Depuis deux décennies, des chercheurs et des diffuseurs utilisent des modélisations 3D pour rendre compte d'espaces et de structures du passé. Cependant, les historiens demeurent généralement réticents envers cette manière de représenter l'histoire. Pourtant, la science historique peut tirer parti du 3D de plusieurs façons. Une modélisation peut servir de laboratoire, une approche déjà utilisée en archéologie. Par exemple, à partir d'un modèle 3D du Colisée, les historiens pourraient s'intéresser aux interactions entre la population romaine et le bâtiment, aux techniques de construction, à l'impact de cette architecture monumentale sur l'évolution urbaine. La modélisation ne doit pas non plus se limiter aux grands monuments du passé. L'évolution de l'architecture vernaculaire, d'un quartier populaire, d'un complexe industriel ou d'un village aborigène peut tout aussi bien se prêter à une analyse tirant profit d'une modélisation. Mais avant d'intégrer une telle approche à la discipline historique, il faut assurer les chercheurs du caractère scientifique d'une maquette 3D. Un tel environnement doit pouvoir répondre aux mêmes critères scientifiques que toute autre production historique de nature académique. De tels systèmes – incorporant des objets virtuels, des sources et des éléments narratifs – sont présentement en développement, et je porterai donc mon attention sur l'élaboration d'une procédure efficace pour créer des environnements virtuels pertinents respectant les pratiques historiennes.

Depuis deux décennies, des chercheurs et des diffuseurs utilisent des modélisations 3D pour rendre compte d'espaces et de structures du passé. Cependant, les historiens demeurent généralement réticents envers cette manière de représenter l'histoire. Pourtant, la science historique peut tirer parti du 3D de plusieurs façons. Une modélisation peut servir de laboratoire, une approche déjà utilisée en archéologie. Par exemple, à partir d'un modèle 3D du Colisée, les historiens pourraient s'intéresser aux interactions entre la population romaine et le bâtiment, aux techniques de construction, à l'impact de cette architecture monumentale sur l'évolution urbaine. La modélisation ne doit pas non plus se limiter aux grands monuments du passé. L'évolution de l'architecture vernaculaire, d'un quartier populaire, d'un complexe industriel ou d'un village aborigène peut tout aussi bien se prêter à une analyse tirant profit d'une modélisation. Mais avant d'intégrer une telle approche à la discipline historique, il faut assurer les chercheurs du caractère scientifique d'une maquette 3D. Un tel environnement doit pouvoir répondre aux mêmes critères scientifiques que toute autre production historique de nature académique. De tels systèmes – incorporant des objets virtuels, des sources et des éléments narratifs – sont présentement en développement, et je porterai donc mon attention sur l'élaboration d'une procédure efficace pour créer des environnements virtuels pertinents respectant les pratiques historiennes.

Le renouveau actuel du vocabulaire formel dans l'univers des architectures dites « non standards » s'appuie largement sur l'utilisation de modeleurs tridimensionnels. Dans cette démarche de conception, la stratégie de modélisation d'objets relève moins de l'utilisation directe de la géométrie que de la formalisation d'une idée. En effet, le travail de recherche morphologique, de la forme idée à la forme visée, nécessite de nombreux ajustements incompatibles avec une démarche linéaire de modélisation géométrique. Nous émettons l'hypothèse que la genèse des formes résulte d'opérations successives de transformation de forme fondées sur des objectifs sémantiques et guidées par une ou plusieurs images mentales. Ce cheminement se fait par des variations importantes entre différents états de la forme et par de nombreux ajustements de cette forme. Pour répondre à ce processus itératif nous proposons une approche paramétrique de la modélisation qui s'appuie sur des modificateurs de forme de haut niveau. Nous nommons opérateurs morphologiques ces outils d'action sur la forme qui permettent à partir d'une fonction de transformation morphologique (bomber, torsader, plisser...) de trouver par différentes solutions alternatives et par ajustement une forme satisfaisante. Notre travail aborde plus spécifiquement les opérateurs plier, plisser, froisser.