La Méthode des Éléments Finis (MEF) est probablement la technique la plus utilisée pour la modélisation du comportement mécanique des solides. Elle s'appuie pour cela sur une discrétisations du domaine modélisé en éléments géométrique simples. Cette partition porte le nom de maillage. La solution<br />numérique calculée par la MEF dépend directement du maillage utilisé. <br /><br />Dans le domaine médical, les solides modélisés sont de géométrie complexe. De ce fait, nous privilégions une génération de maillage par recalage élastique. Cette méthode permet d'adapter un maillage prédéfini (atlas) aux données du patient afin de représenter le domaine à modéliser. Le recalage élastique applique un déplacement aux sommets de l'atlas sans en changer sa topologie. Les méthodes de recalage élastique ne prennent cependant pas en considération les éléments, par conséquent il est possible de produire des éléments invalides et de mauvaise qualité. Cette thèse présente une méthode de réparation des éléments après application d'un recalage élastique.<br /><br />Les méthodes de recalage élastique peuvent être limitées lorsque, pour une région spécifique du domaine modélisé, une discrétisation plus fine est requise alors qu'elle ne figure pas dans le maillage atlas. Par exemple dans le domaine de la neurochirurgie, un maillage d'une densité plus importante peut être nécessaire dans la région de la voie d'abord, entre la craniotomie et la tumeur car dans cette région d'intérêt une précision accrue de la simulation est requise. Nous proposons dans cette thèse une méthode de génération de maillage comportant un raffinement local. Cette méthode est appliquée à la neurochirurgie.

Dans cette thèse, nous abordons deux problèmes principaux, à savoir l'évaluation quantitative des algorithmes de segmentation de maillages ainsi que la segmentation de maillages par apprentissage en exploitant le facteur humain. Nous proposons les contributions suivantes : - Un benchmark dédié à l'évaluation des algorithmes de segmentation de maillages 3D. Le benchmark inclut un corpus de segmentations vérités-terrains réalisées par des volontaires ainsi qu'une nouvelle métrique de similarité pertinente qui quantifie la cohérence entre ces segmentations vérités-terrains et celles produites automatique- ment par un algorithme donné sur les mêmes modèles. De plus, nous menons un ensemble d'expérimentations, y compris une expérimentation subjective, pour respectivement démontrer et valider la pertinence de notre benchmark. - Un algorithme de segmentation par apprentissage. Pour cela, l'apprentissage d'une fonction d'arête frontière est effectué, en utilisant plusieurs critères géométriques, à partir d'un ensemble de segmentations vérités-terrains. Cette fonction est ensuite utilisée, à travers une chaîne de traitement, pour segmenter un nouveau maillage 3D. Nous montrons, à travers une série d'expérimentations s'appuyant sur différents benchmarks, les excellentes performances de notre algorithme par rapport à ceux de l'état de l'art. Nous présentons également une application de notre algorithme de segmentation pour l'extraction de squelettes cinématiques pour les maillages 3D dynamiques.

Les maillages 3D polygonaux sont largement utilisés dans diverses applications telles que le divertissement numérique, la conception assistée par ordinateur et l'imagerie médicale. Un maillage peut être soumis à différents types d'opérations comme la compression, le tatouage ou la simplification qui introduisent des distorsions géométriques (modifications) à la version originale. Il est important de quantifier ces modification introduites au maillage d'origine et d'évaluer la qualité perceptuelle des maillages dégradés. Dans ce cadre, on s'intéresse dans cette thèse à l'évaluation de la qualité perceptuelle des maillages 3D statiques et dynamiques. On présente des études expérimentales pour l'évaluation subjective de la qualité des maillages 3D dynamiques.On présente également de nouvelles métriques objectives, de type avec-référence complète ou de type avec référence-réduite, qui sont efficaces pour l'estimation de la qualité perçue des maillages statiques et dynamiques. / 3D mesh animations have been increasingly used in various applications, e.g., in digital entertainment, computer-aided design and medical imaging. It is possible that a mesh model undergoes some lossy operations, e.g., compression, watermarking or simplification, which can impair the original mesh surface and introduce geometric distortions. An important task is to quantify such distortions and assess the perceptual quality of impaired meshes. In this manuscript, we focus on the perceptual quality assessment of 3D static and dynamic meshes. We present psychometric experiments that we conducted to measure the subjective perceptual quality of dynamic meshes. We also present new full-reference and reduced-reference objective metrics capable of faithfully evaluating the perceptual quality of 3D static and dynamic meshes.

