Un phénomène naturel se manifeste par des dynamiques, plus ou moins complexes, aux formes diverses et à topologie variable. Ce mouvement est induit soit par une intervention extérieure, soit par un état interne, qui induit une réorganisation de matière (une agitation ou un écoulement par exemple). CORDIS-ANIMA, système de modélisation et de simulation numérique d'objets physiques, permet par la gestion de quelques paramètres de réaliser toutes sortes de phénomènes sans connaître l'expression formelle de la physique sous-jacente à celui-ci. A l'aide de ce formalisme, nous avons réalisé des modèles de pâtes, de sable, de gel (2D et 3D), de fluides turbulents (2D) et de croissance végétales. Les calculs de simulations produisent un nuage de points matériels qui font partie intégrante de la matière simulée. Ces points n'étant pas disposés sur la surface de l'objet, il n'est dès lors pas possible de réaliser directement un rendu de la surface de cet objet. Nous avons donc mis au point des méthodes de construction volumique qui à partir des informations produites par la simulation, génèrent les indications volumiques manquantes. En étudiant les paramètres physiques des phénomènes simulés, en caractérisant les dynamiques internes révélées par les mouvements des points matériels calculés, ou encore en tentant de reproduire simplement les comportements cognitifs qui permettent à un observateur de ""deviner"" la forme d'un objet à partir d'une information de forme incomplète (i.e. un nuage de point issu de la simulation), nous avons réalisé un ensemble de techniques de construction et de rendu adaptées aux types de phénomènes simulés.

En tant qu'une nouvelle alternative à la MoCap standard, la capture de surface 4D est motivée par la demande croissante des produits médiatiques de contenu 3D très réaliste. Ce type de données fournit une information complète et réelle de la forme, l'apparence et la cinématique de l'objet dynamique d'intérêt. On aborde dans cet ouvrage certaines taches liées à l'acquisition et l'exploitation de données 4D, obtenues à travers les vidéos multi-vues, avec un intérêt particulier aux formes humaines en mouvements. Parmi ces problèmes, certains ont déjà reçu beaucoup d'intérêt de la part des communautés de vision par ordinateur et d'infographie, mais plusieurs challenges restent ouverts à cet égard. En particulier, nous abordons la synthèse d'animation basée sur des exemples, la modélisation d'apparence et le transfert sémantique de mouvement.On introduit premièrement une méthode pour générer des animations en utilisant des séquences de maillages de mouvements élémentaires d'une forme donnée. De nouveaux mouvements satisfaisant des contraints hauts-niveaux sont construites en combinant et interpolant les trames des données observées. Notre méthode apporte une amélioration local au processus de la synthèse grâce à l'optimisation des transitions interpolées, ainsi qu'une amélioration globale avec une structure organisatrice optimale qu'on appelle le graph essentiel.On aborde en suite la construction de représentations efficaces de l'apparence de formes en mouvement observées à travers des vidéos multi-vue. On propose une représentation par sujet qui identifie la structure sous-jacente de l'information d'apparence relative à uneforme particulière. La représentation propre résultante représente les variabilités d'apparence dues au point de vue et au mouvement avec les textures propres, et celles dues aux imprécisions locales dans le modèle géométrique avec les déformations propres. Outre fournir des représentation compactes, ces décompositions permettent aussi l'interpolation et la complétion des apparences.Finalement, on s'intéresse au problème de transfert de mouvement entre deux modèles 4D capturés. Étant donné des ensembles d'apprentissages pour deux sujets avec des correspondances sémantiques éparses entre des poses clés, notre méthode est capable de transférer un nouveau mouvement capturé d'un sujet vers l'autre. Nous contribuons principalement un nouveau modèle de transfert basé sur l'interpolation non-linéaire de pose et de déplacement qui utilise les processus Gaussiens de régression. / As a new alternative to standard motion capture, 4D surface capture is motivated by the increasing demand from media production for highly realistic 3D content.Such data provides real full shape, appearance and kinematic information of the dynamic object of interest. We address in this work some of the tasks related to the acquisition and the exploitation of 4D data, as obtained through multi-view videos, with an emphasis on corpus of moving subjects. Some of these problems have already received a great deal of interest from the graphics and vision communities, but a number of challenges remain open in this respect. We address namely example based animation synthesis, appearance modelling and semantic motion transfer.We first propose a method to generate animations using video-based mesh sequences of elementary movements of a shape. New motions that satisfy high-level user-specified constraints are built by recombining and interpolating the frames in the observed mesh sequences. Our method brings local improvement to the synthesis process through optimized interpolated transitions, and global improvement with an optimal organizing structure that we call the essential graph.We then address the problem of building efficient appearance representations of shapes observed from multiple viewpoints and in several movements. We propose a per subject representation that identifies the underlying manifold structure of the appearance information relative to a shape. The resulting Eigen representation encodes shape appearance variabilities due to viewpoint and illumination, with Eigen textures, and due to local inaccuracies in the geometric model, with Eigen warps. In addition to providing compact representations, such decompositions also allow for appearance interpolation and appearance completion.We finally address the problem of transferring motion between captured 4D models. Given 4D training sets for two subjects for which a sparse set of semantically corresponding key-poses are known, our method is able to transfer a newly captured motion from one subject to the other. The method contributes a new transfer model based on non-linear pose and displacement interpolation that builds on Gaussian process regression.

