Cette thèse s’intéresse à la synthétisation de paysages naturels, et plus particulièrement, à leur portion céleste. L’aspect du ciel est gouverné par de nombreux phénomènes atmosphériques parmi lesquels les nuages jouent un rôle prépondérant car ils sont fréquemment présents et couvrent de grandes étendues. Même sans considérer directement le ciel, la densité des nuages leur permet de modifier intensément l’illumination globale d’un paysage. Les travaux de cette thèse se concentrent donc principalement sur l’édition, la modélisation et l’animation d’étendues nuageuses aux dimensions d’un paysage. Comme la simulation thermodynamique de la formation des nuages est difficilement contrôlable et que les détails du volume simulés sont rapidement limités, nous proposons plutôt une méthode par génération procédurale. Nous érigeons un modèle léger de paysage nuageux sous forme d’une hiérarchie de fonctions. Les détails les plus fins sont obtenus par composition de bruits procéduraux et reproduisent les formes de différents genres de nuages. La présence nuageuse à grande échelle est quant à elle décrite à haut niveau et à différents instants par des cartes dessinées par l’utilisateur. Ces cartes discrètes sont transformées en primitives implicites statiques ensuite interpolées par métamorphose en prenant en compte le relief et les vents pour produire des trajectoires cohérentes. Le champ implicite obtenu par mélange des primitives interpolantes constitue le champ spatiotemporel de densité nuageuse. Des images sont finalement synthétisées par rendu du milieu participatif atmosphérique selon notre propre implémentation exécutée en parallèle sur carte graphique / This thesis focusses on the synthetization of natural landscapes, and more particularly on their celestial part. The aspect of the sky is governed by plenty of atmospheric phenomena, among which clouds play a major role for they are recurrent and widespread. Even without directly considering the sky, the density of the clouds allows them to intensely modify the global illumination of a landscape. The work of this thesis thus focuses mainly on the editing, modelling and animation of cloud areas of landscape dimensions.Because the thermodynamic simulation of cloud formation is hard to control and its maximum resolution quickly limits the details of the simulated volume, we propose instead a procedural generation method. We build a lightweight cloudscape model as a hierarchy of functions. The finest details are obtained by composing procedural noises and reproduce the specific shapes of different kinds of clouds. The large-scale cloud presence is described at a high level and at different times by maps drawn by the user. These discrete maps are transformed into implicit static primitives and then interpolated by morphing, accounting for relief and winds in order to produce coherent trajectories. The implicit field obtained by mixing the interpolating primitives represents the spatiotemporal field of cloud density. Images are finally synthesized by rendering of the atmospheric participative medium according to our own implementation, executed in parallel on a graphic card

La représentation de phénomènes naturels fait partie des domaines les plus complexes et les plus actifs de la recherche en informatique graphique. Notre compréhension de la nature s'améliorant au fil des années, les chercheurs ne cessent de proposer des nouveaux modèles, toujours plus pertinents les uns que les autres, et permettant de reproduire les différents phénomènes naturels que nous pouvons observer autour de nous, dans la vie de tous les jours. Nous nous sommes intéressés à la représentation du fruit et des différents éléments qui le caractérisent. Le fruit est un objet complexe et, en fonction de la précision requise, sa conception à l'aide de logiciels de modélisation 3D peut très vite devenir compliquée. Notre modèle permet de générer une grande variété de fruits de formes différentes ainsi que les différents éléments de leur structure interne et ce, grâce à l'utilisation d'une seule grammaire. Au sein d'une même espèce, les fruits générés seront tous différents au niveau de leur forme, tout en restant semblables. La seconde partie de nos travaux porte quant à elle sur la représentation des imperfections géométriques qui sont propres aux fruits. Les fruits sont le résultat de l'enchaînement d'un très grand nombre de processus physiologiques complexes qui interagissent fortement entre eux. Lorsque le bon fonctionnement de l'un de ces processus est compromis, cette anomalie se matérialise sur le fruit par l'apparition de défauts au niveau de sa forme. Notre modèle propose une approche simple, basée sur l'utilisation de grammaires, qui permettent d'altérer soit la forme générale d'un fruit soit des parties de sa surface. / One of the largest areas of research in computer graphics deals with natural phenomena representation. Over the years, as our understanding of nature grew, researchers started to propose new ways of simulating the various natural phenomena that we can observe in our everyday life. In this thesis, we focused on the representation of fruits. The fruit is a complex object. Depending on the desired accuracy, modeling a 3D fruit using classic 3D modeling software can become very tedious. We propose a model for generating vast varieties of fruits as well as their internal structure, thanks to the use of a single formal grammar. Each fruit that will be generated using our method will have global features that characterize its species, but it will also have local variations that are specific to it. The second part of ou work involves the representation of geometrical imperfections along the fruit. The fruit is the result of a series of physiological processes that strongly interact with each other. When one of these processes does not work the way it should, this dysfunction is materialized in the form of a shape defect. Our model introduces a simple approach, based on the use of grammars, which will allow us to apply variations on fruits in order to generate various categories of shape defects.