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'accroissement de la demande en contenu virtuel, tant en termes qualitatifs que quantitatifs, révèle de nouveaux défis scientifiques.Par exemple, la génération et la manipulation de formes 3D et d'animation sont particulièrement difficiles.Les méthodes modernes contournent ces difficultés en proposant des approches basées sur des algorithmes d'optimisation.Ces derniers utilisent des connaissances a priori sur les données à manipuler afin de générer de nouvelles données satisfaisant des contraintes dictées par l'utilisateur.De tels outils présentent le désaventage d'être indirects, couteux, et non génériques, ce qui limite la liberté artistique de l'utilisateur en le contraignant à de nombreux essais.Les objectifs de cette thèse sont pluriels.D'une part, elle vise à améliorer le contrôle de l'utilisateur en proposant des méthodes de manipulation interactives et directes.D'une autre, elle cherche à rendre ces méthodes capables de manipuler des contenus plus variés en proposant des outils novateurs et génériques.Plus précisément, cette thèse introduis trois méthodes de modélisation d'objets 3D.La première est une méthode basée exemple de génération d'objets composites caractérisés par l'adjacence de leur sous-parties.La seconde propose une interface de types "peinture" pour décrire les distributions d'objets dans une scène 3D.La troisième étend le princides des grammaires génératives à la déformation d'objets hiérarchiques.Nous proposons également deux méthodes de modélisation d'animation.La première offre de modéliser des scènes natuelles de cascades grâce à des controlleurs vectoriels.La seconde permet de sculpter une animation de liquide en manipulant directement ses éléments spatio-temporels saillants. / As virtual content continually grows in quantity and quality, new challenges arise.Amongst others, generating and manipulating 3D shapes and animations have become intricate tasks.State of the art methods attempt to hide this complexity through complex tools, which exploit content semantics for running optimization procedures, yielding constraint matching outputs.However, the control offered by such methods is often indirect, object-specific, and heavy, which imposes long trial-and-error cycles and restrains artistic freedom.The focus of this thesis is twofolds:First, improving user control through interactive and direct content manipulation;Second, enlarging the spectrum of manipulable content with innovative or generic content representations.We introduce three new mehods related to 3D shapes design:A part-based modeling tool allowing to generate assembly shapes with semantic adjacency constraints;A painting tool for distributing objects in a 3D scene;And a grammar-based hierarchical deformation paradigm, enabling the interactive deformation of complex models.We also propose two methods related to the design of animated contents: A vectorial editing tool to synthesize consistent waterfall scenes;And finally a sculpting method enabling to design new liquid animation from examples.

Les plateformes carbonatées sont typiquement caractérisées par une architecture sédimentaire et stratigraphique complexe qui s’exprime à une échelle qui peut dépasser le simple affleurement. Ce travail est centré sur les dépôts Barrémien (Crétacé inférieur) de la falaise de Gresse-en-Vercors (sud-est de la France) qui nous procure une fenêtre d’observation à l’échelle de la sismique à travers une bordure de plateforme – analogue des réservoirs du Moyen Orient - idéale pour étudier en continu et à grande échelle le développement des plateformes carbonatées. Cette falaise de 500 m de haut pour 25 km de long permet d’étudier la transition entre les dépôts de peu profonds de la plateforme et ceux du bassin. De nouvelles données biostratigraphiques montrent que la série de plate-forme de Gesse-en-Vercors est essentiellement Barrémien inférieur. Quatre séquences stratigraphiques ont été définies, avec deux épisodes complets de plateforme, séparés par trois « drowning ». Les nouvelles données numériques hautes résolutions (nuage de points LIDAR et photos géoréférencées hautes résolutions) acquises par hélicoptère permettent la réalisation d’un DEM 3D haute résolution pour l’ensemble de l’affleurement. L’intégration des observations stratigraphiques et du DEM dans gOcad abouti à la création d’un modèle 3D en continu de l’architecture stratigraphique et de la répartition des facies de l’affleurement qui peu être utilisé pour interprétations stratigraphiques et sédimentologiques. Le modèle géologique qui en résulte démontre que les données numériques d’affleurement et la modélisation géologique en 3D sont des outils pertinents pour tester la caractérisation des affleurements carbonatés et les modèles conceptuels de système de plateformes carbonatées. Il permet d’appréhender les variations subtiles de profils sédimentaires et d’établir une mosaïque de facies à haute résolution tout au long de la plateforme à l’échelle de la sismique. Cette approche est particulièrement critique en ce qui concerne la caractérisation 3D des clinoformes et des cortèges de dépôts sédimentaires dans un modèle non cylindrique tel que la plateforme carbonaté : par exemple, un prisme de bas niveau apparent ou des lobes distaux qui « onlappent » en 2D correspondent en réalité à des progradations en contexte de haut niveau en 3D. / Carbonate platforms are characterized by complex sedimentary and stratigraphic architectures that can be expressed at length scale exceeding single outcrops. This work focuses on the Barremian (Lower Cretaceous) deposits of the Gresse-en-Vercors cliff (southeastern France) that provide