L'objectif de nos travaux est de faire la synthèse de mouvements plausibles et réalistes de marche humaine dans divers environnements de synthèse. Bien que la solution proposée puisse également s'appliquer aux autres mouvements de locomotion humains ou animaux, nos travaux traitent uniquement du problème de la marche humaine. Afin de résoudre ce problème, nous avons développé une approche permettant de générer une multitude de variations d'une animation issue de capture de mouvement. Ces variations sont obtenues en adaptant le mouvement original à un environnement de synthèse dont les paramètres, tels que l'inclinaison du sol ou la courbure de la trajectoire, sont variés. Nous sommes donc en mesure de produire un mouvement de marche courbe ou de marche sur un plan incliné à partir d'un mouvement de marche en ligne droite sur un sol horizontal, ce que nous qualifions d'extrapolation de mouvement. Une animation initiale, obtenue par capture de mouvement, est essentielle à la solution proposée. Adapter ce mouvement à un nouvel environnement de synthèse consiste essentiellement à ajuster les caractéristiques globales du mouvement, telles que l'orientation du personnage et sa vitesse de déplacement. Ce faisant, nous sommes en mesure de conserver les détails plus fins du mouvement qui lui confèrent son aspect humain, tels que le mouvement des bras ou la vitesse avec laquelle un pied entre en contact avec le sol. En conservant les détails fins du mouvement d'origine, la solution proposée assure un certain réalisme dans les mouvements synthétisés. Dans la solution proposée, l'adaptation du mouvement initial est basée sur le paradigme des contraintes spatio-temporelles, où la synthèse du mouvement est posée comme un problème d'optimisation numérique. En plus d'être une formulation élégante du problème, ce paradigme est tout indiqué pour faire la synthèse de mouvements physiquement plausibles. En combinant ce paradigme avec l'utilisation d'une animation initiale issue de capture de mouvement, nous sommes en mesure de produire des animations de mouvements humains plausibles et réalistes. En pratique, le problème d'optimisation sous-tendu par l'adaptation d'un mouvement par contraintes spatio-temporelles est fortement non linéaire et opère dans un espace à très grande dimensionnalité. Cette complexité peut fortement ralentir le processus d'optimisation et aller jusqu'à en empêcher la convergence. La solution proposée fait donc appel à plusieurs mécanismes afin de réduire cette complexité. Notons qu'aucun de ces mécanismes ne vient compromettre la polyvalence de l'approche, en limitant la complexité du modèle biomécanique du personnage par exemple. Parmi ces mécanismes, deux sont des contributions originales : une technique d'estimation rapide des forces de réaction du sol et une approche d'optimisation incrémentale. Ces deux mécanismes visent à simplifier le processus d'optimisation en fournissant une solution initiale très proche de la solution optimale. La technique d'estimation des forces de réaction du sol sert à donner à ces paramètres une valeur initiale qui est relativement proche de leur valeur optimale, ce qui simplifie significativement la tâche d'optimisation subséquente. Cette technique consiste à trouver, pour les phases de support double, les forces de réaction du sol minimisant l'effort interne du personnage. Ce problème peut être exprimé comme une séquence de sous-problèmes de programmation quadratiques. Cette formulation est un aspect central de notre contribution et elle permet d'atteindre la solution très efficacement. L'approche d'optimisation incrémentale proposée s'inspire des méthodes de continuation. Le mouvement original est considéré comme une solution, un mouvement optimal, pour l'environnement de capture. L'environnement de synthèse est ensuite modifié graduellement, en augmentant l'inclinaison du sol par petits incréments par exemple. À chaque incrément, un nouveau mouvement optimal est trouvé en utilisant la solution de l'incrément précédent comme point de départ. On procède de la sorte jusqu'à l'obtention du mouvement désiré pour l'environnement de synthèse considéré. Si les incréments sont suffisamment petits, la différence entre deux problèmes d'optimisation consécutifs sera petite et il en sera de même pour leur optimum respectif.

