Alors que les surfaces géométriques sont essentiellement représentées à l'aide de maillages triangulaires dans le domaine de la géométrie numérique, les structures permettant d'interagir avec ces géométries sont variées et adaptées aux différents traitements visés par l'utilisateur. Cette thèse présente des travaux réalisés sur des structures de dimension et de représentation géométrique variées, allant de l'étude des structures internes comme les squelettes analytiques pour la modélisation géométrique, passant par les structures surfaciques pour la sélection automatiques de poignées de déformation, jusqu'aux structures externes de contrôle d'objet de type "cage" offrant une représentation haut niveau de séquences animées d'objets issues de systèmes de performance capture. Sont présentés également les résultats obtenus sur les coordonnées aux valeurs moyennes offrant une solution au problème de l'interpolation de conditions de Dirichlet, pour lesquelles les formules analytiques des gradients et Hessiens sont fournies, et les fonctions biharmoniques pour lesquelles une base d'éléments finis est formulée pour la résolution du problème de Laplace biharmonique avec conditions mixtes Dirichlet/Neumann, ainsi que leurs applications à la déformation de formes 3D. / While 3D surfaces are essentially represented using triangle meshes in the domain of digital geometry, the structures that allow to interact with those are various and adapted to the different geometry processing tasks that are targetted by the user.This thesis presents results on structures of various dimension and various geometrical representations, going from internal structures like analytical curve skeletons for shape modeling, to on-surface structures allowing automatic selection of feature handles for shape deformation, and external control structures known as “cages” offering a high-level representation of animated 3D data stemming from performance capture. Results on spatial functions are also presented, in particular for the Mean-Value Coordinates, for which the analytical formulae of the gradients and the Hessians are provided, and biharmonic functions, for which a finite elements basis is given for the resolution of the biharmonic Laplace problem with mixed Dirichlet/Neumann boundary conditions, as well as their applications to 3D shapes deformation.

La scoliose idiopathique de l'adolescent est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Elle touche principalement des jeunes filles en pleine croissance. La détection au plus tôt d'une soudaine aggravation des déformations est indispensable pour améliorer la prise en charge thérapeutique du patient. Le développement d'outil d'aide au pronostic nécessite au préalable une analyse des mécanismes de progression. L'objectif de cette étude est d'analyser les mécanismes de progression de la scoliose à l'aide de la modélisation géométrique et mécanique personnalisée. L'effet combiné d'un trouble de croissance et de l'hyperlaxité des disques intervertébraux sur le développement des déformations a été analysé à l'aide d'un modèle en éléments finis personnalisé. Un schéma géométrique descriptif des scolioses évolutives a été utilisé pour évaluer le risque de progression dès le premier examen du suivi à l'aide d'une méthode statistique. La méthode utilisée a été validée sur 49 sujets et par comparaison à des méthodes de classification supervisée. Les différences de comportement mécanique pouvant caractériser l'évolutivité de la scoliose ont été analysées à l'aide de la simulation numérique de progression. Il apparaît qu'un défaut géométrique initial spécifique ainsi qu'un trouble de croissance sont nécessaire à la progression des déformations. L'hyperlaxité des disques joue le rôle de catalyseur de progression. Les résultats de simulation de progression ont été exploités pour évaluer préliminairement une correction locale précoce des déformations.

Au travers de l’ensemble de ces travaux, l’objectif principal consiste à valider la pertinence de la construction et de l’utilisation de modèles 3D géométriques ou paramétriques orientés BIM/hBIM pour des analyses numériques. Il s’agit notamment d’études structurales dans le cas de bâtiments historiques ainsi que la planification potentielle de travaux de restauration, rénovation énergétique et réhabilitation. Des travaux d’exploitation complémentaires des données et des nuages de points, pour la détection, la segmentation et l’extraction d’entités géométriques ont également été intégrés dans les travaux et la méthodologie proposée. Le processus de traitement des données, modélisation géométrique ou paramétrique et leur exploitation, proposé dans ces travaux, contribue à améliorer et mieux comprendre les contraintes et enjeux des différentes configurations et conditions liées aux cas d’études et aux contraintes spécifiques propres aux types de constructions. Les contributions proposées pour les différentes méthodes de modélisation géométriques et paramétriques à partir des nuages de points, sont abordées par la construction de modèles géométriques orientés BIM ou hBIM. De même, les processus de détection d’éléments surfaciques et d’extraction de données à partir de nuages de points mis en place sont présentés. La mise en application de ces méthodes de modélisation est systématiquement illustrée par différents cas d’étude, dont l’ensemble des travaux relatifs ont été effectués dans le cadre de cette thèse. Le but est dès lors de démontrer l’intérêt et la pertinence de ces méthodes numériques en fonction du contexte, des besoins et des études envisagées, par exemple avec la flèche de la cathédrale de Senlis (Oise) et le site de l’Hermitage (Oise). Des analyses numériques de type éléments finis permettent ensuite de valider la pertinence de telles démarches. / Throughout this work, the main objective is to validate the relevance of construction and use of geometric or parametric 3D models BIM or hBlM-oriented for numerical analyzes. These include structural studies in the case of historic buildings, as well as planning for restoration work, energy renovation and rehabilitation. Complementary data mining and use of point clouds for the detection, segmentation and extraction of geometric features have also been integrated into the work and proposed methodology. The process of data processing, geometric or parametric modeling and their exploitation, proposed in this work, contributes to improve and understand better the constraints and stakes of the different configurations and conditions related to the case studies and the specific constraints specific to the types of constructions. The contributions proposed for the different geometric and parametric modeling methods from point clouds are addressed by the construction of geometric models BIM or hBlM-oriented. Similarly, the process of surface detection, extraction of data and elements from point clouds are presented. The application of these modeling methods is systematically illustrated by different case studies, all of whose relative work has been carried out within the framework of this thesis. The goal is therefore to demonstrate the interest and relevance of these numerical methods according to the context, needs and studies envisaged, for example with the spire of the Senlis cathedral (Oise) and the Hermitage site (Oise). Numerical analyzes with finite element method are used to validate the relevance of these approaches.