La puissance de calcul disponible poursuit sa progression exponentielle mais en offrant plus de parallélisme. Cette progression de la puissance disponible peut être mise à profit pour rendre interactifs certains calculs. La structure et les objectifs de l'application diffèrent alors sensiblement de ceux du calcul intensif traditionnel. Le rôle de l'utilisateur devient central. Il motive le recours à des périphériques d'entrée et sortie avancés, impose des contraintes de cohérence, de latence, de fréquence. Nous présentons les résultats de nos travaux sur ce thème du calcul interactif haute performance. Nous abordons les problèmes de rendu graphique haute performance en environnement multi-projecteurs, de la conception d'un intergiciel adapté à ce type d'application, ainsi que de la reconstruction interactive 3D multi-caméras. Ces recherches ont donné lieu à la suite logicielle FlowVR et au développement d'applications interactives ambitieuses sur la plate-forme Grimage.

La simulation informatique est un outil incontournable dans les sciences exp��rimentales. La puissance de calcul croissante des ordinateurs associ��e au parall��lisme et aux avanc��es dans la mod��lisation math��matique des ph��nom��nes physiques permet de r��aliser virtuellement des exp��riences de plus en plus complexes. De plus, l'��mergence de la programmation GPU a consid��rablement accru la qualit�� et la rapidit�� de l'affichage. Ceci a permis de d��mocratiser la visualisation sous forme graphique des r��sultats de simulation. La visualisation scientifique peut ��tre passive : l'utilisateur peut suivre l'��volution de la simulation ou bien observer ses r��sultats apr��s que le calcul soit termin��. Elle peut aussi ��tre interactive lorsque le chercheur peut agir sur la simulation alors qu'elle se d��roule. Cr��er de telles applications complexes n'est cependant pas �� la port��e de tout scientifique non informaticien. La programmation par composants est, depuis des ann��es, mise en avant comme une solution �� ce probl��me. Elle consiste �� construire des applications en interconnectant des programmes ex��cutant des t��ches ��l��mentaires. Ce m��moire pr��sente un mod��le de composants et une m��thode de composition d'applications de visualisation scientifique interactive. Elle s'int��resse, en particulier, �� la conciliation de deux contraintes majeures dans la coordination de ces applications : la performance et la coh��rence.

La simulation informatique est un outil incontournable dans les sciences expérimentales. La puissance de calcul croissante des ordinateurs associée au parallélisme et aux avancées dans la modélisation mathématique des phénomènes physiques permet de réaliser virtuellement des expériences de plus en plus complexes. De plus, l'émergence de la programmation GPU a considérablement accru la qualité et la rapidité de l'affichage. Ceci a permis de démocratiser la visualisation sous forme graphique des résultats de simulation. La visualisation scientifique peut être passive : l'utilisateur peut suivre l'évolution de la simulation ou bien observer ses résultats après que le calcul soit terminé. Elle peut aussi être interactive lorsque le chercheur peut agir sur la simulation alors qu'elle se déroule. Créer de telles applications complexes n'est cependant pas à la portée de tout scientifique non informaticien. La programmation par composants est, depuis des années, mise en avant comme une solution à ce problème. Elle consiste à construire des applications en interconnectant des programmes exécutant des tâches élémentaires. Ce mémoire présente un modèle de composants et une méthode de composition d'applications de visualisation scientifique interactive. Elle s'intéresse, en particulier, à la conciliation de deux contraintes majeures dans la coordination de ces applications : la performance et la cohérence.

L'objet de cette thèse est la perception dans les environnements immersifs de jeux de données complexes, une des applications est la visualisation scientifique de données volumiques scalaires issues de simulations de modèles physiques. Un exemple classique de ceci est la distribution de températures à l'intérieur d'un habitacle de véhicule.Dans la première partie de ce travail, notre objectif est d'étudier les limites perceptives dans le cadre d'un rendu volumétrique de données scientifiques dans un système de réalité virtuelle offrant la vision en stéréoscopie, et le suivi du point de vue de l'utilisateur. Nous étudions l'effet sur la perception de l'utilisateur de trois facteurs principaux : la taille des points utilisés pour le rendu, la densité du nuage de points, et enfin la position par rapport à l'utilisateur du premier plan de coupe. Nous présentons une étude dans laquelle une tâche de pointage est proposée à un ensemble d'utilisateurs. Les déplacements de celui-ci ainsi que les performances de pointage sont mesurées. L'étude a permis d'évaluer l'impact des paramètres de rendu du nuage de points et proposer un rendu améliorant la perception.La seconde partie du travail propose d'ajouter une dimension interactive à la première approche en permettant à l'utilisateur d'explorer plus activement la scène. L'hypothèse d'une meilleure compréhension des données par l'action est ici mise en avant. Nous évaluons une méthode d'interaction et quatre méthodes de rendu associées. L'approche proposée est de n'afficher qu'un sous ensemble des données volumiques, en l'occurrence des isosurfaces, et de permettre à l'utilisateur de naviguer par une gestuelle naturelle et interactive dans l'ensemble des isosurfaces du jeu de données explorées, dans cadre de manipulation directe. Une nouvelle étude est proposée, dans laquelle l'utilisateur doit effectuer une tâche de recherche et de pointage d'une propriété locale dans un jeu de températures 3D. Cette étude a permis de choisir une méthode de rendu adaptée à l'affichage immersif d'isosurfaces et de valider l'approche interactive pour l'exploration de données.