a seismic-scale slice though a platform margin - analogous to Middle East reservoirs - ideal to study large scale carbonate platform developments in continuous. The cliffs are 500 m high and extend for 25 km along depositional dip, straddling the transition from shallow water platform to deeper basin. New biostratigraphical data shows that the Vercors platform is mainly Lower Barremian. Four stratigraphic sequences were defined, with two complete platform stages, separated by three drowning events.New high-resolution numerical data (LIDAR point-set and high-resolution georeferenced photos) obtained by helicopter survey, allowed the realization of a 3D high-resolution DEM over the entire outcrops. Integrating the stratigraphic observations and the DEM in gOcad result in a continuous 3D stratigraphic architecture and facies model of the carbonate outcrop that can be used for stratigraphic and sedimentological interpretations. The resulting geological model demonstrates that outcrop numerical data and 3D geological modeling are pertinent tools for improving carbonate outcrop characterization and conceptual models of carbonate platform systems. It allows to establish subtle sedimentary profiles and high resolution facies mosaic along seismic scale platform trend. This approach is particularly critical for the 3D characterization of clinoforms and stratigraphic system tracts in non-cylindrical carbonate systems: for example, apparent low stand wedge or distal onlapping lobes in 2D are in reality prograding high stand systems in 3D.

La plupart des nombreux modèles de transfert sol-végétation-atmosphère (SVAT) qui simulent le transfert radiatif, le bilan d'énergie et le fonctionnement des couverts végétaux reposent sur des hypothèses très simplificatrices pour représenter le couvert. Ainsi, l'architecture tridimensionnelle (3D) des couverts est en général représentée par un milieu turbide, ce qui tend à induire de fortes erreurs sur la simulation des propriétés optiques et du fonctionnement des couverts. C'est dans ce contexte que le SVAT 3D appelé DART-EB a été développé. Il simule avec précision le transfert radiatif et les principaux processus de surface (activité photosynthétique des couverts, flux de chaleur et d'eau dans le sol, flux convectifs dans le couvert, etc.). Une de ses principales originalités est d'introduire, de manière réaliste, l'architecture 3D du milieu et de couvrir une large gamme d'échelles spatiales, de la parcelle à un ensemble de parcelles agricoles et boisées. DART-EB utilise le modèle 3D de transfert radiatif DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) (Gastellu-Ethegorry et al., 1996, 2004 ; Martin, 2006) pour simuler à la fois les paysages (naturels et urbains, avec atmosphère et relief) et leurs bilan radiatif et images de télédétection, dans les domaines spectraux du visible à l'infrarouge thermique. La modélisation de la photosynthèse foliaire s'inspire du modèle de Collatz, modifié pour s'appliquer à une architecture 3D. Les échanges turbulents au sein du couvert (i.e., profils de température, humidité et concentration en CO2) sont déterminés par la "Localized Near Field Theory" de Raupach (1989). Ils sont calculés actuellement en une dimension mais doivent évoluer vers une approche 3D. Enfin, les échanges d'énergie et de masse au niveau du sol sont modélisés via une approche diffusive type ISBA-df. DART-EB a été testé de manière concluante avec des mesures terrain sur les sites de MUREX et du Bray. Il est un outil efficace pour étudier le fonctionnement des couverts et l'impact de leur architecture 3-D sur leurs propriétés radiatives et énergétiques (e.g., écarts de température de près de 1K sur un même niveau de houppier). Un SVAT 3D capable de simuler des images de télédétection spatiale, tel que DART-EB, offre des perspectives très intéressantes pour étudier les surfaces terrestres par télédétection. Ainsi, il permet d'évaluer l'impact de l'hétérogénéité de surface sur les températures de brillance observées, d'estimer par télédétection certains paramètres de surface, etc.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le renouveau actuel du vocabulaire formel dans l’univers des architectures dites « non standards » s’appuie largement sur l’utilisation de modeleurs tridimensionnels. Dans cette démarche de conception, la stratégie de modélisation d’objets relève moins de l’utilisation directe de la géométrie que de la formalisation d’une idée. En effet, le travail de recherche morphologique, de la forme idée à la forme visée, nécessite de nombreux ajustements incompatibles avec une démarche linéaire de modélisation géométrique. Nous émettons l’hypothèse que la genèse des formes résulte d’opérations successives de transformation de forme fondées sur des objectifs sémantiques et guidées par une ou plusieurs images mentales. Ce cheminement se fait par des variations importantes entre différents états de la forme et par de nombreux ajustements de cette forme. Pour répondre à ce processus itératif nous proposons