Les réflexions spéculaires et brillantes sont très importantes pour notre perception des scèenes 3D, car elles fournissent des informations sur la forme et la matière des objets, ainsi que de nouveaux angles de vue. Elles sont souvent rendues avec peu de préecision en utilisant des cartes d?environnement. Nous avons créé des algorithmes plus préccis, sous les contraintes du rendu interactif et des scènes dynamiques, pour permettre des applications comme les jeux vidéos.<br>Nous proposons deux méthodes pour les réflexions spéculaires. La première est basée sur la rasterization et calcule la position du reflet de chaque sommet de la scène, en optimisant itérativement la longueur des chemins lumineux. Ensuite, le fragment shader interpole lin´eairement entre les sommets. Cette méthode représente les effets de parallaxe ou dépendants du point de vue, et est mieux adaptée aux réflecteurs lisses et convexes. La deuxième est un algorithme de lancer de rayons sur GPU qui utilise une hiérarchie de rayons : les rayons primaires sont rendus par rasterization, puis les rayons secondaires sont regroup´es hiérarchiquement en cônes pour former un quad-tree qui est reconstruit à chaque image. La hiérarchie de rayons est ensuite intersectée avec tous les triangles de la scène en parallèle. Cette méthode est légèrement plus lente, mais plus générale et plus précise. Nous avons étendu cet algorithme de lancer de rayons en un lancer de cônes capable de modéliser les réflexions brillantes et un anti-crénelage continu.<br>Nos techniques de lancer de rayons et de cones ont été implémentées dans le modèle de programmation du traitement de flux, pour une bonne efficacité de la carte graphique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouvel algorithme hiérarchique de réduction de flux qui est une étape clé de beaucoup d?autres applications et qui a une meilleure complexité asymptotique que les méthodes précédentes.

L'animation de scènes virtuelles en synthèse d'images est une technique maîtrisée, largement utilisée pour les effets spéciaux cinématographiques et les jeux vidéos. Elle se limite toutefois la plupart du temps à l'animation manuelle d'objets rigides. Cette thèse se propose de chercher à générer automatiquement les déformations d'un objet mou, qui plus est en temps-réel. L'application visée est la création d'un simulateur chirurgical d'opérations minimalement invasives destiné à terme à la formation des chirurgiens. Les méthodes actuelles ne permettent pas d'obtenir à la fois un réalisme visuel satisfaisant et une animation en temps-réel. Pour y parvenir nous avons utilisé les lois de l'élasticité linéaire qui garantissent le réalisme de l'animation et assurent qu'un même comportement de l'objet sera approché, quelle que soit la finesse de la discrétisation. Nous proposons alors une méthode de simulation multirésolution, qui adapte automatiquement en fonction de la simulation, pour chaque zone de l'objet, la précision des calculs pour obtenir un compromis entre une simulation grossière et très rapide ou au contraire une animation plus précise utilisant davantage de points. La partie de l'organe proche de l'outil manipulé par l'utilisateur sera ainsi animée avec une grande précision, qui diminuera dans les régions lointaines, moins importantes visuellement. Ces travaux ont abouti à la réalisation d'un prototype de simulateur chirurgical offrant une animation en temps-réel grâce à l'utilisation de la multirésolution. Le réalisme est accru par l'utilisation d'un dispositif à retour d'effort simulant la résistance de l'organe à la déformation, calculée grâce au modèle physique interne.

