Dans cette thèse, nous abordons le problème de la génération automatique de contenu graphique avec un haut niveau de détails pour la génération de mondes. Dans cette quête du réalisme, les principaux verrous scientifiques et techniques sont : la gestion des masses de données géométriques nécessaires à la création de variétés d'objets naturels, la prise en compte des interactions en les différents objets et le contrôle utilisateur.Notre approche s'appuie sur un modèle volumique original et unificateur permettant de représenter les différents matériaux d'un terrain. Nous proposons un ensemble d'algorithmes de haut niveau, combinant des étapes de simulation pour assurer la plausibilité physique et le réalisme visuel à des techniques de génération procédurale permettant de gérer efficacement la complexité. Nos algorithmes permettent ainsi de sculpter des terrains complexes avec des grottes ou des surplombs et de générer des routes avec des tunnels et des ponts permettant le franchissement d'obstacles naturels.

L'objectif de cette thèse est la recherche de nouvelles techniques de génération de contenu numérique pour des applications de jeu vidéo. Le manque de variété de terrains, d'objets et de détails affecte fortement le réalisme des paysages de synthèse.Dans ce contexte, un des principaux goulots d'étranglements est la modélisation des ressources graphiques permettant de créer les scènes. Afin de simplifier et d'accélérer cette tâche, nous présentons des méthodes permettant de générer automatiquement du contenu graphique pour créer de grands paysages à la fois complexes et originaux.Notre première approche permet de créer et d'éditer rapidement des variétés d'objets à partir d'un modèle initial fourni par un graphiste, sous la contrainte d'une représentation avec très peu de triangles. Nous présentons également une méthode de génération procédurale des variétés d'objets. Ensemble, ces méthodes permettent de créer aussi bien des variétés de formes naturelles que des ouvrages d'arts tels que des routes, des ponts et des tunnels capables de s'adapter automatiquement au relief d'un paysage.Nous proposons une autre méthode, s'appuyant sur une simulation physique et thermique, pour créer des paysages hivernaux évoluant au cours du temps en fonction des conditions climatiques. Cette approche permet de suivre l'évolution du manteau neigeux ainsi que l'épaisseur de la glace qui se forme en surface d'un lac.

L'objectif principal de cette thèse est de développer des outils pour la reconstruction de l'environnement urbain à partir d'images. Les entrées typiques de notre travail est un ensemble d'images de façades, des empreintes au sol de bâtiments, et des modèles 3D reconstruits à partir d'images aériennes. Les principales étapes comprennent le calibrage des images,le recalage avec le modèle 3D, la récupération des informations de profondeur ainsi que la sémantique des façades.Pour atteindre cet objectif, nous utilisons des techniques du domaine de vision par ordinateur, reconnaissance de formes et de l'informatique graphique. Les contributions de notre approche sont présentés en deux parties.Dans la première partie, nous nous sommes concentrés sur des techniques de reconstruction multi-vues dans le but de récupérer automatiquement les informations de profondeur de façades à partir un ensemble des photographies non calibrées. Tout d'abord, nous utilisons la technique structure et mouvement pour calibrer automatiquement l'ensemble des photographies. Ensuite, nous proposons des techniques pour le recalage de la reconstruction avec un modèle 3D. Enfin, nous proposons des techniques de reconstruction 3d dense (stéréo multi-vues et voxel coloring) pour produire un maillage 3D texturé d'une scène d'un ensemble d'images calibrées.La deuxième partie est consacrée à la reconstruction à partir d'une seule vue et son objectif est de récupérer la structure sémantique d'une façade d'une image ortho-rectifiée. La nouveauté de cette approche est l'utilisation d'une grammaire stochastique décrivant un style architectural comme modèle pour la reconstruction de façades. nous combinons un ensemble de détecteurs image avec une méthode d'optimisation globale stochastique en utilisant l'algorithme Metropolis-Hastings. / The main goal of this thesis is to develop innovative and practicaltools for the reconstruction of buildings from images. The typical input to our workis a set of facade images, building footprints, and coarse 3d models reconstructedfrom aerial images. The main steps include the calibration of the photographs,the registration with the coarse 3d model, the recovery of depth and sematicinformation, and the refinement of the coarse 3d model.To achieve this goal, we use computer vision, pattern recognition and computergraphics techniques. Contributions in this approach are presented on two parts.In the first part, we focused on multiple view reconstruction techniques withthe aim to automatically recover the depth information of facades from a setof uncalibrated photographs. First, we use structure from motion techniques toautomatically calibrate the set of photographs. Then, we propose techniques for theregistration of the sparse reconstruction to a coarse 3d model. Finally, we proposean accelerated multi-view stereo and voxel coloring framework using graphicshardware to produce a textured 3d mesh of a scene from a set of calibrated images.The second part is dedicated to single view reconstruction and its aim is to recoverthe semantic structure of a facade from an ortho-rectified image. The novelty ofthis approach is the use of a stochastic grammar describing an architectural style asa model for facade reconstruction. we combine bottom-up detection with top-downproposals to optimize the facade structure using the Metropolis-Hastings algorithm.