Ce mémoire de recherche-création explore le lien entre les implications théoriques et pratiques de la production de personnages numériques non réalistes. Les technologies d’imagerie de synthèse permettent aux personnages virtuels de partager l’espace filmique avec des êtres de chair dans une même image isotopique. Le réalisme perceptuel fournit un cadre conceptuel qui inscrit ces effets visuels dans une esthétique de l’illusion, initiée dès les débuts du cinéma. Le corps de l’acteur virtuel est simulé de manière à reproduire le corps réel dans ses mécanismes physiques. Cependant, le regard porté sur le corps biologique est empreint des discours et des pratiques qui l’entourent, tout comme le corps numérique est porteur de ses propres discours. Le corps physique étant une norme, les figures qui s’écartent de celle-ci exploitent la monstruosité, envisagée comme un écart par rapport à la norme, en tant qu’esthétique.

Partant de la spécification d'un univers d'objets a comportement mécanique, dynamique et visuel, le système anima propose un langage alpha-graphique a l'utilisateur pour la description de ses objets, et le moyen d'expérimenter en temps réel leur animation. On étudie l'élaboration de ressources indispensables a une phase compositionnelle, telles que mémoires de geste et mémoires d'images. Le système est vu comme la maquette d'un outil de création destine a des articles, construit autour d'un modèle général de simulation integrant les comportements vibratoires et sonores des objets.

Dans cette recherche, nous étudions les problèmes de modélisation de discontinuités topologiques d'objets physiques déformables. Parmi toutes les discontinuités topologiques possibles, nous nous intéressons à celles que nous avons qualifiées de « discontinuités de 1 vers N » dans le contexte de la modélisation physique. Entrent dans cette catégorie les phénomènes de fractures, de cassures, de déchirures et de fissures. De nombreux travaux se sont intéressés à la modélisation et la simulation de ce type de phénomènes. Plusieurs méthodes ont été proposées, à partir de systèmes de modélisation différents parmi lesquels les plus courants sont : modélisation masses – ressorts sur maillages, méthodes d'éléments finis avec et sans maillage. Une question commune qui se pose dans toutes les méthodes discutées dans cette thèse est la question des endroits fonctionnels où apparaissent et se propagent les discontinuités topologiques. Nous étudions ce problème à travers plusieurs approches sur la modélisation physique de discontinuités topologiques. Nous proposons ensuite notre approche, qui se fonde sur le formalisme masses – interactions. Nous montrons en quoi ce type de modélisation offre certaines propriétés natives pour traiter cette question. En particulier, le fait qu'elles soient par principe affranchies de toute notion de contigüité spatiale et de continuité matérielle leur permet de poser de manière très générale la question des changements d'état physique à l'origine des discontinuités topologiques observées. Nous montrons qu'une très grande majorité de changements d'états physiques peuvent se modéliser par des variations des paramètres physiques d'interactions physiques non linéaires en lieu et place de changements structurels adoptés dans majorité des travaux menés par des méthodes courante et qui conduisent à des modifications très importantes et complexes du modèle physique. Néanmoins, cela induit, des effets d'enlèvements de matière aux endroits du changement d'état puisque celui –ci est porté par l'interaction, c'est à dire une contrainte physique qui est placée entre les points matériels. Pour s'affranchir de ces effets, nous proposons alors une nouvelle méthode, qui consiste à modéliser les discontinuités topologiques sur un élément de masse physique et non pas sur un élément de contrainte physique. Nous appelons ce dispositif « MAT éclatable ». Le processus de modélisation avec les MAT éclatables s'inscrit dans le