Cette thèse traite de l’utilisation des technologies de Réalité Virtuelle (RV) dans les activités de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Plus précisément, les travaux de recherche portent sur une approche pour la modification directe et interactive d’objets CAO, notamment adaptée aux processus de conception en industrie. Généralement, les logiciels de CAO requièrent des compétences (expérience et connaissance), à la fois sur les fonctionnalités même du logiciel et les représentations utilisées, ainsi que sur les objets CAO concernés (principalement sur leur historique de construction, savoir de quelle façon ils ont été construits). D’un autre coté, la RV apporte de nouveaux paradigmes d’interaction 3d, tels que l’immersion et la perception multi-sensorimotrice (stéréoscopie, audio 3d, haptique, etc.), et il apparaît nécessaire de disposer de middleware intelligents pour gérer les objets CAO dans ces Environnements Virtuels (EV) immersifs. De précédents travaux ont proposé un mécanisme d’édition implicite d’objets CAO permettant la modification du Graphe d’Historique de Construction (GHC) de ces objets à partir de la manipulation de la représentation visuelle 3d de ces objets. Basé sur un processus d’étiquetage des éléments de frontière (B-Rep), et couplé avec un moteur d’inférence, ce mécanisme décrit un chaînage arrière entre ces éléments de frontières et les opérateurs d’un GHC. Cependant, cette approche avait pour limite majeure de proposer un modèle particulier de GHC, ce qui l’empêchait d’être intégrée à des systèmes CAO fermés ou commerciaux tels que ceux utilisés dans l’industrie et en particulier l’industrie automobile. Notre première contribution consiste donc en la proposition d’un modèle et d’une architecture permettant de généraliser ce mécanisme de chaînage arrière à n’importe quel système CAO basé sur les représentations de type B-Rep et GHC. Pour ce faire, nous avons spécifié plusieurs structures d’encapsulation pour la gestion des opérateurs du GHC ainsi que de leurs paramètres, et des composants de B-Rep. Deuxièmement, le précédent étiquetage, désormais attaché à ces structures d’encapsulation et non plus aux éléments de B-Rep directement, a été étendu pour permettre un chaînage arrière multiple. Certains éléments de frontières peuvent en effet être le résultat de plusieurs opérateurs du GHC, être liés à plusieurs éléments "parents", et ainsi plusieurs décisions peuvent être inférées à partir de leur manipulation. Ces avancées rendent possible la modification directe et intuitive d’objets CAO déjà existants (i.e. via le parcours et l’analyse de base de données CAO précédemment créées), en analysant leur GHC et en remplissant nos structures avec les données nécessaires. De plus, le mécanisme de chaînage arrière multiple renforce la capacité du moteur d’inférence, à libérer les utilisateurs, et spécialement les non-experts, de connaissances trop complexes à propos des modèles CAO. Comme preuve de concept de notre modèle, nous présentons un exemple détaillé de notre approche sur le noyau géométrique de CATIA et montrons comment notre modèle permet d’envisager un nouveau concept d’interaction en revue de projet immersive : permettre aux participants de modifier directement les modèles CAO sans quelque interaction sur station de travail. / This thesis addresses the use of Virtual Reality (VR) technologies in the activities of Computer-Aided Design (CAD). More precisely, this research focuses on an approach for direct and interactive modifications of CAD objects, an approach which might be adapted to the conception process in industry. Usually, CAD software requires some skills (experience and knowledge), on the software’s functionalities and representations, as well as on CAD objects (principally on their design history, on the way they were built). Moreover, VR technologies bring new interactive paradigms of 3D interaction, such as immersion and multi-sensorimotor perception stereoscopy, 3D audio, haptics, and so on), and one needs intelligent middleware to manage CAD objects in these immersive Virtual Environments (VE). Some previous work proposed a mechanism allowing implicit edition of CAD objects, from the manipulation of their 3D visual representations. Based on a technique of Boundary Representations (B-Rep) elements labelling, and coupled with an inference engine, this mechanism describes a backward chaining of B-Rep elements towards the operators of a dedicated model of Constructive History Graphs (CHG). However, this approach had a major limitation: since it was based on a specific model of CHG, its integration within commercial CAD softwares used in industry (and especially in automotive industry) was far from obvious. Our first contribution is then to propose a data model and an architecture to generalize this backward chaining mechanism to any of CAD system based on B-Rep and CHG representations. In order to do that, we have designed several encapsulations structures, to manage CHG operators and their parameters, and the B-Rep components. Secondly, the previous labelling, now attached to these structures, has been extended to enable a multi backward chaining. Actually, some B-Rep elements may be the result of several CHG operators, and thus, several decisions may be inferred from their manipulation. These improvements make possible to have direct and interactive modifications of existing CAD objects by parsing their CHG to fill our structures with useful data. Moreover, the multi backward chaining mechanism reinforces the ability of the inference engine to free users, especially non-expert ones, from too complex understandings on CAD models. As a proof of concept of our model, we present an detailed example of our approach on the geometric kernel of CATIA and we show how one can consider new concepts of interaction during immersive project reviews: to allow participants to directly modify CAD objects without any interaction on desktop workstation.

