La modélisation 3d automatique d'un environnement à partir d'images est un sujet toujours d'actualité en vision par ordinateur. Ce problème se résout en général en trois temps : déplacer une caméra dans la scène pour prendre la séquence d'images, reconstruire la géométrie, et utiliser une méthode de stéréo dense pour obtenir une surface de la scène. La seconde étape met en correspondances des points d'intérêts dans les images puis estime simultanément les poses de la caméra et un nuage épars de points 3d de la scène correspondant aux points d'intérêts. La troisième étape utilise l'information sur l'ensemble des pixels pour reconstruire une surface de la scène, par exemple en estimant un nuage de points dense.Ici nous proposons de traiter le problème en calculant directement une surface à partir du nuage épars de points et de son information de visibilité fournis par l'estimation de la géométrie. Les avantages sont des faibles complexités en temps et en espace, ce qui est utile par exemple pour obtenir des modèles compacts de grands environnements comme une ville. Pour cela, nous présentons une méthode de reconstruction de surface du type sculpture dans une triangulation de Delaunay 3d des points reconstruits. L'information de visibilité est utilisée pour classer les tétraèdres en espace vide ou matière. Puis une surface est extraite de sorte à séparer au mieux ces tétraèdres à l'aide d'une méthode gloutonne et d'une minorité de points de Steiner. On impose sur la surface la contrainte de 2-variété pour permettre des traitements ultérieurs classiques tels que lissage, raffinement par optimisation de photo-consistance ... Cette méthode a ensuite été étendue au cas incrémental : à chaque nouvelle image clef sélectionnée dans une vidéo, de nouveaux points 3d et une nouvelle pose sont estimés, puis la surface est mise à jour. La complexité en temps est étudiée dans les deux cas (incrémental ou non). Dans les expériences, nous utilisons une caméra catadioptrique bas coût et obtenons des modèles 3d texturés pour des environnements complets incluant bâtiments, sol, végétation ... Un inconvénient de nos méthodes est que la reconstruction des éléments fins de la scène n'est pas correcte, par exemple les branches des arbres et les pylônes électriques. / The automatic 3d modeling of an environment using images is still an active topic in Computer Vision. Standard methods have three steps : moving a camera in the environment to take an image sequence, reconstructing the geometry of the environment, and applying a dense stereo method to obtain a surface model of the environment. In the second step, interest points are detected and matched in images, then camera poses and a sparse cloud of 3d points corresponding to the interest points are simultaneously estimated. In the third step, all pixels of images are used to reconstruct a surface of the environment, e.g. by estimating a dense cloud of 3d points. Here we propose to generate a surface directly from the sparse point cloud and its visibility information provided by the geometry reconstruction step. The advantages are low time and space complexities ; this is useful e.g. for obtaining compact models of large and complete environments like a city. To do so, a surface reconstruction method by sculpting 3d Delaunay triangulation of the reconstructed points is proposed.The visibility information is used to classify the tetrahedra in free-space and matter. Then a surface is extracted thanks to a greedy method and a minority of Steiner points. The 2-manifold constraint is enforced on the surface to allow standard surface post-processing such as denoising, refinement by photo-consistency optimization ... This method is also extended to the incremental case : each time a new key-frame is selected in the input video, new 3d points and camera pose are estimated, then the reconstructed surface is updated.We study the time complexity in both cases (incremental or not). In experiments, a low-cost catadioptric camera is used to generate textured 3d models for complete environments including buildings, ground, vegetation ... A drawback of our methods is that thin scene components cannot be correctly reconstructed, e.g. tree branches and electric posts.

Dado um processo de Poisson d-dimensional, construímos funções harmônicas na triangulação de Delaunay associada, com comportamento assintótico linear, como limite de um processo de harness sem ruído. Tais funções permitem que construamos uma nova imersão da triangulação de Delaunay, que denominaremos de deformação harmônica. / Given a d-dimensional Poisson point process, we construct harmonic functions on the associated Delaunay triangulation, with linear assymptotic behaviour, as the limit of a noiseless harness process. These mappings allow us to find a new embedding for the Delaunay triangulation. We call it harmonic deformation of the graph.

Dado um processo de Poisson d-dimensional, construímos funções harmônicas na triangulação de Delaunay associada, com comportamento assintótico linear, como limite de um processo de harness sem ruído. Tais funções permitem que construamos uma nova imersão da triangulação de Delaunay, que denominaremos de deformação harmônica. / Given a d-dimensional Poisson point process, we construct harmonic functions on the associated Delaunay triangulation, with linear assymptotic behaviour, as the limit of a noiseless harness process. These mappings allow us to find a new embedding for the Delaunay triangulation. We call it harmonic deformation of the graph.

