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

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Un graphe est un objet mathématique modélisant des relations sur un ensemble d'éléments. Il est utilisé dans de nombreux domaines à des fins de modélisation. La taille et la complexité des graphes manipulés de nos jours entraînentdes besoins de visualisation afin de mieux les analyser. Dans cette thèse, nous présentons différents travaux en visualisation interactive de graphes qui s'attachent à exploiter les architectures de calcul parallèle (CPU et GPU) disponibles sur les stations de travail contemporaines. Un premier ensemble de travaux s'intéresse à des problématiques de dessin de graphes. Dessiner un graphe consiste à le plonger visuellement dans un plan ou un espace. La première contribution dans cette thématique est un algorithmede regroupement d'arêtes en faisceaux appelé Winding Roads.Cet algorithme intuitif, facilement implémentable et parallélisable permet de réduireconsidérablement les problèmes d'occlusion dans un dessin de graphedus aux nombreux croisements d'arêtes.La seconde contribution est une méthode permettant dedessiner un réseau métabolique complet. Ce type deréseau modélise l'ensemble des réactions biochimiquesse produisant dans les cellules d'un organise vivant.L'avantage de la méthode est de prendre en compte la décompositiondu réseau en sous-ensembles fonctionnels ainsi que de respecterles conventions de dessin biologique.Un second ensemble de travaux porte sur des techniques d'infographiepour la visualisation interactive de graphes. La première contribution dans cette thématique est une technique de rendude courbes paramétriques exploitant pleinement le processeur graphique. La seconde contribution est une méthodede rendu nommée Edge splatting permettant de visualiserla densité des faisceaux d'arêtes dans un dessin de grapheavec regroupement d'arêtes. La dernière contribution portesur des techniques permettant de mettre en évidence des sous-graphesd'intérêt dans le contexte global d'une visualisation de graphes. / A graph is a mathematical object used to model relations over a set of elements.It is used in numerous fields for modeling purposes. The size and complexityof graphs manipulated today call a need for visualization to better analyze them.In that thesis, we introducedifferent works in interactive graph visualisation which aim at exploiting parallel computing architectures (CPU and GPU) available on contemporary workstations.A first set of works focuses on graph drawing problems.Drawing a graph consists of embedding him in a plane or a space.The first contribution in that theme is an edge bundling algorithmnamed Winding Roads. That intuitive, easyly implementable and parallelizable algorithmallows to considerably reduce clutter due to numerous edge crossings in a graph drawing.The second contribution is a method to draw a complete metabolicnetwork. That kind of network models the whole set of biochemical reactionsoccurring within cells of a living organism. The advantage of the methodis to take into account the decomposition of the network into functionnal subsetsbut also to respect biological drawing conventions.A second set of works focuses on computer graphics techniquesfor interactive graph visualisation. The first contributionin that theme is a technique for rendering parametric curvesthat fully exploits the graphical processor unit. The second contributionis a rendering technique named Edge splatting that allowsto visualize the bundles densities in an edge bundled layout. Thelast contribution introduces some techniques for emphasizingsub-graphs of interest in the global context of a graph visualization.