Afin de créer des productions toujours plus réalistes, les industries du jeu vidéo et du cinéma cherchent à générer des environnements de plus en plus larges et complexes. Cependant, la modélisation manuelle des objets 3D dans de tels décors se révèle très coûteuse. A l’inverse, les méthodes de génération procédurale permettent de créer facilement une grande variété d’objets, tels que les plantes et les bâtiments. La modélisation par règles de grammaire offre un outil de haut niveau pour décrire ces objets, mais utiliser correctement ces règles s’avère très souvent compliqué. De plus, aucune solution de modélisation basée grammaire ne supporte l’édition et la visualisation d’environnements massifs en temps interactif. Dans un tel scénario, les artistes doivent modifier les objets en dehors de la scène avant de voir le résultat intégré.Dans ces travaux de recherche, nous nous intéressons à la génération procédurale et au rendu d’environnements à grande échelle. Nous voulons aussi faciliter la tâche des artistes avec des outils intuitifs de contrôle de grammaires. Tout d’abord nous proposons un système permettant la génération procédurale en parallèle sur le GPU en temps interactif. Pour cela, nous adoptons une approche d’expansion indépendante par segment, permettant une amplification des données en parallèle. Nous étendons ce système pour générer des modèles basés sur une structure interne, tels que les toits. Nous présentons aussi une solution utilisant des contextes externes pour contrôler facilement les grammaires par le biais de surface ou de texture. Pour finir nous intégrons un système de niveaux de détails et des techniques d’optimisation permettant la génération, l’édition et la visualisation interactives d’environnements à grande échelle. Grâce à notre système il est possible de générer et d’afficher interactivement des scènes comprenant des milliers de bâtiments et d’arbres, représentant environ 2 téraoctets de données. / With the increasing computing and storage capabilities of recent hardware, movie and video games industries desire huger realistic environments. However, modeling such sceneries by hand turns out to be highly time consuming and costly. On the other hand, procedural modeling provides methods to easily generate high diversity of elements such as vegetation and architecture. While grammar rules bring a high-level powerful modeling tool, using these rules is often a tedious task, necessitating frustrating trial and error process. Moreover, as no solution proposes real-time generation and rendering for massive environments, artists have to work on separate parts before integrating the whole and see the results.In this research, we aim to provide interactive generation and rendering of very large sceneries, while offering artist-friendly methods for controlling grammars behavior. We first introduce a GPU-based pipeline providing parallel procedural generation at render time. To this end we propose a segment-based expansion method working on independent elements, thus allowing for parallel amplification. We then extend this pipeline to permit the construction of models relying on internal contexts, such as roofs. We also present external contexts to control grammars with surface and texture data. Finally, we integrate a LOD system with optimization techniques within our pipeline providing interactive generation, edition and visualization of massive environments. We demonstrate the efficiency of our pipeline with a scene comprising hundred thousand trees and buildings each, representing 2 terabytes of data.

Afin de créer des productions toujours plus réalistes, les industries du jeu vidéo et du cinéma cherchent à générer des environnements de plus en plus larges et complexes. Cependant, la modélisation manuelle des objets 3D dans de tels décors se révèle très coûteuse. A l'inverse, les méthodes de génération procédurale permettent de créer facilement une grande variété d'objets, tels que les plantes et les bâtiments. La modélisation par règles de grammaire offre un outil de haut niveau pour décrire ces objets, mais utiliser correctement ces règles s'avère très souvent compliqué. De plus, aucune solution de modélisation basée grammaire ne supporte l'édition et la visualisation d'environnements massifs en temps interactif. Dans un tel scénario, les artistes doivent modifier les objets en dehors de la scène avant de voir le résultat intégré. Dans ces travaux de recherche, nous nous intéressons à la génération procédurale et au rendu d'environnements à grande échelle. Nous voulons aussi faciliter la tâche des artistes avec des outils intuitifs de contrôle de grammaires. Tout d'abord nous proposons un système permettant la génération procédurale en parallèle sur le GPU en temps interactif. Pour cela, nous adoptons une approche d'expansion indépendante par segment, permettant une amplification des données en parallèle. Nous étendons ce système pour générer des modèles basés sur une structure interne, tels que les toits. Nous présentons aussi une solution utilisant des contextes externes pour contrôler facilement les grammaires par le biais de surface ou de texture. Pour finir nous intégrons un système de niveaux de détails et des techniques d'optimisation permettant la génération, l'édition et la visualisation interactives d'environnements à grande échelle. Grâce à notre système il est possible de générer et d'afficher interactivement des scènes comprenant des milliers de bâtiments et d'arbres, représentant environ 2 teraoctets de données.