Cette thèse est une contribution à un problème classique de la géométrie algorithmique et combinatoire : l’étude des k-sets d’un ensemble V de n points du plan. Nous introduisons d’abord la notion de chaîne d’inclusion de convexes qui est un ordonnancement des points de V tel qu’aucun point n’appartient à l’enveloppe convexe de ceux qui le précèdent. Tout k-set d’une sous-suite commençante de la chaîne est appelé un k-set de la chaîne. Nous montrons que le nombre de ces k-sets est un invariant de V et qu’il est égal au nombre de régions du diagramme de Voronoï d’ordre k de V. Nous en déduisons un algorithme en ligne pour construire les k-sets des sommets d’une ligne polygonale simple dont chaque sommet est à l’extérieur de l’enveloppe convexe des sommets qui le précèdent sur la ligne. Si c est le nombre total de k-sets construits, la complexité de notrealgorithme est en O(n log n+c log^2 k) et est équivalente, par k-set construit, à celle du meilleur algorithme connu. Nous montrons ensuite que la méthode algorithmique classique de division-fusion peut être adaptée à la construction des k-sets de V. L’algorithme qui en résulte a une complexité enO(n log n+c log^2 k log(n/k)), où c est le nombre maximum de k-sets d’un ensemble de n points.Nous prouvons enfin que les centres de gravité des k-sets d’une chaîne d’inclusion de convexes sont les sommets d’une triangulation qui appartient à la même famille de triangulations, dites centroïdes, que le dual du diagramme de Voronoï d’ordre k. Nous en d´déduisons un algorithme qui construit des triangulations centroïdes particulières en temps O(n log n+k(n-k) log^2 k), ce qui est plus efficace que les algorithmes connus jusque là. / This thesis is a contribution to a classical problem in computational and combinatorial geometry: the study of the k-sets of a set V of n points in the plane. First we introduce the notion of convex inclusion chain that is an ordering of the points of V such that no point is inside the convex hull of the points that precede it. Every k-set of an initial sub-sequence of the chain is called a k-set of the chain. We prove that the number of these k-sets is an invariant of V and is equal to the number of regions in the order-k Voronoi diagram of V. We then deduce an online algorithm for the construction of the k-sets of the vertices of a simple polygonal line such that every vertex of this line is outside the convex hull of all its preceding vertices on the line. If c is the total number of k-sets built with this algorithm, the complexity of our algorithm is in O(n log n + c log^2k) and is equal, per constructed k-set, to the complexity of the best algorithm known. Afterward, we prove that the classical divide and conquer algorithmic method can be adapted to the construction of the k-sets of V. The algorithm has a complexity of O(n log n + c log^2k log(n/k)), where c is the maximum number of k-sets of a set of n points. We finally prove that the centers of gravity of the k-sets of a convex inclusion chain are the vertices of a triangulation belonging to the family of so-called centroid triangulations. This family notably contains the dual of the order-k Voronoi diagram. We give an algorithm that builds particular centroid triangulations in O(n log n + k(n- k) log^2 k) time, which is more efficient than all the currently known algorithms.

La majorité des algorithmes de reconstruction de surface sont optimisés pour s'appliquer à des données de haute qualité. Les résultats obtenus peuvent alors être inutilisables si les données proviennent de solutions d'acquisition bon marché. Notre première contribution est un algorithme de reconstruction de surfaces à partir de données de stéréo vision. Il combine les informations liées aux points 3D avec les images calibrées afin de combler l'imprécision des données. L'algorithme construit une soupe de triangles 3D à l'aide des images calibrées et à l'issue d'une phase de prétraitement du nuage de points. Pour épouser au mieux la surface de la scène, on contraint cette soupe de triangle 3D à respecter des critères de visibilité et de photo-consistance. On calcule ensuite un maillage à partir de la soupe de triangles à l'aide d'une technique de reconstruction qui combine les triangulations de Delaunay contraintes et le raffinement de Delaunay. Notre seconde contribution est un algorithme qui construit, à partir d'un nuage de points 3D échantillonnés sur une surface, un maillage de surface qui représente fidèlement les arêtes vives. Cet algorithme génère un bon compromis entre précision et complexité du maillage. Dans un premier temps, on extrait une approximation des arêtes vives de la surface sous-jacente à partir du nuage de points. Dans un deuxième temps, on utilise une variante du raffinement de Delaunay pour générer un maillage qui combine les arêtes vives extraites avec une surface implicite obtenue à partir du nuage de points. Notre méthode se révèle flexible, robuste au bruit; cette méthode peut prendre en compte la résolution du maillage ciblé et un champ de taille défini par l'utilisateur. Nos deux contributions génèrent des résultats efficaces sur une variété de scènes et de modèles. Notre méthode améliore l'état de l'art en termes de précision.