Les propriétés de symétrie d'un objet représenté sous la forme d'un modèle B-Rep CAO sont analysées localement et globalement à travers une approche de type diviser pour conquérir. La surface frontière de l'objet est décrite à partir de surfaces canoniques fréquemment utilisées dans les formes de composants mécaniques. La première phase de l'analyse consiste en la génération de faces et d'arêtes maximales indépendantes du processus de modélisation de l'objet mais préservant ses propriétés de symétrie. Ces faces et arêtes constituent des ensembles infinis de points traités globalement. La seconde phase est l'étape de division consistant en la création de plan et axes de symétrie de candidats pour les faces et arêtes maximales générées précédemment. Enfin, suit l'étape de propagation de ces plans et axes de symétrie représentant la phase de conquête et déterminant les propriétés de symétrie locales et globales de l'objet et caractérisant ses zones non-symétriques. / Symmetry properties of objects described as B-Rep CAD models are analyzed locally as well as globally through an approach of type divide-and-conquer. The boundary of the object is defined using canonical surfaces frequently used when shaping mechanical components. Then, the first phase consists in generating maximal faces and edges that are independent from the object modelling process but that preserve its symmetry properties. These faces and edges form infinite sets of points that are processed globally. The second phase is the division one that creates candidate symmetry planes and axes attached to the previous maximal edges and faces. Finally, comes the propagation step of these candidate symmetry planes and axes forming the conquer phase that determines the local as well as the global symmetries of the object while characterizing its asymmetric areas.

La rénovation et la réhabilitation énergétique du parc de bâtiment est un des grands défis identifiés pour les décennies à venir. Devant cet impératif d'une rénovation d'ampleur du parc construit, les solutions techniques utilisant des ossatures rapportées sont employées de plus en plus fréquemment car elles permettent de combiner performance thermique, renouvellement esthétique et ajouts fonctionnels. Une des difficultés dans l'amélioration et l'automatisation des projets de rénovation est liée à la connaissance de la géométrie du bâti existant. Des plans de l'état existant ne sont pas toujours disponibles, et dans le cas échéant, ne sont pas forcément exacts en raison de modifications apportées au bâti et non documentées ou d'écarts initiaux entre les plans et la réalisation. Après une étude bibliographique des méthodes existantes détaillées dans le chapitre 1. Les travaux menés dans le cadre d'une collaboration entre le CRITT Bois et le CRAN ont permis de développer une méthode automatique de reconstruction 3D du modèle de bâtiments à partir de nuages de points obtenus par scanner LASER terrestre. La méthode proposée se décompose en trois phases principales. La première phase détaillée dans le deuxième chapitre, consiste à segmenter le nuage de points en plusieurs plans représentants les façades du bâtiment. L'exploitation de la colorimétrie durant la phase de segmentation du nuage de points permet une réduction importante de la complexité de l'algorithme de segmentation géométrique. L'approche consiste à effectuer dans un premier temps une classification préalable du nuage de points en se basant sur les informations colorimétriques de chaque point. Puis, dans un second temps, il s'agit d'effectuer une segmentation géométrique du nuage de points en utilisant un algorithme de segmentation robuste (RANSAC). Le chapitre 3 présente la deuxième phase qui consiste à modéliser le pas d'échantillonnage de la surface à partir duquel on définit le seuil d'extraction des points de contours. Le but étant d'améliorer la fiabilité d'extraction