Dans cette thèse, nous abordons le problème de la génération automatique de contenu graphique avec un haut niveau de détails pour la génération de mondes. Dans cette quête du réalisme, les principaux verrous scientifiques et techniques sont : la gestion des masses de données géométriques nécessaires à la création de variétés d'objets naturels, la prise en compte des interactions en les différents objets et le contrôle utilisateur.Notre approche s'appuie sur un modèle volumique original et unificateur permettant de représenter les différents matériaux d'un terrain. Nous proposons un ensemble d'algorithmes de haut niveau, combinant des étapes de simulation pour assurer la plausibilité physique et le réalisme visuel à des techniques de génération procédurale permettant de gérer efficacement la complexité. Nos algorithmes permettent ainsi de sculpter des terrains complexes avec des grottes ou des surplombs et de générer des routes avec des tunnels et des ponts permettant le franchissement d'obstacles naturels. / In this thesis, we address the problem of automatic generation of graphical content with a high level of detail for the generation of worlds. In this quest for realism, the major scientific and technical challenges include: managing the mass of geometric data needed to create varieties of natural objects, taking into account interactions with the various objects and user control.Our approach is based on an original volumetric model for representing and unifying the different materials of land. We offer a range of high-level algorithms, combining simulation steps to ensure physical plausibility and visual realism, and procedural generation techniques to effectively manage complexity. Our algorithms are used to sculpt and complex terrain with caves and overhangs and generate roads with tunnels and bridges to cross natural barriers.

Cette thèse (qui a pour intitulé "Représentation, modélisation et génération procédurale de terrains") a pour cadre la génération de contenus numériques destinés aux films et aux jeux-vidéos, en particulier les scènes naturelles. Nos travaux visent à représenter et à générer des terrains. Nous proposons, en particulier, un nouveau modèle de représentation qui s'appuie sur un arbre de construction et qui va permettre à l'utilisateur de manipuler des morceaux de terrain de façon intuitive. Nous présentons également des techniques pour visualiser ce modèle avec un maximum d'efficacité. Enfin nous développons un nouvel algorithme de génération de terrains qui construit de très grands reliefs possédant des structures hiérarchiques découlant d'un réseau hydrographique : le relief généré est conforme aux grands principes d'écoulement des eaux sans avoir besoin d'utiliser de coûteuses simulations d'érosion hydrique. / This PhD (entitled "Representation, modelisation and procedural generation of terrains") is related to movie and videogames digital content creation, especially natural scenes.Our work is dedicated to handle and to generate landscapes efficently. We propose a new model based on a construction tree inside which the user can handle parts of the terrain intuitively. We also present techniques to efficently visualize such model. Finally, we present a new algorithm for generating large-scale terrains exhibiting hierarchical structures based on their hydrographic networks: elevation is generated in a broad compliance to water-tansport principles without having to resort on costly hydraulic simulations.

Demonstration videos can be found on fr.linkedin.com/in/doriangomez/ / Cette thèse porte sur la modélisation procédurale de mondes virtuels étendus dans le domaine de l’informatique graphique. Nous proposons d’exploiter les propriétés de visibilité entre régions élémentaires de la scène, que nous appelons tuiles, pour contrôler sa construction par pavage rectangulaire. Deux objectifs distincts sont visés par nos travaux : (1) fournir aux infographistes un moyen efficace pour générer du contenu 3D pour ces scènes virtuelles de très grande taille, et (2) garantir, dès la création du monde, des performances de rendu et de visualisation efficace. Pour cela, nous proposons plusieurs méthodes de détermination de la visibilité en 2D et en 3D. Ces méthodes permettent l’évaluation d’ensembles potentiellement visibles (PVS) en temps interactif ou en temps réel. Elles sont basées sur les calculs de lignes séparatrices et de lignes de support des objets, mais aussi sur l’organisation hiérarchique des objets associés aux tuiles. La première technique (2D) garantit l’occultation complète du champ visuel à partir d’une distance fixe, spécifiée par le concepteur de la scène, depuis n’importe quel endroit sur le pavage. La seconde permet d’estimer et de localiser les tuiles où se propage la visibilité, et de construire le monde en conséquence. Afin de pouvoir générer des mondes variés, nous présentons ensuite l’extension de cette dernière méthode à la 3D. Enfin, nous proposons deux méthodes d’optimisation du placement des objets sur les tuiles permettant d’améliorer leurs propriétés d’occultation et leurs impacts sur les performances de rendu tout en conservant l’atmosphère créée par l’infographiste par ses choix de placement initiaux. / This thesis deals with procedural modeling applied to extended worlds for computer graphics.We study visibility applied to tiling patterns, aiming at two distinct objectives : (1) providing artists with efficient tools to generate 3D content for very extended virtual scenes, and (2) guaranteeing that this content improves performance of subsequent renderings, during its construction. We propose several methods for 2D and 3D visibility determination, in order to achieve interactive or real-time evaluation of potentially visible sets (PVS). They are based on the concepts of separating and supporting lines/planes, as well as objects hierarchies over tiles. Our first 2D method guarantees full occlusion of the visual field (view frustum) beyond a fixed distance, regardless of the observer’s location on a tiling. The second method enables fast estimation and localization of visible tiles, and builds up a virtual world accordingly. We also extend this method to 3D. Finally, we present two methods to optimize objects locations on tiles, and show how to improve rendering performance for scenes generated on the fly.