L'acquisition de modèles 3D des scènes réelles trouve son utilité dans de nombreuses applications pratiques, comme l'archivage numérique, les jeux vid eo, l'ingénierie, la publicité. Il existe principalement deux méthodes pour acqu érir un modèle 3D: la reconstruction avec un scanner laser (méthode active) et la reconstruction à partir de plusieurs photographies d'une même scène prise dans des points de vues différents (méthode passive). La méthode passive, ou la stéréo multi-vues est en revanche plus flexible, facile à mettre en oeuvre avec une grande précision, et surtout moins couteuse que la méthode active. Cette thèse s'attaque au problème de la reconstruction de stereo multi-vues à grande échelle . Nous améliorons des méthodes précédentes et les assemblons pour créer une chaine de stereo multi-vues efficace tirant parti de l'accélération des cartes graphiques. La chaîne produit des maillages de qualité à partir d'images de haute résolution, ce qui permet d'atteindre les meilleurs scores dans de nombreuses évaluations. Aux plus grandes échelles, nous développons d'une part des techniques de type diviser-pour-régner pour reconstruire des morceaux partiaux de la scène. D'autre part, pour combiner ces résultats séparés, nous créons une nouvelle méthode qui fusionne rapidement des centaines de maillages. Nous réussissons à reconstruire de beaux maillages urbains et des monuments historiques précis à partir de grandes collections d'images (environ 1600 images de 5M Pixel).

Η παρούσα διατριβή κινείται στο χώρο των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τη σύνθεση μηχανισμών που βελτιώνουν τη λειτουργία τους. Ο όρος Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα αναφέρεται στα συστήματα των οποίων τα δομικά στοιχεία συνδέονται μέσω ασύρματων δικτύων, με την έμφαση να δίνεται στα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και στα δίκτυα αισθητήρων. Η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος γίνεται με γνώμονα την Ποιότητα των παρεχόμενων Υπηρεσιών του δικτύου, η οποία χρησιμοποιείται ως μέτρο αξιολόγησης και επαναπροσδιορισμού των παραμέτρων λειτουργίας αυτού. Προσεγγίζοντας το θέμα από την οπτική γωνία του δικτύου, οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων, αποστασιοποιούνται από την ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για τα διάφορα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων. Για τον λόγο αυτό, αναφορικά με το μοντέλο αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων, το ζήτημα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων προσεγγίζεται από τα ακραία επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, και συγκεκριμένα από την οπτική γωνία του Επιπέδου Εφαρμογής και του Φυσικού Επιπέδου. Στο Επίπεδο Εφαρμογής το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην διασφάλιση των περιθωρίων ευστάθειας για τα Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου. Η διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου βασίζεται σε διακοπτικές δομές ελέγχου, των οποίων οι παράμετροι λειτουργίας καθορίζονται από την Ποιότητα Υπηρεσίας του δικτύου, και συγκεκριμένα από το ποσοστό των επιτυχώς ληφθέντων πακέτων. Στο Φυσικό Επίπεδο εξετάζεται αρχικά το πρόβλημα αποκατάστασης της συνδεσιμότητας μεταξύ των μελών ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος και στην συνέχεια το πρόβλημα επαναπροσδιορισμού της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων. Οι κεντρικοποιημένοι και κατανεμημένοι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Ποιότητας Υπηρεσίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων στο Φυσικό Επίπεδο βασίζονται σε εργαλεία της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, συνδυάζοντας τα χωρικά χαρακτηριστικά ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος με δημοφιλή μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η αξιολόγηση των μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων πραγματοποιείται με την εφαρμογή τους σε κατάλληλες πειραματικές διατάξεις και σε ένα καθορισμένο σύνολο σεναρίων εξομοίωσης. / The primary objective of the present PhD thesis is the analysis and the synthesis of mechanisms and algorithms that optimize the operation of Wireless Networked Systems. The term Wireless Networked Systems is used to describe the distributed systems, whose components are interconnected over wireless networks. Referring to wireless networking, the emphasis is given at the self-organized Ad-hoc and Sensor Networks. The effort made is focused on the reconfiguration of the Quality of Service of the underlying network. From such a perspective, the mechanisms responsible for improving the Quality of Service differentiate from the design of novel, specialized communication protocols. More specifically, with respect to the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI-RM), the optimization issues of the Wireless Networked Systems’ operation are examined at the Application and Physical Layer. At the Application Layer, problems related to the guarantee of the stability margins for Wireless Networked Controlled Systems are studied. More precisely, the assurance of the desired performance for the closed-loop controlled system is based on switching control techniques. The optimization decision variables are determined by the network’s Quality of Service parameters. At the Physical Layer the objective is twofold: (a) to establish the physical connectivity among the members of the Wireless Networked System and (b) to optimize of the wireless link’s quality. Based on the combination of the spatial characteristics of the Wireless Networked Systems with large-scale radio propagation models, the centralized and distributed mechanisms, synthesized for the optimization of the network’s Quality of Service at the Physical Layer, exploit effectively concepts adopted by the Computational Geometry. Finally, properly developed experimental testbeds and network simulation scenaria are utilized to examine the efficiency of the synthesized mechanisms for the control and optimization of the operation of Wireless Networked Systems at the Application and Physical Layer.