des points de contours, ainsi que l'approximation de l'erreur sur le modèle. Le chapitre 4 détaille les principales étapes de la reconstruction d'un modèle filaire. Dans un premier temps les régions définies par les points de contours sont classées en Régions d'Irrégularités (RI), Régions d'Eléments Architecturaux (REA) comme les fenêtres et Régions de Façade (RF) représentées par les contours extérieurs de la façade. La deuxième étape consiste à modéliser les différentes régions, par un maillage de Delaunay pour les RI, et des polyèdres pour les RF et REA. La dernière étape calcule une approximation de l'erreur sur le modèle. Les tests de fiabilité de la méthode ont été réalisés sur des chantiers réels conduits par des industriels de la construction et de la rénovation. Il en ressort que la qualité de la reconstruction 3D reste fortement dépendante des facteurs d'acquisition ainsi que de la surface numérisée. L'approximation de l'erreur de modélisation permet ainsi de prévoir à l'avance les erreurs sur le modèle CAO. / The renovation and the improvement of the energy efficiency of existing housing stock is one of big challenges identified for coming decades. In front of this imperative, timber based elements for building renovation are more and more used due to their substantial improvement of the building insulation, aesthetic renewal and functional additions. However, this technology faces some difficulties, one of them is the improvement of the renovation projects automation, which is bound to the knowledge of the existing built geometry. The plans representing the existing state of the building are not always available, and if so, they may be not exact, because the modifications made on the building are usually undocumented. After a literature review of existing methods which are detailed the first chapter. The work within the framework of cooperation between the CRITTBois and CRAN have allowed to develop an automatic method for 3D building CAD model reconstruction from point clouds acquired by a terrestrial LASER scanner. The proposed method is composed of three main phases. The first one detailed in the second chapter, consists in segmenting the point cloud into planar patches representing the building facades. To decrease the segmentation algorithm complexity, the colorimetric information is also considered. The approach consists in making a colorimetric classification of the point cloud in a first step, then a geometrical segmentation of the point cloud using a robust segmentation algorithm (RANSAC). The third chapter presents the second phase of our approach consists in surface sampling steps modeling and boundary point extraction. Here, we consider a local threshold defined according to the approximated surface sampling steps. The aim of considering local threshold is to improve the reliability of the boundary point extraction algorithm and approximating the CAD model error. The last chapter presents the main three steps of the boundary model reconstruction method. The first step consists in classifying the regions defined by their boundary points into three types of regions: Irregularity Region (IR), Architectural Element Region (AER) as windows, and Facades Regions (FR) which represent the building facades defined by their outer boundaries. The second step consists in modeling these regions considering a Delaunay triangulation for the IR and a polyhedral model for the AER and the FR. The third step consists in making an approximation of the error in the model. The method reliability tests were conducted on real projects; they were performed by industrial construction and renovation professionals. The tests show that the quality of the 3D reconstruction remains strongly dependent to the acquisition factors and the scanned surface properties. Also, the approximation of the modeling error can predict in advance the errors on the CAD model.