En synthèse d'images, les scènes tridimensionnelles animées sont de plus en plus riches etdétaillées. Mais elles sont actuellement limitées dans les variations de leur échelle d'observation. Par exemple, créer des modèles permettant une ballade interactive passant continûment d'un atome à une galaxie pose de sérieux problèmes. L'objectif de cette thèse est d'y apporter une solution dans le cadre d'une visualisation temps-réel sur un matériel informatique standard. Tout d'abord, nous montrons pourquoi la modélisation multi-échelle procédurale est particulièrement bien adaptée pour résoudre ce problème. Plus précisément, nous utilisons la modélisation par complexification qui décrit un modèle par une représentation grossière et par un ensemble de fonctions qui lui ajoutent localement des détails jusqu'à satisfaire la précision requise par des critères perceptuels. Nous introduisons une nouveau formalisme basé sur le langage C++ capable de décrire un large éventail de modèles 3D animés sur de grandes variations d'échelle. Nous proposons un outil générique qui implémente ce formalisme appelé DynamicGraph. Cet outil offre d'une part une interface graphique dédiée et d'autre part un algorithme de rendu temps-réel qui évalue effcacement la visibilité et de la précision requise. Nous illustrons par différentes études de cas le potentiel de cette approche.

L’objectif de cette thèse est la recherche de nouvelles techniques de génération de contenu numérique pour des applications de jeu vidéo. Le manque de variété de terrains, d’objets et de détails affecte fortement le réalisme des paysages de synthèse.Dans ce contexte, un des principaux goulots d’étranglements est la modélisation des ressources graphiques permettant de créer les scènes. Afin de simplifier et d’accélérer cette tâche, nous présentons des méthodes permettant de générer automatiquement du contenu graphique pour créer de grands paysages à la fois complexes et originaux.Notre première approche permet de créer et d’éditer rapidement des variétés d’objets à partir d’un modèle initial fourni par un graphiste, sous la contrainte d’une représentation avec très peu de triangles. Nous présentons également une méthode de génération procédurale des variétés d’objets. Ensemble, ces méthodes permettent de créer aussi bien des variétés de formes naturelles que des ouvrages d’arts tels que des routes, des ponts et des tunnels capables de s’adapter automatiquement au relief d’un paysage.Nous proposons une autre méthode, s’appuyant sur une simulation physique et thermique, pour créer des paysages hivernaux évoluant au cours du temps en fonction des conditions climatiques. Cette approche permet de suivre l’évolution du manteau neigeux ainsi que l’épaisseur de la glace qui se forme en surface d’un lac. / The goal of this thesis is the search for new techniques for generating digital content for video game applications. The lack of variety of objects and details strongly affects the realism of synthetic landscapes. In this context, a major bottleneck is the creation of graphical assets to create the scenes. To simplify and accelerate this task, we present methods to automatically generate graphical content with a view to creating large, convincing and realistic landscapes.We present a first category of method to create and edit quickly a vast variety of objects from an initial model provided by a graphic designer, under the constraint of low polygonal modeling. We also present a procedural method for generating of varieties of objects. Together, these methods can create many varieties of natural forms as well as roads, bridges and tunnels that can automatically adapt to the landform features of an input terrain.We propose another method, based on a physical simulation and heat transfer simulation to create winter landscapes that evolve over time depending on the weather conditions. This approach allows us to follow the evolution of the snowpack and the thickness of the ice that forms on the surface of a lake.