Les besoins grandissant en santé rendent des technologies comme la téléprésence à domicile de plus en plus intéressantes. Cependant, dans le domaine des interfaces humains-machines, il est souvent noté que négliger la façon dont est présentée l'information provenant du robot peut nuire à l'opérateur dans sa compréhension de la situation, ce qui entraîne une efficacité réduite. C'est en considérant la façon dont est traitée l'information chez l'opérateur que nous arriverons à développer une interface permettant d'allouer le maximum des capacités cognitives de l'opérateur à la tâche. De plus, les développements récents de matériel à haute performance et à coûts réduits nous permettent de mettre en oeuvre des techniques modernes de traitement d'images en temps réel. Nous proposons donc de développer un système flexible pour étudier les différentes façons de présenter l'information pertinente à la navigation efficace d'une plateforme robotique mobile. Ce système est basé sur une reconstruction en trois dimensions de l'environnement parcouru à partir des lectures de capteurs retrouvés couramment sur ces plateformes. De plus, l'utilisation d'une caméra vidéo stéréoscopique permet de reproduire l'effet de perspective tel qu'une personne sur place le percevrait. La présence d'un flux vidéo est souvent appréciée par les opérateurs et nous croyons que d'ajouter la profondeur dans notre reproduction de celui-ci est un avantage. Finalement, la caméra virtuelle de l'interface peut être continuellement réorientée de façon à fournir une perspective soit égocentrique, soit exocentrique, selon les préférences de l'opérateur. Nous validons l'utilisation de ce système en évaluant selon différentes métriques les performances d'opérateurs, autant néophytes qu'experts en robotique mobile, de façon à bien cibler les besoins fonctionnels de ce genre d'interfaces et leurs évaluations avec des populations-cibles. Nous croyons que la flexibilité quant au positionnement de la caméra virtuelle de l'interface demeure l'aspect le plus important du système. En effet, nous nous attendons â ce que cela permette à chaque opérateur d'adapter l'interface à ses préférences et les tâches en cours pour qu'il effectue son travail le plus efficacement possible. Bien que nous n'incluons pas de tâches spécifiques au domaine de la télésanté dans nos expérimentations, nous croyons que les observations de ce travail quant à la téléopération en général pourront s'appliquer éventuellement à ce domaine en particulier.

Cette thèse porte sur la modélisation et l'animation de matériaux hautement déformables en Synthèse d'Images. Le but est de créer des modèles virtuels de matière, à base de physique, capables de se déformer et d'interagir avec leur environnement de façcon automatique. La difficulté principale est d'assurer l'efficacité des calculs et la qualité visuelle résultante mˆeme dans les cas de déformations extrˆemes, pour alors permettre d'utiliser ces modèles dans le cadre de simulateurs, et plus généralement, en réalité virtuelle. Après avoir passé en revue les modèles existants, nous proposons un premier modèle hybride de matériaux hautement déformables combinant système de particules et surfaces implicites. Les avantages de ces deux techniques sont cumulés pour aboutir à un modèle global capable aussi bien de séparations que de fusions, en assurant aussi d'autres propriétés comme la conservation de volume. Nous discutons dans un second temps de l'inadéquation des systèmes de particules classiques. Une alternative est alors presentée, sous forme d'un nouveaumodèle permettant une simulation adaptative en temps et en espace, où les particules peuvent se subdiviser dans les régions subissant de fortes deformations, et au contraire se regrouper dans les régions stables. L'adaptation de la discrétisation de la matière permet ainsi de répartir les calculs de façcon efficace, tout en assurant la stabilité de la simulation. Enfin, un modèle de peau implicite active est exposé. Ce modèle permet d'animer une surface déformable chargée d'enrober un modèle physique quelconque pour à la fois lui fournir une visualisation et des propriétés physiques comme une tension de surface : on obtient ainsi une solution efficace et peu onéreuse à la visualisation du modèle particulaire adaptatif précédent, en filtrant les changements internes de discrétisation. Ainsi, ces nouveaux modèles ouvrent la voie à la simulation adaptative d'objets déformables, qui permet de minimiser les calculs pour une précision donnée.