Given a set of n points P ⊂ R2, the Delaunay graph of P for a family of geometric objects C is a graph defined as follows: the vertex set is P and two points p, p' ∈ P are connected by an edge if and only if there exists some C ∈ C containing p, p' but no other point of P. Delaunay graph of circle is often called as Delaunay triangulation as each of its inner face is a triangle if no three points are co-linear and no four points are co-circular. The dual of the Delaunay triangulation is the Voronoi diagram, which is a well studied structure. The study of graph theoretic properties on Delaunay graphs was motivated by its application to wireless sensor networks, meshing, computer vision, computer graphics, computational geometry, height interpolation, etc. The problem of finding an optimal vertex cover on a graph is a classical NP-hard problem. In this thesis we focus on the vertex cover problem on Delaunay graphs for geometric objects like axis-parallel slabs and circles(Delaunay triangulation). 1. We consider the vertex cover problem on Delaunay graph of axis-parallel slabs. It turns out that the Delaunay graph of axis-parallel slabs has a very special property — its edge set is the union of two Hamiltonian paths. Thus, our problem reduces to solving vertex cover on the class of graphs whose edge set is simply the union of two Hamiltonian Paths. We refer to such a graph as a braid graph. Despite the appealing structure, we show that deciding k-vertex cover on braid graphs is NP-complete. This involves a rather intricate reduction from the problem of finding a vertex cover on 2-connected cubic planar graphs. 2. Having established the NP-hardness of the vertex cover problem on braid graphs, we pursue the question of improved fixed parameter algorithms on braid graphs. The best-known algorithm for vertex cover on general graphs has a running time of O(1.2738k + kn) [CKX10]. We propose a branching based fixed parameter tractable algorithm with running time O⋆(1.2637k) for graphs with maximum degree bounded by four. This improves the best known algorithm for this class, which surprisingly has been no better than the algorithm for general graphs. Note that this implies faster algorithms for the class of braid graphs (since they have maximum degree at most four). 3. A triangulation is a 2-connected plane graph in which all the faces except possibly the outer face are triangles, we often refer to such graphs as triangulated graphs. A chordless-NST is a triangulation that does not have chords or separating triangles (non-facial triangles). We focus on the computational problem of optimal vertex covers on triangulations, specifically chordless-NST. We call a triangulation Delaunay realizable if it is combinatorially equivalent to some Delaunay triangulation. Characterizations of Delaunay triangulations have been well studied in graph theory. Dillencourt and Smith [DS96] showed that chordless-NSTs are Delaunay realizable. We show that for chordless-NST, deciding the vertex cover problem is NP-complete. We prove this by giving a reduction from vertex cover on 3-connected, triangle free planar graph to an instance of vertex cover on a chordless-NST. 4. If the outer face of a triangulation is also a triangle, then it is called a maximal planar graph. We prove that the vertex cover problem is NP-complete on maximal planar graphs by reducing an instance of vertex cover on a triangulated graph to an instance of vertex cover on a maximal planar graph.

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

Étant donné un ensemble S de points du plan, une triangulation de S est une décomposition de l'enveloppe convexe de S en triangles dont les sommets sont les points de S. Une triangulation de S est dite de Delaunay si le cercle circonscrit à chaque triangle ne contient aucun point de S en son intérieur. Dans cette thèse, nous étudions une généralisation de ces notions à un ensemble S de segments disjoints du plan.<br />Nous commençons par définir une nouvelle famille de diagrammes, appelés triangulations de segments. Nous étudions leurs propriétés géométriques et topologiques et nous donnons un algorithme pour construire efficacement une telle triangulation.<br />Nous généralisons ensuite la notion de triangulation de Delaunay aux triangulations de segments et nous mettons en évidence la dualité avec le diagramme de Voronoï de segments.<br />Nous étendons également la légalité des arêtes au cas des triangulations de segments en définissant, d'une part, la légalité géométrique qui caractérise la triangulation de Delaunay de segments parmi l'ensemble de toutes les triangulations de segments possibles et, d'autre part, la légalité topologique qui caractérise les triangulations de segments qui ont la même topologie que celle de Delaunay.<br />Enfin, nous décrivons un algorithme de « flip » qui transforme toute triangulation de segments en une triangulation qui a la même topologie que celle de Delaunay. À l'aide de fonctions localement convexes, nous démontrons que la suite de triangulations construites par cet algorithme converge vers celle de Delaunay et nous prouvons qu'une triangulation de segments qui a la même topologie que celle de Delaunay est obtenue après un nombre fini d'étapes.