La modélisation à l'aide de croquis a pour but de construire une forme tridimensionnelle à partir d'un dessin en deux dimensions. L'utilisateur dessine la silhouette de l'objet à reconstruire sur le plan de dessin, puis un algorithme génère automatiquement une forme en 3D à partir de ce croquis. La modélisation par croquis à l’avantage d’être plus simple et plus rapide que la modélisation classique qui requiert l’utilisation de logiciels complexes comme 3DS Max, Maya, Blender, etc. Les applications liées à la modélisation par croquis seraient nombreuses : dans le domaine de l'infographie, la modélisation géométrique pour les jeux vidéo le dessin industriel, les effets spéciaux, etc., serait plus rapide et moins coûteuse. La modélisation à l’aide de croquis pourrait être utilisée par tout le monde. Nous avons tous, un jour ou l’autre, fait un croquis pour expliquer le chemin à prendre pour aller à un lieu précis, un croquis pour l’agencement d’une cuisine et d’une salle de séjour, ou un croquis pour expliquer le fonctionnement d’une machine, etc. Dans ce mémoire de thèse, nous nous intéressons dans un premier temps au problème de la génération de courbes en 3D constituées d’hélices à partir de croquis. Nous présentons deux algorithmes qui traitent ce problème. Puis dans un second temps, nous nous intéressons à la génération de surfaces à partir de croquis et plus particulièrement à la génération de bas-reliefs, ces surfaces ayant l’avantage de ne pas présenter de parties cachées. / The goal of sketch based modeling is to generate a 3D shape from a 2D sketch. The user draw the outline of the object to rebuild on the sketch plane, then an algorithm automatically build the 3D shape from the sketch. Sketch based modeling is easier to use and faster than traditional technics which uses complex modeling software such as 3DS max, Maya or Blender. There is a lot of applications for sketch based modeling, for example, the geometric modeling for video games, industrial design, special effects, etc. would be faster and less expensive. Sketch based modeling can be used by anybody. We all , at one time or another , made a sketch to explain a route to take to get to a specific place , a sketch for the arrangement of a kitchen and a living room, or sketches to explain the operation of a machine, etc. In this thesis memory, we look initially to the problem of generating piecewise helix curves from 2D sketches . We present two algorithms that address this problem. Then in a second step, we focus on the generation of 3D surfaces from sketches and more particularly to the generation of low reliefs, these surfaces have the advantage of not presenting hidden parts.

On construit d'abord une structure fil-de-fer formée d'arêtes et de sommets a partir des projections. On effectue ensuite une recherche des faces dans ce fil-de-fer. Enfin, ces faces sont triées pour former tous les solides compatibles avec les projections originales

On peut affirmer, sans grand risque de se tromper, que le XXIème siècle sera, entre autres, celui des images virtuelles. Pour s'en convaincre, il suffit de regarder à quel point notre quotidien a changé ces dernières années. La part consacrée aux images de synthèse ne fait que croître. Prenons par exemple les bulletins météorologiques télévisés qui sont présentés à l'aide d'animations 3D, les films utilisant massivement des effets spéciaux informatiques, les publicités, ... Bien sûr, toutes les industries sont aussi très friandes d'images de synthèse. Et demain, peut-être nous déplacerons nous dans des mondes virtuels pour faire nos achats, aller au travail ou au cinéma ... Il est clair que les images de synthèse sont promises à un bel avenir mais on en "demandera toujours davantage", on cherchera à être plus rapide, plus précis et plus réaliste. Ce mémoire s'inscrit dans cette évolution et présente nos recherches dans ce domaine. Avant de présenter la démarche suivie, il est nécessaire d'aborder deux problèmes, relatifs à la synthèse d'images. Ces problèmes seront le fil directeur de nos travaux. Le premier problème est celui de l'aliassage. On regroupe dans ce terme trois phénomènes visuels qui nuisent au réalisme des images. Le premier, et le plus connu, est le phénomène des marches d'escalier sur les contours des objets. On peut le traiter efficacement avec un lancer de rayons et un suréchantillonnage adaptatif des pixels. Le deuxième est le phénomène des moirés sur les textures, il peut être