Le domaine de la simulation interactive ou computational steering a pour but d'améliorer le processus de simulation numérique (modélisation, calcul, analyse) en le rendant plus interactif. Dans cette approche, le scientifique n'attend plus passivement les résultats de la simulation ; il peut visualiser en ligne l'évolution des données calculées et peut interagir à tout moment en modifiant certains paramètres à la volée ou plus généralement en pilotant le déroulement des calculs. Un tel outil peut s'avérer très utile pour la compréhension des phénomènes physiques modélisés et la détection d'erreurs dans le cas de simulations longues.<br /><br />L'objectif de cette thèse est de concevoir et de développer une plate-forme logicielle, appelée EPSN (Environnement pour le Pilotage des Simulations Numériques), permettant de piloter une application numérique parallèle en s'appuyant sur des outils de visualisation eux-mêmes parallèles. En d'autres termes, il s'agit de mettre au service des scientifiques les capacités de la visualisation parallèle et plus largement de la réalité virtuelle (environnement immersif, murs d'images), une étape aujourd'hui cruciale pour la conception et l'exploitation de simulations numériques complexes en vraie grandeur. La mise en oeuvre d'un couplage efficace entre simulation et visualisation soulève deux problèmes majeurs, que nous étudions<br />dans cette thèse et pour lesquels nous souhaitons apporter une contribution : le problème de la coordination efficace des opérations de pilotages en parallèle et le problème de la redistribution pour des données complexes (grilles structurées, ensembles de particules, maillages non structurés).

La simulation numérique génère des maillages de plus en plus gros pouvant atteindre plusieurs dizaines de millions de tétraèdres. Ces ensembles doivent être visuellement analysés afin d'acquérir des connaissances relatives aux données physiques simulées pour l'élaboration de conclusions. Les capacités de calcul utilisées pour la visualisation scientifique de telles données sont souvent inférieures à celles mises en oeuvre pour les simulations numériques. L'exploration visuelle de ces ensembles massifs est ainsi difficilement interactive sur les stations de travail usuelles. Au sein de ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche interactive pour l'exploration visuelle de maillages tétraédriques massifs pouvant atteindre plus de quarante millions de cellules. Elle s'inscrit pleinement dans le procédé de génération des simulations numériques, reposant sur deux maillages à résolution différente -- un fin et un grossier -- d'une même simulation. Une partition des sommets fins est extraite guidée par le maillage grossier permettant la reconstruction à la volée d'un maillage dit birésolution, mélange des deux résolutions initiales, à l'instar des méthodes multirésolution usuelles. L'implantation de cette extraction est détaillée au sein d'un processeur central, des nouvelles générations de cartes graphiques et en mémoire externe. Elles permettent d'obtenir des taux d'extraction inégalés par les précédentes approches. Afin de visualiser ce maillage, un nouvel algorithme de rendu volumique direct implanté entièrement sur carte graphique est proposé. Un certain nombre d'approximations sont réalisées et évaluées afin de garantir un affichage interactif des maillages birésolution.

La synthèse d'images réalistes nécessite la modélisation précise des interactions de la lumière avec la matière (réflexion, réfraction, diffusion) et des échanges d'énergie lumineuse entre les objets de la scène. Cette modélisation, très complexe si l'on ne fait pas d'hypothèses restrictives, peut être efficacement réalisée par simulation de Monte Carlo. Dans le présent travail, nous définissons tout d'abord une méthode complète d'illumination de scène, fondée sur une simulation de Monte Carlo d'un modèle "particulaire" de la lumière. Dans un premier temps, nous développons cette simulation pour les milieux participants. Nous diminuons la variance de la simulation par un calcul exact de l'absorption. Nous étendons ensuite ce travail aux objets surfaciques et proposons une technique de regroupement de photons pour obtenir une efficacité constante à chaque pas de calcul. Dans la deuxième partie de ce travail, nous étudions l'application de cette méthode à la visualisation des champs scalaires tri-dimensionnels, puis l'application de certaines techniques issues de la synthèse d'images (facettisation, de données volumiques, partitionnement spatial, images de distance, ...) à la simulation de la diffusion des gaz, présentant de nombreuses similitudes avec la simulation de la diffusion de la lumière.