Le réalisme des images en infographie exige de créer des objets (ou des scènes) de plus en plus complexes, ce qui entraîne des coûts considérables. La modélisation procédurale peut aider à automatiser le processus de création, à simplifier le processus de modification ou à générer de multiples variantes d'une instance d'objet. Cependant même si plusieurs méthodes procédurales existent, aucune méthode unique permet de créer tous les types d'objets complexes, dont en particulier un édifice complet. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse proposent deux solutions au problème de la modélisation procédurale: une solution au niveau de la géométrie de base, et l’autre sous forme d'un système général adapté à la modélisation des objets complexes. Premièrement, nous présentons le bloc, une nouvelle primitive de modélisation simple et générale, basée sur une forme cubique généralisée. Les blocs sont disposés et connectés entre eux pour constituer la forme de base des objets, à partir de laquelle est extrait un maillage de contrôle pouvant produire des arêtes lisses et vives. La nature volumétrique des blocs permet une spécification simple de la topologie, ainsi que le support des opérations de CSG entre les blocs. La paramétrisation de la surface, héritée des faces des blocs, fournit un soutien pour les textures et les fonctions de déplacements afin d'appliquer des détails de surface. Une variété d'exemples illustrent la généralité des blocs dans des contextes de modélisation à la fois interactive et procédurale. Deuxièmement, nous présentons un nouveau système de modélisation procédurale qui unifie diverses techniques dans un cadre commun. Notre système repose sur le concept de composants pour définir spatialement et sémantiquement divers éléments. À travers une série de déclarations successives exécutées sur un sous-ensemble de composants obtenus à l'aide de requêtes, nous créons un arbre de composants définissant ultimement un objet dont la géométrie est générée à l'aide des blocs. Nous avons appliqué notre concept de modélisation par composants à la génération d'édifices complets, avec intérieurs et extérieurs cohérents. Ce nouveau système s'avère général et bien adapté pour le partionnement des espaces, l'insertion d'ouvertures (portes et fenêtres), l'intégration d'escaliers, la décoration de façades et de murs, l'agencement de meubles, et diverses autres opérations nécessaires lors de la construction d'un édifice complet. / The realism of computer graphics images requires the creation of objects (or scenes) of increasing complexity, which leads to considerable costs. Procedural modeling can help to automate the creation process, to simplify the modification process or to generate multiple variations of an object instance. However although several procedural methods exist, no single method allows the creation of all types of complex objects, including in particular a complete building. This thesis proposes two solutions to the problem of procedural modeling: one solution addressing the geometry level, and the other introducing a general system suitable for complex object modeling. First, we present a simple and general modeling primitive, called a block, based on a generalized cuboid shape. Blocks are laid out and connected together to constitute the base shape of complex objects, from which is extracted a control mesh that can contain both smooth and sharp edges. The volumetric nature of the blocks allows for easy topology specification, as well as CSG operations between blocks. The surface parameterization inherited from the block faces provides support for texturing and displacement functions to apply surface details. A variety of examples illustrate the generality of our blocks in both interactive and procedural modeling contexts. Second, we present a novel procedural modeling system which unifies some techniques into a common framework. Our system relies on the concept of components to spatially and semantically define various elements. Through a series of successive statements executed on a subset of queried components, we grow a tree of components ultimately defining an object whose geometry is made from blocks. We applied our concept and representation of components to the generation of complete buildings, with coherent interiors and exteriors. It proves general and well adapted to support partitioning of spaces, insertion of openings (doors and windows), embedding of staircases, decoration of façades and walls, layout of furniture, and various other operations required when constructing a complete building.