Les propriétés de symétrie d'un objet représenté sous la forme d'un modèle B-Rep CAO sont analysées localement et globalement à travers une approche de type diviser pour conquérir. La surface frontière de l'objet est décrite à partir de surfaces canoniques fréquemment utilisées dans les formes de composants mécaniques. La première phase de l'analyse consiste en la génération de faces et d'arêtes maximales indépendantes du processus de modélisation de l'objet mais préservant ses propriétés de symétrie. Ces faces et arêtes constituent des ensembles infinis de points traités globalement. La seconde phase est l'étape de division consistant en la création de plan et axes de symétrie de candidats pour les faces et arêtes maximales générées précédemment. Enfin, suit l'étape de propagation de ces plans et axes de symétrie représentant la phase de conquête et déterminant les propriétés de symétrie locales et globales de l'objet et caractérisant ses zones non-symétriques.

No description available.

Blend recognition and suppression from a tessellated model is important in applications such as model simplification in analysis and collaborative design where tessellated models are being used. This could also be used to pre-process the model before attempting to recognize form features in it. A procedure is described for recognizing and subsequently suppressing blends (fillets/rounds) in a tessellated model of a part. Earlier efforts on recognizing secondary features such as blends have used the boundary representation (B-Rep) of the part as input. Blend recognition and suppression from a tessellated model has not been addressed to the best of our knowledge. There has been work reported on the related problem of segmentation of tessellated surfaces. Segmentation refers to the decomposition of the object into regions where the underlying surfaces having similar characteristics. The segmented surface may be of any of surface like plane surface. There are two broad approaches to segmentation - vertex-based and edge-based. The vertex-based method clusters triangles consisting of connected vertices having the same attribute. One drawback of this method is that the boundaries of the clustered regions are not clearly defined due to difference in the labels of contiguous vertices. The edge-based method is based upon the dihedral angle at each edge in the tessellated model. The main drawback of this method is that edges in the boundary of the segmented patches are disconnected. This will result in an incomplete bounding loop when used for recognizing features. Smooth transitions at the boundary of features cannot be trapped with this approach. These techniques cannot be therefore used for recognizing blends. There have been efforts to recognize and suppress blends in a B-Rep model. Suppressing blend features in a B-Rep model is easier (compared to suppression from tessellated model) because smooth edges provide a clue to presence of blends. In the case of a tessellated model, the bounding loop of blends will not consist of smooth edges and no explicit signature is available for blends. In B-Rep model, information about the radius of blend is also available while this is not directly available in a tessellated model. Constant radius blends meet the requirements of most blending features encountered in mechanical part design. The surfaces forming a constant radius blend may be classified as cylindrical, spherical and toroidal surfaces. Spherical blend is formed by a blending operation at a vertex at which either three concave linear edges or three convex linear edges are incident. Blending operation on a linear edge forms cylindrical blend. Toroidal blend is formed by a blending operation on a circular edge. This circular edge may be closed (end vertices are identical) or open. Toroidal blend is also formed at a vertex at which at least one convex and one concave edge is incident. So toroidal blend can be classified into closed toroidal blend, open toroidal blend and vertex toroidal blend. In recognition process, for every triangle, cylindrical, spherical and toroidal surface parameters are calculated. In the second step, triangles having same surface parameters are clustered. The cluster of triangles are then classified as a blend or a form feature. Finally, toroidal blends are classified as one of the three types of toroidal blend. Procedures for the suppression of edge cylindrical blend and edge toroidal blend are described. At the present time, vertex blends are not suppressed individually. Rather in the process of suppressing edge blends, vertex blends are also suppressed. The parent surfaces that were blended are identified using the bounding loops of the blends. Triangles in the blend are then deleted and the parent surfaces are extended to suppress the feature. The key issues in suppression are - identification of all the surfaces at the blend, identification of the entities that were blended (edges and vertices) and updating the tessellated model. Results of constant radius blend recognition and suppression, on benchmark parts from NIST design repository are presented. This is followed by a discussion on the correctness of the recognition procedures. The thesis concludes by summarizing the contributions and identifies the following are as recognition of variable radius blends, blends on non-linear surfaces, suppression of all small volumetric feature as areas for further research.