une approche paramétrique de la modélisation qui s’appuie sur des modificateurs de forme de haut niveau. Nous nommons opérateurs morphologiques ces outils d’action sur la forme qui permettent à partir d’une fonction de transformation morphologique (bomber, torsader, plisser…) de trouver par différentes solutions alternatives et par ajustement une forme satisfaisante. Notre travail aborde plus spécifiquement les opérateurs plier, plisser, froisser / The current renewal of formal vocabulary in the world of architecture, so-called “non-standard”, relies heavily on the use of three-dimensional modelers. In this design strategy, object modeling falls under the direct use of geometry as the formalization of an idea. Indeed work with such forms requires many adjustments incompatible with linear geometric modeling. We assume that the genesis of forms results from successive operations processing form that are founded on semantic objectives and guided by one or more mental images. This semantic path is a variation between different states of the form and numerous adjustments to the form. To formalize this iterative process, we propose a parametric approach based on high level modifiers of form. Morphological operators are action tools that allow finding a satisfactory form through a morphological transformation (bulging, twisting, pleating…) and adjustment. Keywords : morphological operator, 3D design, architectural conception

Dans cette thèse, nous proposons une approche combinatoire novatrice fondée sur les matroïdes orientés pour l'étude quantitative de la forme de structures anatomiques 3D. Nous nous basons sur des points de repère qui ont été préalablement localisés par des experts sur la structure anatomique étudiée. La nouveauté de cette méthode provient de l'utilisation de matroïdes orientés. Ces outils mathématiques nous permettent de coder la position relative des points de repère de façon purement combinatoire, c'est-à-dire sans utiliser de notions d'angles ou de distances, en associant un signe (0, + ou -) à chaque sous-ensemble de (d+1) points de repère où d est la dimension de l'espace (dans notre cas 2 ou 3). Dans une première partie, nous supposons qu'il existe des contraintes d'ordres sur chaque axe de coordonnée pour les points de repère. Nous obtenons alors une caractérisation (en dimension 2 et 3) des sous-ensembles de points de repère dont le signe associé est constant, quelles que soient les valeurs des coordonnées satisfaisant les contraintes d'ordre. Dans une deuxième partie, nous cherchons à classifier un ensemble de modèles 3D, en les codant au préalable par ces listes de signes. Nous analysons d'abord comment s'appliquent les algorithmes de clustering classiques, puis nous décrivons comment caractériser des classes de façon directe, à l'aide des signes associés à quelques sous-ensembles de points de repère. Dans une troisième partie, nous détaillons les algorithmes et l'implémentation en machine de cette nouvelle méthode de morphométrie afin de pouvoir l'appliquer à des données réelles. Dans la dernière partie, nous appliquons la méthode sur trois bases de données composées chacune de plusieurs dizaines de points de repères relevés sur plusieurs dizaines à plusieurs centaines de structures crâniennes pour des applications en anatomie comparée, en orthodontie et sur des cas cliniques d'enfants présentant des déformations cranio-faciales. / In this thesis, we propose an innovative combinatorial method based on oriented matroids for the quantitative study of the shape of 3D anatomical structures. We rely on landmarks which were previously defined by experts on the studied anatomical structure. The novelty of this method results from the use of oriented matroids. These mathematical tools allow us to encode the relative position of landmarks in a purely combinatorial way, that is without using concepts of angles or distances, by associating a sign (0, + or -) for each subset of (d+1) landmarks where d is the dimension of space (in our case 2 or 3). In the first part, we assume that there exist constraints of orders on each coordinate axis for the landmarks. We obtain a characterization (in dimension 2 and 3) of the subsets of landmarks of which the associated sign is constant, regardless of the values of the coordinates satisfying the constraints of order. In a second part, we try to classify a set of 3D models, encoding in advance by these lists of signs. We first analyze how to apply classic clustering algorithms, and then describe how to characterize the classes directly, using signs associated with some subsets of landmarks. In the third part, we explain the algorithms and the implementation of this new morphometry method in order to apply it to real data. In the last part, we apply the method to three databases each consisting of several dozens of points defined on several dozens to several hundreds of cranial structures for applications in comparative anatomy, in orthodontics and on clinical cases of children with craniofacial deformities.