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.

Le réalisme des images en infographie exige de créer des objets (ou des scènes) de plus en plus complexes, ce qui entraîne des coûts considérables. La modélisation procédurale peut aider à automatiser le processus de création, à simplifier le processus de modification ou à générer de multiples variantes d'une instance d'objet. Cependant même si plusieurs méthodes procédurales existent, aucune méthode unique permet de créer tous les types d'objets complexes, dont en particulier un édifice complet. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse proposent deux solutions au problème de la modélisation procédurale: une solution au niveau de la géométrie de base, et l’autre sous forme d'un système général adapté à la modélisation des objets complexes. Premièrement, nous présentons le bloc, une nouvelle primitive de modélisation simple et générale, basée sur une forme cubique généralisée. Les blocs sont disposés et connectés entre eux pour constituer la forme de base des objets, à partir de laquelle est extrait un maillage de contrôle pouvant produire des arêtes lisses et vives. La nature volumétrique des blocs permet une spécification simple de la topologie, ainsi que le support des opérations de CSG entre les blocs. La paramétrisation de la surface, héritée des faces des blocs, fournit un soutien pour les textures et les fonctions de déplacements afin d'appliquer des détails de surface. Une variété d'exemples illustrent la généralité des blocs dans des contextes de modélisation à la fois interactive et procédurale. Deuxièmement, nous présentons un nouveau système de modélisation procédurale qui unifie diverses techniques dans un cadre commun. Notre système repose sur le concept de composants pour définir spatialement et sémantiquement divers éléments. À travers une série de déclarations successives exécutées sur un sous-ensemble de composants obtenus à l'aide de requêtes, nous créons un arbre de composants définissant ultimement un objet dont la géométrie est générée à l'aide des blocs. Nous avons appliqué notre concept de modélisation par composants à la génération d'édifices complets, avec intérieurs et extérieurs cohérents. Ce nouveau système s'avère général et bien adapté pour le partionnement des espaces, l'insertion d'ouvertures (portes et fenêtres), l'intégration d'escaliers, la décoration de façades et de murs, l'agencement de meubles, et diverses autres opérations nécessaires lors de la construction d'un édifice complet. / The realism of computer graphics images requires the creation of objects (or scenes) of increasing complexity, which leads to considerable costs. Procedural modeling can help to automate the creation process, to simplify the modification process or to generate multiple variations of an object instance. However although several procedural methods exist, no single method allows the creation of all types of complex objects, including in particular a complete building. This thesis proposes two solutions to the problem of procedural modeling: one solution addressing the geometry level, and the other introducing a general system suitable for complex object modeling. First, we present a simple and general modeling primitive, called a block, based on a generalized cuboid shape. Blocks are laid out and connected together to constitute the base shape of complex objects, from which is extracted a control mesh that can contain both smooth and sharp edges. The volumetric nature of the blocks allows for easy topology specification, as well as CSG operations between blocks. The surface parameterization inherited from the block faces provides support for texturing and displacement functions to apply surface details. A variety of examples illustrate the generality of our blocks in both interactive and procedural modeling contexts. Second, we present a novel procedural modeling system which unifies some techniques into a common framework. Our system relies on the concept of components to spatially and semantically define various elements. Through a series of successive statements executed on a subset of queried components, we grow a tree of components ultimately defining an object whose geometry is made from blocks. We applied our concept and representation of components to the generation of complete buildings, with coherent interiors and exteriors. It proves general and well adapted to support partitioning of spaces, insertion of openings (doors and windows), embedding of staircases, decoration of façades and walls, layout of furniture, and various other operations required when constructing a complete building.