L’un des défis de la science planétaire est la détermination de l’âge des surfaces des différents corps célestes du système solaire, pour comprendre leurs processus de formation et d’évolution. Une approche repose sur l’analyse de la densité et de la taille des cratères d’impact. En raison de l’énorme quantité de données à traiter, des approches automatiques ont été proposées pour détecter les cratères d’impact afin de faciliter ce processus de datation. Ils utilisent généralement les valeurs de couleur des images ou les valeurs d’altitude de "modèles numériques d’élévation" (DEM). Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche pour détecter les bords des cratères. L’idée principale est de combiner l’analyse de la courbure avec une classification basée sur un réseau de neurones. Cette approche comporte deux étapes principales : premièrement, chaque sommet du maillage est étiqueté avec la valeur de la courbure minimale; deuxièmement, cette carte de courbure est injectée dans un réseau de neurones pour détecter automatiquement les formes d’intérêt. Les résultats montrent que la détection des formes est plus efficace en utilisant une carte en deux dimensions s’appuyant sur le calcul d’estimateurs différentiels discrets, plutôt qu’en utilisant la valeur de l’élévation en chaque sommet. Cette approche réduit significativement le nombre de faux négatifs par rapport aux approches précédentes basées uniquement sur une information topographique. La validation de la méthode est effectuée sur des DEM de Mars, acquis par un altimètre laser à bord de la sonde spatiale "Mars Global Surveyor" de la NASA et combinés avec une base de données de cratères identifiés manuellement. / One of the challenges of planetary science is the age determination of the surfaces of the different celestial bodies in the solar system, to understand their formation and evolution processes. An approach relies on the analysis of the crater impact density and size. Due to the huge quantity of data to process, automatic approaches have been proposed for automatically detecting impact craters in order to facilitate this dating process. They generally use the color values from images or the elevation values from Digital Elevation Model (DEM). In this PhD thesis, we propose a new approach for detecting craters rims. The main idea is to combine curvature analysis with Neural Network based classification. This approach contains two main steps: first, each vertex of the mesh is labeled with the value of the minimal curvature; second, this curvature map is injected into a neural network to automatically detect the shapes of interest. The results show that detecting forms are more efficient using a two-dimensional map based on the computation of discrete differential estimators, than by the value of the elevation at each vertex. This approach significantly reduces the number of false negatives compared to previous approaches based on topographic information only. The validation of the method is performed on DEMs of Mars, acquired by a laser altimeter aboard NASA’s Mars Global Surveyor spacecraft and combined with a database of manually identified craters.

Cette thèse de doctorat aborde spécifiquement le problème de la métamorphose entre différents maillages 3D, qui peut assurer un niveau élevé de qualité pour la séquence de transition, qui devrait être aussi lisse et progressive que possible, cohérente par rapport à la géométrie et la topologie, et visuellement agréable. Les différentes étapes impliquées dans le processus de transformation sont développées dans cette thèse. Nos premières contributions concernent deux approches différentes des paramétrisations: un algorithme de mappage barycentrique basé sur la préservation des rapports de longueur et une technique de paramétrisation sphérique, exploitant la courbure Gaussien. L'évaluation expérimentale, effectuées sur des modèles 3D de formes variées, démontré une amélioration considérable en termes de distorsion maillage pour les deux méthodes. Afin d’aligner les caractéristiques des deux modèles d'entrée, nous avons considéré une technique de déformation basée sur la fonction radial CTPS C2a approprié pour déformer le mappage dans le domaine paramétrique et maintenir un mappage valide a travers le processus de mouvement. La dernière contribution consiste d’une une nouvelle méthode qui construit un pseudo metamaillage qui évite l'exécution et le suivi des intersections d’arêtes comme rencontrées dans l'état-of-the-art. En outre, notre méthode permet de réduire de manière drastique le nombre de sommets normalement nécessaires dans une structure supermesh. Le cadre générale de métamorphose a été intégré dans une application prototype de morphing qui permet à l'utilisateur d'opérer de façon interactive avec des modèles 3D et de contrôler chaque étape du processus / This Ph.D. thesis specifically deals with the issue of metamorphosis of 3D objects represented as 3D triangular meshes. The objective is to elaborate a complete 3D mesh morphing methodology which ensures high quality transition sequences, smooth and gradual, consistent with respect to both geometry and topology, and visually pleasant. Our first contributions concern the two different approaches of parameterization: a new barycentric mapping algorithm based on the preservation of the mesh length ratios, and a spherical parameterization technique, exploiting a Gaussian curvature criterion. The experimental evaluation, carried out on 3D models of various shapes, demonstrated a considerably improvement in terms of mesh distortion for both methods. In order to align the features of the two input models, we have considered a warping technique based on the CTPS C2a radial basis function suitable to deform the models embeddings in the parametric domain maintaining a valid mapping through the entire movement process. We show how this technique has to be adapted in order to warp meshes specified in the parametric domains. A final contribution consists of a novel algorithm for constructing a pseudo-metamesh that avoids the complex process of edge intersections encountered in the state-of-the-art. The obtained mesh structure is characterized by a small number of vertices and it is able to approximate both the source and target shapes. The entire mesh morphing framework has been integrated in an interactive application that allows the user to control and visualize all the stages of the morphing process