Ce travail prend place au sein d'une recherche sur la modélisation 3d des scènes géologiques. Son apport spécifique est le suivant: 1) une réflexion générale est menée sur la géométrie des principaux types de corps géologiques ; 2) une réflexion est également menée, au vu notamment des travaux réalisés antérieurement ; 3) à la suite de cette réflexion d'ensemble, nous centrons la réflexion sur un problème particulier: celui de la modélisation d'objets de forme quelconque susceptibles d'être déformés ou d'être composés entre eux. Nous montrons que la question essentielle sous-jacente a une modélisation est celle du choix d'une structure de données ; 4) définition d'une structure hybride, l'arbre BSP mixte ; 5) au terme de la réflexion, nous avons construit le logiciel granite.

Les entreprises aéronautiques ont un besoin continu de générer de grands et complexes modèles de simulation, en particulier pour simuler le comportement structurel de sous-systèmes de leurs produits. Actuellement, le pré-traitement des modèles de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) issus des maquettes numériques de ces sous-systèmes en Modèles Eléments Finis (MEF), est une tâche qui demande de longues heures de travail de la part des ingénieurs de simulation, surtout lorsque des idéalisations géométriques sont nécessaires. L'objectif de ce travail de thèse consiste à définir les principes et les opérateurs constituant la chaîne numérique qui permettra, à partir de maquettes numériques complexes, de produire des géométries directement utilisables pour la génération de maillages éléments finis d'une simulation mécanique. A partir d'une maquette numérique enrichie d'information sur les interfaces géométriques entre composants et d'information sur les propriétés fonctionnelles de l'assemblage, l'approche proposée dans ce manuscrit est d'ajouter un niveau supplémentaire d'enrichissement en fournissant une représentation structurelle de haut niveau de la forme des composants CAO. Le principe de cet enrichissement est d'extraire un graphe de construction de modèles CAO B-Rep de sorte que les processus de génération de forme correspondants fournissent des primitives volumiques directement adaptées à un processus d'idéalisation. Ces primitives constituent la base d'une analyse morphologique qui identifie dans les formes des composants à la fois des sous-domaines candidats à l'idéalisation mais également les interfaces géométriques qui leurs sont associées. Ainsi, les modèles de composants et leurs représentations géométriques sont structurés. Ils sont intégrés dans la maquette numérique enrichie qui est ainsi contextualisée pour la simulation par EF. De cette maquette numérique enrichie, les objectifs de simulation peuvent être utilisés pour spécifier les opérateurs géométriques adaptant les composants et leurs interfaces lors de processus automatiques de préparation d'assemblages. Ainsi, un nouveau procédé d'idéalisation de composant unitaire est proposé. Il bénéficie de l'analyse morphologique faite sur le composant lui fournissant une décomposition en sous-domaines idéalisables et en interfaces. Cette décomposition est utilisée pour générer les modèles idéalisés de ces sous-domaines et les connecter à partir de l'analyse de leurs interfaces, ce qui conduit à l'idéalisation complète du composant. Enfin, le processus d'idéalisation est étendu au niveau de l'assemblage et évolue vers une méthodologie de pré-traitement automatique de maquettes numériques. Cette méthodologie vise à exploiter l'information fonctionnelle de l'assemblage et les informations morphologiques des composants afin de transformer à la fois des groupes de composants associés à une même fonction ainsi que de traiter les transformations d'idéalisation de l'assemblage. Pour démontrer la validité de la méthodologie, des opérateurs géométriques sont développés et testés sur des cas d'application industriels. / Aeronautical companies face a significant increase in complexity and size of simulation models especially at the level of assemblies, sub-systems of their complex products. Pre-processing of Computer Aided Design (CAD) models derived from the digital representation of sub-systems, i.e., Digital Mock-Ups (DMUs), into Finite Elements Analysis (FEA) models requires usually many tedious manual tasks of model preparation and shape transformations, in particular when idealizations of components or assemblies have to be produced. Therefore, the purpose of this thesis is to make a contribution to the robust automation of the time-consuming sequences of assembly preparation processes. Starting from an enriched DMU with geometrical interfaces between components and functional properties, the proposed approach takes DMU enrichment to the next level by structuring components' shapes. This approach extracts a construction graph from B-Rep CAD models so that the corresponding generative processes provide meaningful volume primitives for idealization application. These primitives form the basis of a morphological analysis which identifies the sub-domains for idealization in the components' shapes and their associated geometric interfaces. Subsequently, models of components as well as their geometric representation get structured in an enriched DMU which is contextualized for FEA application. Based on this enriched DMU, simulation objectives can be used to specify geometric operators that can be robustly applied to automate components and interfaces shape transformations during an assembly preparation process. A new idealization process of standalone components is proposed while benefiting from the decomposition into sub-domains and their geometric interfaces provided by the morphological analysis of the component. Interfaces between sub-domains are evaluated to robustly process the connections between the idealized sub-domains leading to the complete idealization of the component. Finally, the scope of the idealization process is extended to shape transformations at the assembly level and evolves toward a methodology of assembly pre-processing. This methodology aims at exploiting the functional information of the assembly and interfaces between components to perform transformations of groups of components and assembly idealizations. In order to prove the applicability of the proposed methodology, corresponding operators are developed and successfully tested on industrial use-cases.

