Kollektive Migration und Schwarmverhalten sind Beispiele für Selbstorganisation und können in verschiedenen biologischen Systemen beobachtet werden, beispielsweise in Vogel-und Fischschwärmen oder Bakterienpopulationen. Im Zentrum dieser Arbeit steht ein räumlich diskretes und zeitlich stetiges Model, welches das kollektive Migrieren von Individuen mittels eines stochastischen Vielteilchensystems (VTS) beschreibt und analysierbar macht. Das konstruierte Modell ist in keiner Klasse gut untersuchter Vielteilchensysteme enthalten, sodass der größte Teil der Arbeit der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des Langzeitverhaltens bestimmter VTS gewidmet ist. Eine entscheidende Rolle spielen hier Gibbs-Maße, die zu zeitlich invarianten Maßen in Beziehung gesetzt werden. Durch eine Simulationsstudie und die Analyse des Einflusses der Parameter Migrationsgeschwindigkeit, Sensitivität der Individuen und (räumliche) Dichte der Anfangsverteilung können Eigenschaften kollektiver Migration erklärt und Hypothesen für weitere Analysen aufgestellt werden. / Collective migration and swarming behavior are examples of self-organization and can be observed in various biological systems, such as in flocks of birds, schools of fish or populations of bacteria. In the center of this thesis lies a stochastic interacting particle system (IPS), which is a spatially discrete model with a continuous time scale that describes collective migration and which can be treated using analytical methods. The constructed model is not contained in any class of well-understood IPS’s. The largest part of this work is used to develop methods that can be used to study the long-term behavior of certain IPS’s. Thereby Gibbs-Measures play an important role and are related to temporally invariant measures. One can explain the properties of collective migration and propose a hypothesis for further analyses by a simulation study and by analysing the parameters migration velocity, sensitivity of individuals and (spatial) density of the initial distribution.

Le but de cette thèse était de mettre en place un algorithme permettant de traiter des données de LIDAR (LIght Detection And Ranging). On a principalement eu recours à des LIDAR de type Doppler et aérosols. Les mesures de ces appareils sont obtenues de telle sorte que l'on dispose en fait d'une grille d'observation. Cependant on souhaite avoir des informations sur l'atmosphère qui est un milieu continu. Nous avons utilisé des méthodes d'analyse multi-résolution pour se placer dans un cadre mathématique correspondant au problème physique. On a donc obtenu un découpage de l'espace d'évolution du processus en deux sous-espaces orthogonaux, imposé par la structure des observations. Nous avons alors pu étendre la théorie du filtrage non linéaire dans ce cadre. Pour cela nous avons utilisé les noyaux de filtrage de type Feynman-Kac. Il nous a fallu reprendre les calculs et formulés des hypothèses cohérentes avec le problème physique pour obtenir des résultats de convergence semblable à ceux de la théorie classique. Nous nous sommes alors ramené dans le cadre adapté aux filtres à particules. Nous avons alors développé différents algorithmes basés sur les résultats théoriques obtenus. Différentes applications de notre méthode nous a permis de mettre en valeur le fait que nous pouvions, dans une certaine mesure, retrouver des paramètres de taille inférieur à la résolution donnée par la grille. Finalement nous avons mis en place un cadre théorique ainsi qu'un algorithme permettant de traiter à la fois des données de LIDAR Doppler et aérosols. Nous avons ainsi pu vérifier que nos estimations se raffinaient par l'ajout de traceurs passifs. / The aim of this thesis was to set up an algorithm for processing LIDAR data (LIght Detection And Ranging). LIDARs of the Doppler and aerosol type were mainly used. The measurements of these measuring devices are obtained in such a way that only an observation grid is in fact available. However, it is desired to have information about the atmosphere which is a continuous medium. We used multi-resolution analysis methods to place ourselves in a mathematical framework corresponding to the physical problem. We have thus obtained a division of the space of evolution of the process into two orthogonal subspaces, imposed by the structure of the observations. We were able to extend the theory of nonlinear ltering in this framework. For this we used the filter kernels of Feynman-Kac type. We had to resume the calculations and formulate hypotheses consistent with the physical problem in order to obtain results of convergence similar to those of the classical theory. We then returned to the frame suitable for particle filters. We developed different algorithms based on the theoretical results obtained. Different applications of our method allowed us to highlight the fact that we could, to some extent, find parameters smaller than the resolution given by the grid. Finally, we set up a theoretical framework as well as an algorithm for processing LIDAR Doppler and aerosol data. We were able to verify that our estimates were refined by the addition of passive tracers.

This thesis describes methods for applying secondary water effects as spray, foam, splashes and mist to a fluid simulation system. For an art direction control over the base fluid flow a Fluid Implicit Particle solver with custom fields is also presented. The methods build upon production techniques within the visual effects industry, fluid dynamics and relevant computer graphics research. The implementation of the methods is created within Side Effects Software Houdini.