Cette thèse vise à démontrer que l'algorithmique et la programmation, dans un contexte de calcul haute performance (HPC), ne peuvent être envisagées sans tenir compte de l'architecture matérielle des supercalculateurs car cette dernière est régulièrement remise en cause.Après avoir rappelé quelques définitions relatives aux codes et au parallélisme, nous montrons que l'analyse des différentes générations de supercalculateurs, présents au CEA lors de ces 30 dernières années, permet de dégager des points de vigilances et des recommandations de bonnes pratiques en direction des développeurs de code.En se reposant sur plusieurs expériences, nous montrons comment viser une performance adaptée aux supercalculateurs et comment essayer d'atteindre la performance portable voire la performance extrême dans le monde du massivement parallèle, incluant ou non l'usage de GPU.Nous expliquons que les logiciels et matériels dédiés au dépouillement graphique des résultats de calcul suivent les mêmes principes de parallélisme que pour les grands codes scientifiques, impliquant de devoir maîtriser une vue globale de la chaîne de simulation. Enfin, nous montrons quelles sont les tendances et contraintes qui vont s'imposer à la conception des futurs supercalculateurs de classe exaflopique, impactant de fait le développement des prochaines générations de codes de calcul. / This thesis aims to demonstrate that algorithms and coding, in a high performance computing (HPC) context, cannot be envisioned without taking into account the hardware at the core of supercomputers since those machines evolve dramatically over time. After setting a few definitions relating to scientific codes and parallelism, we show that the analysis of the different generations of supercomputer used at CEA over the past 30 years allows to exhibit a number of attention points and best practices toward code developers.Based on some experiments, we show how to aim at code performance suited to the usage of supercomputers, how to try to get portable performance and possibly extreme performance in the world of massive parallelism, potentially using GPUs.We explain that graphical post-processing software and hardware follow the same parallelism principles as large scientific codes, requiring to master a global view of the simulation chain.Last, we describe tendencies and constraints that will be forced on the new generations of exaflopic class supercomputers. These evolutions will, yet again, impact the development of the next generations of scientific codes.

Ce mémoire est centré sur la visualisation et l'analyse tridimensionnelle de données morphologiques, la fusion d'informations provenant de modalités identiques mais dont l'acquisition est effectuée à des instant différents et de la mise en correspondance de signaux fonctionnels avec des données morphologiques.<br />Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique traitant de l'acquisition et de la modélisation de primitives tridimensionnelles en imagerie médicale. Le propos du second chapitre concerne une revue des techniques de représentation de primitives et de fonctions multi-variables.<br />Le troisième chapitre traite de la représentation et de l'analyse d'images morphologiques tridimensionnelles. Un nouveau concept, le lancer de rayons multi-fonctions, a été introduit afin d'intégrer sur le rayon une partie des traitements tels que l'interpolation, la détection, le filtrage tout en préservant les fonctionnalités de base (dissection, manipulation par exemple) de l'imagerie médicale tridimensionnelle. Une technique d'accélération du processus de synthèse d'images basée sur la cohérence inter-images est également proposée.<br />Le suivi d'une pathologie ou l'évaluation d'une thérapie nécessitent la confrontation d'images acquises par une même source mais à des instants distincts. Le quatrième chapitre porte sur l'étude et la mise au point d'une technique de recalage 3D en rotation de volumes basée sur une formalisation utilisant les quaternions.<br />Le dernier chapitre est consacré à la reconstitution et à la description (la visualisation) dans l'espace anatomique cérébral des champs de potentiels électriques ou magnétiques (EEG et MEG).

Ce mémoire de Thèse se focalise sur certains des problèmes non résolus en visualisation scientifique. Plus particulièrement nous avons pris une problématique médicale bien spécifique, la chirurgie conservatrice des tumeurs rénales, comme cadre applicatif pour l'élaboration de nouvelles solutions incluant des techniques de recalage de données, de segmentation et de visualisation 3D.<br />L'uroscan fournit 3 à 4 volumes présentant une information complémentaire sur l'anatomie rénale. La première étape consiste à mettre en correspondance ces différents volumes par une technique de recalage rigide du volume rénal basée sur la maximisation locale de l'information mutuelle.<br />L'idée principale de ce mémoire de Thèse est de proposer une visualisation de l'anatomie rénale directement à partir de ces données fusionnées. Pour cela, une technique de classification statistique des données basée sur une modélisation de la distribution des valeurs par un mélange de Gaussiennes incluant une information spatiale a été développée. Différentes techniques de visualisation 3D ont ensuite été adaptées à la représentation de cette information et comparées entre-elles.<br />Les techniques de représentation de surfaces peuvent être accélérées par des procédures de simplifications de maillages. Dans ce cadre, nous avons proposé deux métriques de description de la surface basées sur les moments géométriques et pouvant être incluses dans une telle procédure.<br />Ces différentes solutions, même si elles ont été développées dans le cadre de la représentation des structures anatomiques rénale, sont suffisamment génériques pour être utilisées ou adaptées à d'autres organes ou à d'autres applications médicales.