Remodelage et Ré-éclairage Pour La Création et Manipulation de Contenu Interactif Resumé Ces dernières années, les outils et techniques d'infographie sont devenus accessibles à un public plus large, permettant á des non-spécialistes de créer du contenu numérique 2D ou 3D par eux-mêmes. Cependant, la plupart des utilisateurs n'ont pas les compétences nécessaires pour créer du contenu qui soit à la fois esthétique et utile. Dans cette thèse, nous proposons de combler cette lacune en fournissant des outils qui peuvent être employés par des utilisateurs non-experts pour aider dans la création de contenu numérique pour des mondes virtuels. Nous examinons d'abord la complexité des outils de modélisation 3D actuels, qui sont conçus pour des utilisateurs expérimentés. Notre approche permet aux utilisa- teurs de simplement déplacer les sommets d'un modèle architectural pour effectuer les changements souhaités, tout en adaptant les textures du modèle. Nous avons posé le problème comme un système d'équations linéaires représentant la structure du modèle 3D. A l'exécution, les équations sont résolues selon la méthode des moindres carrés, per- mettant à l'utilisateur de modifier le modèle 3D tout en préservant la forme générale et la texture. Nous adaptons ensuite cette approche à un environnement virtuel 3D immersif. L'utilisateur peut interagir avec le système de modélisation en utilisant des gestes, étant immergé dans un système de projection avec 4 murs. Nous étendons notre approche avec des capacités d'éclairage basiques, permettant à l'utilisateur de changer le jour de l'année et l'heure pour visualiser la distribution de la lumière à l'intérieur du modèle architectural. La dernière partie de cette thèse présente une solution qui permet aux utilisateurs de modifier l'éclairage d'une photo d'un arbre. Nous adoptons une approche de rendu volumique à un rebond pour estimer la répartition de la lumière dans le feuillage des arbres. Avec quelques photos prises à un seul moment de la journée comme entrée, notre solution permet à l'utilisateur de changer l'heure de la journée à laquelle la photo d'origine à été prise, et ce avec un éclairage cohérent.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous présentons ici plusieurs améliorations d'un algorithme de modélisation de l'éclairage, la méthode de radiosité. Pour commencer, une analyse détaillée de la méthode de radiosité hiérarchique permet de souligner ses points faibles et de mettre en évidence deux améliorations simples : une évaluation paresseuse des interactions entre les objets, et un nouveau critère de raffinement qui élimine en grande partie les raffinements inutiles. Un bref rappel des propriétés des fonctions de plusieurs variables et de leurs dérivées suit, qui permet d'abord de déduire une réécriture de l'expression de la radiosité, d'où un calcul numérique plus précis. Les méthodes d'estimation de l'erreur produite au cours du processus de modélisation de la lumière sont introduites. Nous voyons alors comment les propriétés de concavité de la fonction de radiosité permettent -- grâce au calcul des dérivées successives de la radiosité -- un contrôle complet de l'erreur commise dans la modélisation des interactions entre les objets, et donc un encadrement précis de la radiosité. Nous présentons un critère de raffinement basé sur cette modélisation des interactions, et un algorithme complet de radiosité hiérarchique intégrant ce critère de raffinement, et donc permettant un contrôle de l'erreur commise sur la radiosité au cours de la résolution. Finalement, nous présentons les méthodes de calcul pratique des dérivées successives de la radiosité (gradient et Hessien) dans le cas d'un émetteur constant sans obstacles tout d'abord, puis dans le cas d'un émetteur constant en présence d'obstacles et dans le cas d'un émetteur sur lequel la radiosité varie de façon linéaire.

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.

Entre la première thèse en informatique graphique (soutenue en 1968) et la première publicité entièrement synthétique diffusée à la télévision (en 1983), les images de synthèse se transforment en “nouvelles images”. Il ne s’agit pas d’évaluer ces prétendues images nouvelles en fonction de leurs qualités distinctives de rupture ou de continuité que l’expression a tendance à appeler, mais d’étudier leur mode de production et de représentation afin de déterminer ce qu’elles montrent des techniques employées, et les imaginaires que ces dernières véhiculent au moment d’émergence de l’image numérique, comme autant de propositions créatives mais aussi d’enjeux idéologiques. Étudiées d’un point de vue technique puis esthétique, grâce à l’étude croisée de témoignages, de littérature grise, et de l’analyse formelle des films, ces productions donnent à voir un processus de réappropriation du médium, avant et après l’image. Si elle définit une histoire « officielle » des images de synthèse en France, en replaçant aussi précisément que possible les productions dans leur environnement technique, politique et culturel, cette thèse a finalement mis en évidence les temps des images de synthèse en tant que produit innovant, depuis leurs lieux de fabrication jusqu’à leurs lieux de légitimation. Ses conclusions mettent en jeu les différentes circulations locales des hommes, des outils et des images, au moment où la politique culturelle de 1981 favorise la jonction art-ordinateur, et l’indiscipline des créations. / Between the first PhD in computer graphics (defended in 1968) and the first entirely synthetic advertisement broadcast on television (1983), computer-generated images became “new images”. The aim is not to assess these so-called new images according to their distinctive qualities of rupture or continuity, as the expression would suggest, but rather to study their mode of production and representation in order to determine what they show from the techniques employed, and the imaginative worlds that they convey at the time of the emergence of digital images, like so many creative suggestions but also ideological issues. Studied first from a technical, then from an aesthetic point of view, thanks to the cross-study of testimonies, grey literature and a formal analysis of the movies, these productions show a process of recovery of the medium, before and after the image. This PhD not only defines an “official” history of computer-generated images in France, replacing as precisely as possible the productions in their technical, political and cultural environment, but it also reveals when computer-generated images are innovating products, from their places of fabrication to their places of legitimacy. The conclusions question the different local circulations of people, tools and images, at a time when the cultural policies of the year 1981 promotes the bond between art and computer, and the indiscipline of creations.