Dans cette thèse, on étudie un système de particules en interaction qui généralise un processus de contact, évoluant en environnement aléatoire. Le processus de contact peut être interprété comme un modèle de propagation d'une population ou d'une infection. La motivation de ce modèle provient de la biologie évolutive et de l'écologie comportementale via la technique du mâle stérile, il s'agit de contrôler une population d'insectes en y introduisant des individus stérilisés de la même espèce: la progéniture d'une femelle et d'un individu stérile n'atteignant pas de maturité sexuelle, la population se voit réduite jusqu'à potentiellement s'éteindre. Pour comprendre ce phénomène, on construit un modèle stochastique spatial sur un réseau dans lequel la population suit un processus de contact dont le taux de croissance est ralenti en présence d'individus stériles, qui forment un environnement aléatoire dynamique. Une première partie de ce document explore la construction et les propriétés du processus sur le réseau Z^d. On obtient des conditions de monotonie afin d'étudier la survie ou la mort du processus. On exhibe l'existence et l'unicité d'une transition de phase en fonction du taux d'introduction des individus stériles. D'autre part, lorsque d=1 et cette fois en fixant l'environnement aléatoire initialement, on exhibe de nouvelles conditions de survie et de mort du processus qui permettent d'expliciter des bornes numériques pour la transition de phase. Une seconde partie concerne le comportement macroscopique du processus en étudiant sa limite hydrodynamique lorsque l'évolution microscopique est plus complexe. On ajoute aux naissances et aux morts des déplacements de particules. Dans un premier temps sur le tore de dimension d, on obtient à la limite un système d'équations de réaction-diffusion. Dans un second temps, on étudie le système en volume infini sur Z^d, et en volume fini, dans un cylindre dont le bord est en contact avec des réservoirs stochastiques de densités différentes. Ceci modélise des phénomènes migratoires avec l'extérieur du domaine que l'on superpose à l'évolution. À la limite on obtient un système d'équations de réaction-diffusion, auquel s'ajoutent des conditions de Dirichlet aux bords en présence de réservoirs. / In this thesis, we study an interacting particle system that generalizes a contact process, evolving in a random environment. The contact process can be interpreted as a spread of a population or an infection. The motivation of this model arises from behavioural ecology and evolutionary biology via the sterile insect technique ; its aim is to control a population by releasing sterile individuals of the same species: the progeny of a female and a sterile male does not reach sexual maturity, so that the population is reduced or potentially dies out. To understand this phenomenon, we construct a stochastic spatial model on a lattice in which the evolution of the population is governed by a contact process whose growth rate is slowed down in presence of sterile individuals, shaping a dynamic random environment. A first part of this document investigates the construction and the properties of the process on the lattice Z^d. One obtains monotonicity conditions in order to study the survival or the extinction of the process. We exhibit the existence and uniqueness of a phase transition with respect to the release rate. On the other hand, when d=1 and now fixing initially the random environment, we get further survival and extinction conditions which yield explicit numerical bounds on the phase transition. A second part concerns the macroscopic behaviour of the process by studying its hydrodynamic limit when the microscopic evolution is more intricate. We add movements of particles to births and deaths. First on the d-dimensional torus, we derive a system of reaction-diffusion equations as a limit. Then, we study the system in infinite volume in Z^d, and in a bounded cylinder whose boundaries are in contact with stochastic reservoirs at different densities. As a limit, we obtain a non-linear system, with additionally Dirichlet boundary conditions in bounded domain.

This thesis describes methods for lighting calculations of large scenes used in modern computer games. Forward shading and deferred shading methods are discussed and compared. Capabilities of raytracing are shortly described. There are some information about various methods for casting shadows, simulation of particle systems and applying post-processing effects. In the end there is a design of architecture for rendering complex scenes with use of XNA and description of implementation used in resulting game.

The thesis is concerned with modern game engines, focusing on physical simulation and particle systems. It offers usable architectures overview for a game engine development. The thesis provides characteristic to the most essential game engine's logical modules as scene graph, resource management or rendering. Today's tools used for physical simulation in games are also described. Main part of the thesis concentrates on design and implementation of its own C3D game engine which exploits capabilities of the NVIDIA PhysX physical engine. The thesis includes modern techniques rising from author's gained experience.

