis technique, X-ray diffraction, photoluminescence and infra-red spectroscopies, transmission and scanning electron microscopy, elemental analysis and electron probe microanalyses, nuclear magnetic resonance, cathodoluminescence, electronic paramagnetic resonance. From the thermal analyzes, it was observed that the powder prepared by polymeric precursor method shows a glass transition temperature (Tg) around 740 °C and crystallization temperatures (Tx) at 815, 850 and 900 °C. Amorphous powder showing high photoluminescence emission (between 400 and 750 nm) and quantum yields higher than 90% at 365 nm excitation, without any phase segregation were obtained when the samples are annealed at temperatures at around Tg, above this temperatures the powder start to crystallize decreasing their PL properties. Other compositions were studied by increasing the relative amounts of Y2O3, Al2O3 and B2O3, by removing the yttrium, addition of SiO2. Finally, the first measurements of color coordinates and the preliminary tests on the thermal and photo stability have been done. / Ce travail de these porte sur la synthèse et la caractérization de poudres amorphes en appartenant système Y2O3 - Al2O3 - B2O3. L'objectif principal du travail a été de préparer des poudres amorphes dont la composition est proche de YAl3(BO3)4 sans terre rare en vue la réalisation de phosphores pour des dispositif d'éclairage solide à base de LED emmetant dans le proche UV. Pour la synthèse des poudres les methodes sol-gel et celles des precurseurs polymériques ont été utilisées. Nous avons ensuite optimizé les paramètres thermiques, en utilisant deux stratégies: la calcination directe et la pyrolyse suivrie d'une seconde étape de calcination. La température, le temps de recuit, vitesse de chauffage et les effect des impurities sur la photoluminescence ont été étudié. Les échantillons en poudre ont été caractérisés par les techniques d'analyse thermiques, diffraction des rayons X, la spectroscopie de photoluminescence et la spectroscopie infra-rouge, microscopies électronique à balayage et en transmission, les méthodes des analyses élémentaire et microsonde électronique, la résonance magnétique nucléaire, cathodoluminescence et le résonance paramagnétique électronique. Par l'analyse thermique, on a observé que la poudre préparée par la méthode de précurseur polymère a une température de transition vitreuse (Tg) autour de 740 ° C et des températures de cristallisation (Tx) à 815, 850 et 900 ° C. Les poudres amorphes presentent de larges bandes d'émission de photoluminescence (entre 400 et 750 nm) avec des rendements quantiques supérieurs à 90% pour une excitation de 365 nm. De plus, les poudres microscopiques obtenu sont chimiquement homogene avec des composition très proche de celle initialmente visée YAl3(BO3)4 lorsque les échantillons sont recuits à des températures voisine du Tg. Au-dessus de cette température, la poudre commence à se cristalliser conduisant à réduction de l'intensité de PL. D'autres compositions ont été étudiées en augmentant la quantité relative de Y2O3, Al2O3 et B2O3, en éliminant complètement l'yttrium, ou en ajutant SiO2. Finalement, les premiers mesures de coordonnées de couleur et les essais préliminaires sur la stabilité thermique et photométrique sont très prometeur. En effet, outres les rendemente specifiques de luminescence très elevés ces luminophores émitent de lumiére très chaudes.