traité en utilisant des textures filtrées a priori en fonction de différents taux de compression. Enfin, le troisième phénomène est la disparition des petits objets et des petites ombres. C'est un problème complexe, qu'un lancer de rayons conventionnel ne peut résoudre efficacement. En effet, il est impossible d'assurer qu'aucun objet ne se glisse entre les rayons d'épaisseur infinitésimale lancés. C'est, de plus, un problème important puisqu'il produit des effets involontaires de scintillement de petits objets dans les animations. Notons que les difficultés rencontrées avec de petits objets se retrouvent dans d'autres domaines comme l'acoustique ou les télécommunications. On cherche à calculer dans ces disciplines, avec précision, la propagation des ondes dans des environnements particuliers, par exemple un théâtre dans le cas des ondes sonores, ou une ville lors de la détermination de la visibilité entre deux antennes dédiée à une liaison microondes point à point. Le deuxième problème est le temps de calculs nécessaire pour obtenir une image de synthèse réaliste. Un algorithme tel que le tampon de profondeur ("z-buffer"), en général câblé sur les stations graphiques, permet un calcul très rapide des images et des animations. Malheureusement, des effets tels que la réfraction, la pénombre et l'éclairage diffus sont difficiles à réaliser, voire impossible. Ces manques laissent aux images produites un aspect synthétique et irréel. Pour produire des images plus réalistes, on peut utiliser des algorithmes de lancer de rayons et de calcul de radiosité. Le premier propose un très grand nombre d'effets spéciaux comme la réflexion, la réfraction, la pénombre, le flou de bougé, la profondeur de champs, ..., le deuxième crée des éclairages diffus très réalistes. Malheureusement, ces effets, augmentant le réalisme sont coûteux en temps de calculs. On constate en fait que réalisme et rapidité de calcul sont des critères qui ne vont pas souvent ensemble et qu'il faut la plupart du temps choisir entre les deux. Notre travail de recherche a donc consisté à trouver et développer des solutions à ces deux problèmes. Une première solution qui résout efficacement les problèmes d'aliassage et en particulier la disparition des petits objets et des petites ombres, est le remplacement des rayons d'épaisseur infinitésimale du lancer de rayons par des rayons volumiques. On parle alors de lancer de faisceaux. Cette approche n'est pas nouvelle puisque [AMAN 84] remplace les rayons par des cônes, [HECK 84] les remplace par un seul faisceau volumique et [GHAZ 92] les remplace par des pyramides. Ces propositions résolvent en principe les problèmes d'aliassage mais ne permettent pas toujours des effets de réflexion ou de réfraction réalistes et sont limitées à certains types de scènes. Une approche fondée sur [GHAZ 92] résout tous les problèmes d'aliassage, permet des effets de réfraction et de pénombre au moins aussi réaliste qu'un lancer de rayons et peut être utilisée pour des scènes non polygonales comme les scènes "CSG". Nous proposons, entre autres, dans ce mémoire l'étude détaillée de l'algorithme de [GHAZ 92] et des optimisations et extensions apportées [HASE 96][GHAZ 98]. Une autre solution, pour résoudre les problèmes d'aliassage, est de calculer exactement tous les contours visibles des objets à partir d'un point de vue. On parle alors d'algorithme de calcul de visibilité exacte. Pour cela, de manière très schématique, on projette tous les objets sur le plan de l'écran et on les découpe en fonction de leurs parties visibles depuis l'oeil. Cette approche est intéressante parce qu'elle permet de faire abstraction de toutes définitions d'un écran. On peut ainsi modifier la taille de l'image sans la recalculer entièrement et sans perte d'informations. Nous proposons dans ce mémoire un algorithme de calcul de visibilité exacte fondé sur le modèle des cartes généralisées et sur un lancer de faisceaux. Le modèle des cartes simplifie les différents découpages entre polygones et autorise une représentation des contours intégrant les propriétés d'adjacence entre les arêtes. Les faisceaux permettent de positionner très précisément les objets les uns par rapport aux autres et optimisent le nombre d'objets à traiter. Notre solution tient de plus compte des effets d'ombres portées, de réflexion et approche les effets de réfraction. Une solution pour diminuer les temps de calcul est de diminuer le nombre d'objets à traiter. Pour cela, il