Kollektive Migration und Schwarmverhalten sind Beispiele für Selbstorganisation und können in verschiedenen biologischen Systemen beobachtet werden, beispielsweise in Vogel-und Fischschwärmen oder Bakterienpopulationen. Im Zentrum dieser Arbeit steht ein räumlich diskretes und zeitlich stetiges Model, welches das kollektive Migrieren von Individuen mittels eines stochastischen Vielteilchensystems (VTS) beschreibt und analysierbar macht. Das konstruierte Modell ist in keiner Klasse gut untersuchter Vielteilchensysteme enthalten, sodass der größte Teil der Arbeit der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des Langzeitverhaltens bestimmter VTS gewidmet ist. Eine entscheidende Rolle spielen hier Gibbs-Maße, die zu zeitlich invarianten Maßen in Beziehung gesetzt werden. Durch eine Simulationsstudie und die Analyse des Einflusses der Parameter Migrationsgeschwindigkeit, Sensitivität der Individuen und (räumliche) Dichte der Anfangsverteilung können Eigenschaften kollektiver Migration erklärt und Hypothesen für weitere Analysen aufgestellt werden. / Collective migration and swarming behavior are examples of self-organization and can be observed in various biological systems, such as in flocks of birds, schools of fish or populations of bacteria. In the center of this thesis lies a stochastic interacting particle system (IPS), which is a spatially discrete model with a continuous time scale that describes collective migration and which can be treated using analytical methods. The constructed model is not contained in any class of well-understood IPS’s. The largest part of this work is used to develop methods that can be used to study the long-term behavior of certain IPS’s. Thereby Gibbs-Measures play an important role and are related to temporally invariant measures. One can explain the properties of collective migration and propose a hypothesis for further analyses by a simulation study and by analysing the parameters migration velocity, sensitivity of individuals and (spatial) density of the initial distribution.

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Cette thèse est consacrée à l’analyse de ces modèles particulaires pour les mathématiques financières.Le manuscrit est organisé en quatre chapitres. Chacun peut être lu séparément.Le premier chapitre présente le travail de thèse de manière globale, définit les objectifs et résume les principales contributions. Le deuxième chapitre constitue une introduction générale à la théorie des méthodes particulaire, et propose un aperçu de ses applications aux mathématiques financières. Nous passons en revue les techniques et les résultats principaux sur les systèmes de particules en interaction, et nous expliquons comment ils peuvent être appliques à la solution numérique d’une grande variété d’applications financières, telles que l’évaluation d’options compliquées qui dépendent des trajectoires, le calcul de sensibilités, l’évaluation d’options américaines ou la résolution numérique de problèmes de contrôle et d’estimation avec observation partielle.L’évaluation d’options américaines repose sur la résolution d’une équation d’évolution à rebours, nommée l’enveloppe de Snell dans la théorie du contrôle stochastique et de l’arrêt optimal. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur l’analyse de l’enveloppe de Snell et de ses extensions à différents cas particuliers. Un ensemble de modèles particulaires est alors proposé et analysé numériquement. / This thesis is concerned with the analysis of these particle models for computational finance.The manuscript is organized in four chapters. Each of them could be read separately.The first chapter provides an overview of the thesis, outlines the motivation and summarizes the major contributions. The second chapter gives a general in- troduction to the theory of interacting particle methods, with an overview of their applications to computational finance. We survey the main techniques and results on interacting particle systems and explain how they can be applied to the numerical solution of a variety of financial applications; to name a few: pricing complex path dependent European options, computing sensitivities, pricing American options, as well as numerically solving partially observed control and estimation problems.The pricing of American options relies on solving a backward evolution equation, termed Snell envelope in stochastic control and optimal stopping theory. The third and fourth chapters focus on the analysis of the Snell envelope and its variation to several particular cases. Different type of particle models are proposed and studied.

The application of Computer Graphics tools in the nature phenomena simulation have been presenting a series of proposals since its creation. Over the years this task has gained a characteristic trait that makes it closer to the reality, both visually as by the abstraction strategies used. However, the specific application of this Computer Science area for the astrophysical phenomena simulation remains as something restricted explored, although the Computer Graphics is considered as an important tool to aid the synthesis of satellite images and the film industry. Accordingly, this graphical simulation area remains open in several ways, showing a need for development of simulation models for the phenomena described by Astrophysics. This dissertation presents a graphical simulation model of Black Holes, that is one of the most mysterious phenomena known by man, through the use of Particle Systems representation techniques and the approximation method Smoothed Particle Hydrodynamics, making possible this phenomenon observation and its application in the animations design. / A aplicação da Computação Gráfica na simulação de fenômenos da natureza tem apresentado, desde sua criação, uma série de propostas, que ao longo dos anos vem ganhando um caráter que as aproxima mais da realidade, tanto visualmente quanto através das estratégias de abstração utilizadas. Entretanto, a aplicação específica desta área da Ciência da Computação para a simulação de fenômenos astrofísicos fisicamente baseados ainda permanece como algo restritamente explorado, embora a Computação Gráfica seja considerada como uma importante ferramenta de auxílio a síntese de imagens obtidas via satélite e na industria cinematográfica. Neste sentido, esta área de simulação gráfica permanece em aberto sob diversos aspectos, denotando uma necessidade de concepção de modelos de simulação para os fenômenos descritos pela Astrofísica. Nesta dissertação será apresentado um modelo de simulação gráfica de Buracos Negros, um dos fenômenos mais misteriosos conhecidos pelo homem, através da utilização da técnica de representação Sistemas de Partículas e do método de aproximação Smoothed Particle Hydrodynamics, tornando possível a observação deste fenômeno e sua aplicação na concepção de animações. / Mestre em Ciência da Computação