Ce mémoire en recherche-création est accompagné du court métrage Alice, disponible en ligne à l'adresse suivante: https://www.youtube.com/watch?v=f4lHnleCO9E / Ce mémoire, présenté sous la forme d’une recherche-création, sonde les forces de la lumière et de l’ombre en mouvement. Nous nous inspirons des travaux d’Henri Alekan et de Fabrice Revault d’Allonnes pour mettre en avant une méthode de travail de la lumière, qui repose sur deux étapes essentielles: l’étape de l’éclairement qui correspond à une hiérarchisation des éclairages, et celle de la lumination qui correspond à une dramatisation de la lumière. Cette méthode, considérée dans un cadre classico-baroque, ouvrira la porte à des analyses portant sur les variations de la lumière. Nous explorerons deux techniques utilisées par les directeurs de la photographie: la conception d’un «path» lumineux et la pratique du changement à vue. Ces deux techniques seront étudiées à partir du travail de divers directeurs de la photographie, tels que Vittorio Storaro et Darius Khondji. Elles seront également employées dans la création qui accompagne ce mémoire, afin d’en saisir les subtilités, et d’appréhender les difficultés reliées à la pratique de la direction de la photographie. La création sera donc une véritable exploration pour moi et un apprentissage pratique et théorique des possibilités et contraintes de la lumière et de l’ombre. C’est finalement dans une démarche qui oscille entre tâtonnement et recherche que je tenterai de comprendre le potentiel poétique de la lumière et de l’ombre. / This thesis, presented as a research-creation project, sounds the power of the light and the shadow in movement. Inspired by the writings of Henri Alekan and Fabrice Revault d’Allonnes, we will point out a work method used to shape the light, that rests upon two essential steps: the first step is called éclairement, and calls on a hiérarchisation of the light sources. The second step is one of lumination, that is equivalent to a dramatisation of the light. The method, considered in a classico-baroque context, will open the door to some analysis of the light’s variations. We will explore two techniques used by cinematographers: the conception of a light «path», and the changement à vue. We will study these two techniques through the work of various cinematographers, such as Vittorio Storaro and Darius Khondji. We will apply these two techniques in a creation that is linked to this thesis, to better comprehend the subtleties of the light in movement, and understand the difficulties that come along with the practice of cinematography. Thus, the creation will be a true exploration for me, and a practical and theoretical learning process about the possibilities and the complexity of light and shadow. This stammering and hesitating approach intends to understand the poetic potential of the light and the shadow.

Cette étude a pour but de combler l'écart entre l'état actuel de la simulation énergétique dans le domaine du bâtiment (i.e. hypothèses et modèles) et la connaissance empirique sur le comportement des usagers en matière de contrôle environnemental. L'application principale issue de cette thèse est un module de simulation autonome qui vise la modélisation à haute résolution et à haute fréquence des interactions personne-milieu: de l'occupation des locaux (i.e. l'affectation individuelle d'un environnement modélisé), du contrôle basé uniquement sur la présence ou l'absence des occupants (e.g. détecteurs de mouvement), jusqu'aux modèles comportementaux plus avancés (e.g. commutation manuelle des appareils d'éclairage, l'utilisation des fenêtres ouvrantes). L'intégration du module au sein du logiciel libre ESP-r, un programme qui permet de simuler l'ensemble des interactions bâtiment-systèmes-environnement, permet d'étudier à quel point les modèles d'interactions personne-milieu, issus des études en milieu réel, peuvent influencer les besoins énergétiques d'un bâtiment donné. Certains traits comportementaux, couramment associés aux modèles de contrôle manuel des systèmes d'éclairage, caractérisent également le comportement individuel au niveau des fenêtres ouvrantes; une conclusion issue d'une étude pilote en milieu réel sur le campus de l'Université Laval (Québec). Cette constatation suggère certains traits communs pouvant décrire le comportement des usagers en matière de contrôle environnemental. Le module développé permet également d'étudier le potentiel écoénergétique de stratégies innovatrices: l'application de stratégies de contrôle reposant sur l'adaptation thermique dans un contexte de climatisation hybride, et basées sur l'opération de fenêtres ouvrantes en tant que commutateurs entre climat naturel et climat artificiel. Les résultats préliminaires suggèrent que pour les climats nordiques ou méridionaux, ces approches permettent effectivement de réduire les besoins en climatisation, mais qu'en contre partie les besoins en chauffage augmentent considérablement en raison de l'utilisation des fenêtres en périodes plus tempérées. L'intérêt de la méthode est ici mis en évidence dans sa capacité à simuler globalement l'ensemble des conséquences énergétiques de l'interaction sociale avec l'environnement bâti. / This study sets out to bridge the gap between building energy simulation and empirical evidence on occupant behaviour. The major output is a self-contained simulation module that aims to control all occupant-related phenomena which can affect energy use in buildings. It provides high resolution and high frequency occupancy prediction (i.e. when occupants as individual agents occupy a modelled environment), occupant-sensing control (i.e. as driven by the mere presence of one or more occupants, such as occupancy-sensing lighting controls), as well as advanced behavioural models (i.e. active personal control, such as manual switching of lights, manual adjustments to window blinds, operable windows, personalized air-conditioning units). The module is integrated within the ESP-r free software, a whole-building energy simulation program. Simulation results clearly show that occupants-based phenomena exert a strong influence on simulated energy use, revealing a number of limitations in key assumptions in current energy simulation practice. Key behavioural traits, commonly associated to lighting behavioural patterns, also appear to be associated to personal control of operable windows, as demonstrated in a pilot field study in a Université Laval pavilion in Québec. This may suggest an abstract quality to certain behavioural concepts regarding different environmental controls. The study then focuses on the use of the developed work to investigate the energy saving potential of novel yet untried strategies: adaptive comfort control algorithms in hybrid environments, based on the use of operable windows as switching mechanisms between natural and artificial modes of environmental control. Results suggest that for both heating- and cooling-dominant climates, adaptive comfort control effectively reduces cooling requirements, yet operable window use during cooler conditions appear to increase heating requirements. The usefulness of the original method is here illustrated by providing a more complete view on energy use attributed to occupant behaviour.