existe plusieurs approches comme les volumes englobants, les subdivisions spatiales régulières ou adaptatives, les "BSP", ... Mais toutes ces solutions ont leurs limites, en particulier lorsque l'on travaille avec des scènes décrites avec plusieurs dizaines de milliers de polygones ou lors d'animation. Nous proposons une approche qui, plutôt que de chercher les objets visibles, cherche ceux qui sont cachés afin de les exclure des traitements. Ces objets sont en général situés derrière d'autres objets très imposants qui rendent une partie de la scène non visible. Nous proposons donc des solutions pour trouver ces objets imposants et pour déterminer rapidement les objets qu'ils cachent. Ce mémoire se décompose en cinq chapitres. Dans le 1er chapitre, nous étudions les algorithmes fondés sur des variantes du lancer de rayons et les algorithmes qui utilisent, d'une manière ou d'une autre, des faisceaux. Pour synthétiser la présentation, nous avons classé les différentes approches en quatre catégories : * les algorithmes fondés sur des ensembles de rayons lancés en même temps ; * les algorithmes utilisant exclusivement des faisceaux ; * les algorithmes hybrides utilisant à la fois des rayons et des faisceaux ; * les algorithmes utilisant ponctuellement les faisceaux pour résoudre un problème. Le 2ième chapitre présente les résultats de l'analyse et de l'implémentation de l'algorithme de "lancer de faisceaux pyramidaux" proposé par [GHAZ 92] pour des scènes polygonales. Nous verrons que les problèmes d'aliassage sont résolus mais que les temps de calculs restent importants. Une extension de cet algorithme aux scènes non polygonales ("CSG") est présentée. Le chapitre 3 reprend l'algorithme de "lancer de faisceaux pyramidaux" pour améliorer ses performances. Plusieurs points de cet algorithme sont optimisés pour finalement améliorer très sensiblement les temps de calculs. Une nouvelle extension permettant des effets de pénombre avec des sources lumineuses volumiques est décrite. Le chapitre 4 propose un nouvel algorithme de visibilité. Il est fondé sur les "cartes généralisées" [LIEN 89c] et sur un lancer de faisceaux. Cet algorithme permet de produire une description de tous les contours des objets, des ombres, des réflexions et des réfractions sur le plan image. La construction de ces contours est facilitée par le modèle topologique utilisé et en particulier par les propriétés d'adjacence dont on dispose. Le dernier chapitre présente une méthode permettant de diminuer le nombre d'objets à traiter dans un algorithme de visibilité. Pour cela, des faisceaux sont lancés à partir du point de vue sur des polygones imposants afin de déterminer les objets de la scène manifestement cachés. Cette approche est exploitée dans un algorithme de calcul de la radiosité.

Ce mémoire porte sur l'identité virtuelle qu'est l'avatar. Nous nous intéressons en particulier à l'avatar au sein du métavers Second Life, un univers virtuel tridimensionnel et interactif en temps réel. Second Life est présenté comme un monde où chacun peut vivre une seconde vie. L'usager y crée un avatar, le personnalise, lui attribue une personnalité et une histoire, notamment à travers son apparence. C'est précisément ce processus de construction d'un avatar qui fait l'objet de ce mémoire : comment l'individu construit-il son avatar dans Second Life? Pour répondre à cette question, nous avons mobilisé un cadre théorique constitué de travaux sur les identités virtuelles dans Internet provenant de la sociologie et de la communication, ainsi que de quelques études psychanalytiques. Nous avons effectué une ethnographie en ligne au sein de Second Life pendant une période de six mois, ainsi que des entretiens semi-dirigés avec douze utilisateurs de Second Life. Nos résultats montrent que le processus de construction de l'avatar, notamment sa personnalisation, constitue une occupation centrale dans le métavers. L'avatar est à la fois une projection fantasmée de l'individu et un prolongement de sa personnalité en visant l'expression de son authenticité. La recherche s'accompagne d'un projet créatif, Projections, qui, à des fins d'illustration, témoigne de notre expérience personnelle dans Second Life et de notre relation à l'avatar. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Internet, avatar, identité virtuelle, Second Life, métavers.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1981. / Includes bibliographical references (p. [259]-265) and index.