Selon la méthode utilisée pour construire un modèle structural en trois dimensions et selon l'application à laquelle il est destiné, son maillage, en d'autres termes sa représentation informatique, doit être adapté afin de respecter des critères de type, de nombre et de qualité de ses éléments. Les méthodes de maillage développées dans d'autres domaines que la géomodélisation ne permettent pas de modifier le modèle d'entrée. Ceci est souhaitable en géomodélisation afin de mieux contrôler le nombre d'éléments du maillage et leur qualité. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de maillage permettant de remplir ces objectifs afin de gérer la complexité géométrique des modèles structuraux définis par frontières. Premièrement, une analyse des sources de complexité géométrique dans ces modèles est proposée. Les mesures développées constituent une première étape dans la définition d'outils permettant la comparaison objective de différents modèles et aident à caractériser précisément les zones plus compliquées à mailler dans un modèle. Ensuite, des méthodes originales de remaillage surfacique et de maillage volumique fondées sur l'utilisation des diagrammes de Voronoï sont proposées. Les fondements de ces deux méthodes sont identiques : (1) une optimisation de type Voronoï barycentrique est utilisée pour globalement obtenir un nombre contrôlé d’éléments de bonne qualité et (2) des considérations combinatoires permettant de construire localement le maillage final, éventuellement en modifiant le modèle initial. La méthode de remaillage surfacique est automatique et permet de simplifier un modèle à une résolution donnée. L'originalité de la méthode de maillage volumique est que les éléments générés sont de types différents. Des prismes et pyramides sont utilisés pour remplir les zones très fines du modèle, tandis que le reste du modèle est rempli avec des tétraèdres / Depending on the specific method used to build a 3D structural model, and on the exact purpose of this model, its mesh must be adapted so that it enforces criteria on element types, maximum number of elements, and mesh quality. Meshing methods developed for applications others than geomodeling forbid any modification of the input model, that may be desirable in geomodeling to better control the number of elements in the final mesh and their quality. The objective of this thesis is to develop meshing methods that fulfill this requirement to better manage the geometrical complexity of B-Rep geological structural models. An analysis of the sources of geometrical complexity in those models is first proposed. The introduced measures are a first step toward the definition of tools allowing objective comparisons of structural models and permit to characterize the model zones that are more complicated to mesh. We then introduce two original meshing methods based on Voronoi diagrams: the first for surface remeshing, the second for hybrid gridding. The key ideas of these methods are identical: (1) the use of a centroidal Voronoi optimization to have a globally controlled number of elements of good quality, and (2) combinatorial considerations to locally build the final mesh while sometimes modifying the initial model. The surface remeshing method is automatic and permits to simplify a model at a given resolution. The gridding method generates a hybrid volumetric mesh. Prisms and pyramids fill the very thin layers of the model while the remaining regions are filled with tetrahedra