Les changements anthropiques peuvent affecter de manière inattendue les écosystèmes, y compris les agroécosystèmes. Une technologie qui pourrait provoquer de tels effets est l'éclairage artificiel utilisé pour maintenir la productivité des cultures en serre. L'allongement de la photopériode et la qualité spectrale artificielle des luminaires pourraient ainsi affecter les insectes ravageurs et leurs ennemis naturels. L'hypothèse de cette étude est que l'utilisation de lampes DELs peut améliorer l'efficacité de la lutte biologique par le parasitoïde Aphidius matricariae (Hymenoptera: Braconidae) contre le puceron Myzus persicae (Hemiptera: Aphididae), tout en promouvant la croissance du poivron Capsicum annuum (Solanales: Solanaceae). Afin de vérifier cette hypothèse, l'impact de quatre photopériodes (14, 16, 18 et 20 heures) et trois qualités spectrales lors de l'allongement de la photopériode sur l'activité locomotrice du parasitoïde et la fécondité du puceron a été étudié en chambres de croissance. Afin de déterminer les effets de la lumière sur ces organismes et leurs interactions dans un contexte tritrophique, l'impact de l'allongement du jour par deux régimes lumineux de qualité spectrale différente sur la croissance du poivron, la densité des pucerons et la production de momies par le parasitoïde a été étudié en serre. Mes résultats ont démontré que les conditions lumineuses ont influencé la distribution temporelle de l'activité du parasitoïde, mais n'ont pas affecté son activité totale, ni la fécondité du puceron. En serre, l'éclairage supplémentaire a accru de 127 % la matière sèche moyenne des plantes, sans affecter la densité des pucerons. Les parasitoïdes ont réduit de 93 % la densité moyenne des pucerons, peu importe le traitement lumineux étudié. Mes résultats suggèrent donc que les insectes peuvent être résilients aux changements dramatiques de l'environnement lumineux en serre, ce qui démontre qu'il est possible d'ajuster les conditions lumineuses pour optimiser la croissance des plantes sans compromettre la lutte biologique. / Anthropogenic changes to ecosystems can have unexpected side effects, including in agroecosystems. One technology that may produce such side effects is supplemental light, which is used to maintain productivity in greenhouse crops. The lengthened photoperiods and artificial spectral qualities of the lamps used may also affect greenhouse pests and their natural enemies. The hypothesis of this research is that LED greenhouse illumination can improve efficacy of biological control by the parasitoid Aphidius matricariae (Hymenoptera: Braconidae) against the aphid Myzus persicae (Hemiptera: Aphididae) while promoting the growth of the bell pepper Capsicum annuum (Solanales: Solanaceae). To test this hypothesis, the impact of four photoperiods (14, 16, 18, and 20 hours) and three spectral qualities for day length extension on the locomotor activity of the parasitoid and the fecundity of the aphid were tested in growth chambers. To examine the effects of light on the organisms and their interactions in a tri-trophic context, the effects of day extensions of two spectral qualities on bell pepper dry biomass, aphid population density, and parasitoid mummy formation were evaluated in a greenhouse. My results showed that the light conditions influenced the timing of the parasitoid's daily locomotor activity, but not its total activity. Light conditions also had no effect on aphid fecundity. In the greenhouse, supplemental LED lighting promoted plant growth, increasing dry biomass by 127% on average, without affecting aphid densities. Parasitoids reduced aphid populations by 93% on average, regardless of the LED treatment. Therefore, my findings suggest that greenhouse insects can be resilient to dramatic changes in greenhouse lighting, which shows that it is possible to adjust light conditions to optimize plant growth without compromising biocontrol.