processus de modélisation masses-interactions tel que défini dans le formalisme de modélisation et de simulation de CORDIS – ANIMA. La méthode proposée permet d'effectuer des changements topologiques par modèle physique par changements structurels, mais différemment de ceux plus couramment effectuées dans les méthodes usuelles (tels que par exemple, ajout ou suppression de ressorts ou de masses), la méthode des MAT éclatables permet de maîtriser le fonctionnement du modèle physique en termes d'optimalité des transformations, de stabilité du temps de calcul et de stabilité numérique. La méthode des MAT éclatables a été développée sous forme d'un dispositif de modélisation, destiné aux utilisateurs de notre outil de modélisation CORDIS-ANIMA. Pour illustrer et valider la méthode, nous proposons un ensemble de modèles physiques modélisation des fractures et déchirures multiples apparaissant et se propageant dans des objets très déformables, des effilochures, ou des fragmentations. / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

Il est beaucoup plus fréquent d'entendre parler de capture que de mesure de mouvement. On peut y voir l'intuition que derrière le mot mouvement se conçoit un phénomène plus complexe que la donnée de marqueurs qui en constitue aujourd'hui la norme d'instrumentation rigoureuse. Si le marqueur est quantifiable, le mouvement conserve une qualité supplémentaire à explorer. Je retrace ainsi ici les travaux de recherche que j'ai encadrés ces dernières années sur cette notion de capture de mouvement, à travers les outils scientifiques que sont la mesure et le modèle. Mes activités ont été initialement dédiées à l'animation 3D, puis se sont progressivement tournées vers des enjeux liés à l'anatomie. Les contributions en animation 3D ont d'abord porté sur la recherche d'espaces paramétriques optimaux pour mesurer et générer le mouvement articulé. L'optimalité est à prendre ici au sens de la recherche d'une réduction de dimensions qui préserve au mieux la qualité du mouvement. Elle s'est déclinée autour d'applications pour l'analyse vidéo du mouvement, en particuliers animal, sur la compression de données de mouvement articulé et l'édition de pose de personnage 3D. Ces différents thèmes ce sont structurés autour de modèles d'analyse statistique multidimensionnelle appris des différentes sources données, vidéo ou articulaires, conduisant à un paramétrage de haut niveau du mouvement. J'ai ensuite abordé différents aspects de l'intégration de données réelles dans des modèles d'animation physiques. Le mouvement animal a été étudié à travers une simulation de quadrupèdes dont les paramètres ont été optimisés par rapport à des données "terrain". Le mouvement humain a quant à lui été modélisé à travers le développement d'une formulation en mécanique Lagrangienne des paramètres de haut niveau identifiés précédemment. Une mesure des aspects dynamiques a été menée pour les situations de contacts multiples avec une application d'estimation de forces directement à partir de la cinématique. Une grande partie de mon activité de recherche a aussi porté sur le développement de systèmes expérimentaux pour le petit animal de laboratoire. Les tests sur rongeurs sont les premières étapes de toute mise sur le marché de médicament, de l'évaluation de la toxicité de substance chimique impliquée dans l'agro-alimentaire et de beaucoup de recherche en génétique grace au phénotypage. L'activité motrice est un indice princeps du comportement et donc sa quantification un enjeu important. Je me suis donc intéressé à la mesure 3D du mouvement du rongeur sous diverses conditions, du laboratoire d'anatomie comparée au vol parabolique en apesanteur. Des modèles anatomiques 3D ont été développés et couplés aux méthodes d'estimation de mouvement à partir de la vidéo. Ces recherches expérimentales ont conduit à la mise en place d'une nouvelle plateforme d'analyse construite autour d'un réseau de caméras et de cinéradiograpie biplanaire.