Cette thèse traite du problème de la tessellation volumétrique à partir des formes en trois dimensions, c’est-à-dire, étant donné une forme tridimensionnelle qui est habituellement représentée par sa surface au bord, comment subdiviser l’intérieur de la surface en formes plus petites, appelées cellules, de manière optimale selon plusieurs critères concernant l’exactitude, l’uniformité et la régularité. Nous considérons la tessellation de Voronoi centroidale qui est une approche efficace pour construire des tessellations volumétriques uniformes et régulières.Une tessellation de Voronoi centroidale (CVT) d’une forme peut être considérée comme une subdivision optimale avec les cellules dont les centres de masse, appelés centroides, sont répartis de manière optimale l’intérieur de la forme. CVTs ont été largement utilisés dans la vision par ordinateur et l’infographie en raison de leurs propriétés d’uniformité et de régularité qui sont indépendantes des variations de la forme. Cependant, les problèmes tels que comment évaluer la régularité d’une CVT et comment construire une CVT à partir des formes de types différents restent un défi.Nous proposons, comme contribution de cette thèse, que des critères de régularité basés sur des moments de second ordre normalisés des cellules. Ces critères de régularité permettent d’évaluer les tessellations volumétriques, et surtout, de comparer la régularité des différents CVTs sans l’hypothèse que leur forme et leur nombre de sites devraient être les mêmes. Nous proposons également une approche hiérarchique basée sur un schéma de subdivision qui préserve la régularité des cellules et l’optimalité locale des CVTs. Les résultats expérimentaux montrent que notre approche construit de manière plus efficace des CVTs plus régulières que les méthodes de l’état de l’art selon les critères de régularité.Une autre contribution est un nouvel algorithme de CVT pour les formes implicites et une comparaison approfondie entre l’algorithme Marching Cubes (MC), le raffinement de Delaunay et notre algorithme. L’idée clé de notre algorithme est l’utilisation des enveloppes convexes et l’amélioration locale pour construire des cellules au bord précises. Nous présentons une comparaison des trois algorithmes avec des critères différents, y compris la précision, la régularité et la complexité sur un grand nombre de données variantes. Les résultats montrent que MC est le plus rapide et que le notre construit les tessellations volumétriques les plus précises et les plus régulières.Nous explorons aussi les applications comme, par exemple, un framework d’animation des formes basées sur CVTs qui génère des animations plausibles avec une réelle dynamique. Le code source de l’ensemble des travaux de cette thèse est disponible en ligne dans le but de la recherche future. / This thesis addresses the problem of volumetric tessellations from three-dimensional shapes, i.e., given a three-dimensional shape that is usually represented by its boundary surface, how to optimally subdivide the interior of the surface into smaller shapes, called cells, according to several criteria concerning accuracy, uniformity and regularity. We consider centroidal Voronoi tessellation that is an effective approach for building uniform and regular volumetric tessellations.A centroidal Voronoi tessellation (CVT) of a shape can be viewed as an optimal subdivision with the cells whose centers of mass, called centroids, are optimally distributed inside the shape. CVTs have been widely used in computer vision and graphics because of their properties of uniformity and regularity that are immune to shape variations. However, the problems such as how to evaluate the regularity of a CVT and how to build a CVT from different types of shapes remain a challenge.One contribution of this thesis is that we propose regularity criteria based on the normalized second order moments of the cells. These regularity criteria allow evaluating volumetric tessellations and specially comparing the regularity of different CVTs without the assumption that their shape and number of sites should be the same. Meanwhile, we propose a hierarchical approach based on a subdivision scheme that preserves cell regularity and the local optimality of CVTs. Experimental results show that our approach performs more efficiently and builds more regular CVTs according to the regularity criteria than state-of-the-art methods.Another contribution is a novel CVT algorithm for implicit shapes and an extensive comparison of Marching Cubes, Delaunay refinement and our algorithm. The key of our algorithm is using convex hulls and the local improvement to build accurate boundary cells. We present a comparison of these three algorithms with different criteria including accuracy, regularity and complexity on a large number of variant data. The results show that Marching Cubes is the fastest one and our algorithm build more accurate and regular volumetric tessellations than the others.We also explore the applications such as a shape animation framework based on CVTs that generates plausible animations with real dynamics. And the source code of the whole work of this thesis is available online for the purpose of further research.