Le développement des nouvelles technologies permet la visualisation interactive de mondes virtuels de plus en plus vastes et complexes. La production de paysages plausibles au sein de ces mondes devient un défi majeur, en raison de l'importance des éléments de terrain et des écosystèmes dans la qualité et le réalisme du résultat. S'y rajoute la difficulté d'éditer de tels éléments sur des échelles spatiales et temporelles aussi vastes que peuvent l'être celles des chaînes de montagnes. Cette édition se fait souvent en couplant des méthodes manuelles et de longues simulations numériques dont le calibrage est complexifié par le nombre des paramètres et leur caractère peu intuitif.Cette thèse propose d'explorer de nouvelles méthodes de simulation de paysages à grande échelle, avec pour objectif d'améliorer le contrôle et le réalisme des scènes obtenues. Notre stratégie est de fonder nos méthodes sur des lois éprouvées dans différents domaines scientifiques, ce qui permet de renforcer la plausibilité des résultats, tout en construisant des outils de résolution efficaces et des leviers de contrôles intuitifs.En observant des phénomènes liés aux zones de compression de la croûte terrestre, nous proposons une méthode de contrôle intuitif de la surrection à l'aide d'une métaphore de sculpture des plaques tectoniques. Combinée avec de nouvelles méthodes efficaces d'érosion fluviale et glaciaire, celle-ci permet de sculpter rapidement de vastes chaînes de montagnes. Pour visualiser les paysages obtenus à échelle humaine, nous démontrons le besoin de combiner la simulation de phénomènes variés et de temporalités différentes, et nous proposons une méthode de simulation stochastique pour résoudre cette difficile cohabitation, que nous appliquons à la simulation de processus géologiques tels que l'érosion, jointe à la formation d'écosystèmes. Cette méthode est déclinée sur GPU et appliquée à la formation du manteau neigeux, en combinant des aspects au long cours (précipitations, changements d'état de l'eau) et des aspects dynamiques (avalanches, impact des skieurs).Les différentes méthodes proposées permettent de simuler l'évolution de paysages à grande échelle, tout en accordant une attention particulière au contrôle. Ces aspects sont validés par des études utilisateur et des comparaisons avec des données issues de paysages réels. / The development of new technologies allows the interactive visualization of virtual worlds showing an increasing amount of details and spacial extent. The production of plausible landscapes within these worlds becomes a major challenge, not only because the important part that terrain features and ecosystems play in the quality and realism of 3D sceneries, but also from the editing complexity of large landforms at mountain range scales. Interactive authoring is often achieved by coupling editing techniques with computationally and time demanding numerical simulation, whose calibration is harder as the number of non-intuitive parameters increases.This thesis explores new methods for the simulation of large-scale landscapes. Our goal is to improve both the control and the realism of the synthetic scenes. Our strategy to increase the plausibility consist on building our methods on physically and geomorphologically-inspired laws: we develop new solving schemes, which, combined with intuitive control tools, improve user experience.By observing phenomena triggered by compression areas within the Earth's crust, we propose a method for the intuitive control of the uplift based on a metaphor on the sculpting of the tectonic plates. Combined with new efficient methods for fluvial and glacial erosion, this allows for the fast sculpting of large mountain ranges. In order to visualize the resulting landscapes withing human sight, we demonstrate the need of combining the simulation of various phenomena with different time spans, and we propose a stochastic simulation technique to solve this complex cohabitation. This methodology is applied to the simulation of geological processes such as erosion interleaved with ecosystems formation. This method is then implemented on the GPU, combining long term effects (snow fall, phase changes of water) with highly dynamics ones (avalanches, skiers impact).Our methods allow the simulation of the evolution of large scale, visually plausible landscapes, while accounting for user control. These results were validated by user studies as well as comparisons with data obtained from real landscapes.

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfaces

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

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfaces / This thesis deals with modeling, illuminating and rendering participating media in real-time using graphics hardware. In a first part, we begin by developing a method to render heterogeneous layers of fog for outdoor scenes. The medium is modeled horizontally using a 2D Haar or linear/quadratic B-Spline function basis, whose coefficients can be loaded from a fogmap, i.e. a grayscale density image. In order to give to the fog its vertical thickness, it is provided with a coefficient parameterizing the extinction of the density when the altitude to the fog increases. To prepare the rendering step, we apply a wavelet transform on the fog's density map, and extract a coarse approximation and a series of layers of details (B-Spline wavelet bases).These details are ordered according to their frequency and, when summed back together, can reconstitute the original density map. Each of these 2D function basis can be viewed as a grid of coefficients. At the rendering step on the GPU, each of these grids is traversed step by step, cell by cell, since the viewer's position to the nearest solid surface. Thanks to our separation of the different frequencies of details at the precomputations step, we can optimize the rendering by only visualizing details that contribute most to the final image and abort our grid traversal at a distance depending on the grid's frequency. We then present other works dealing with the same type of fog: the use of the wavelet transform to represent the fog's density in a non-uniform grid, the automatic generation of density maps and their animation based on Julia fractals, and finally a beginning of single-scattering illumination of the fog, where we are able to simulate shadows by the medium and the geometry. In a second time, we deal with modeling, illuminating and rendering full 3D single-scattering sampled media such as smoke (without physical simulation) on the GPU. Our method is inspired by light propagation volumes, a technique whose only purpose was, at the beginning, to propagate fully diffuse indirect lighting. We adapt it to direct lighting, and the illumination of both surfaces and participating media. The medium is provided under the form of a set of radial bases (blobs), and is then transformed into a set of voxels, together with solid surfaces, so that both entities can be manipulated more easily under a common form. By analogy to the LPV, we introduce an occlusion propagation volume, which we use to compute the integral of the optical density, between each source and each other cell containing a voxel either generated from the medium, or from a surface. This step is integrated into the rendering process, which allows to animate participating media and light sources without any further constraint

Un phénomène naturel se manifeste par des dynamiques, plus ou moins complexes, aux formes diverses et à topologie variable. Ce mouvement est induit soit par une intervention extérieure, soit par un état interne, qui induit une réorganisation de matière (une agitation ou un écoulement par exemple). CORDIS-ANIMA, système de modélisation et de simulation numérique d'objets physiques, permet par la gestion de quelques paramètres de réaliser toutes sortes de phénomènes sans connaître l'expression formelle de la physique sous-jacente à celui-ci. A l'aide de ce formalisme, nous avons réalisé des modèles de pâtes, de sable, de gel (2D et 3D), de fluides turbulents (2D) et de croissance végétales. Les calculs de simulations produisent un nuage de points matériels qui font partie intégrante de la matière simulée. Ces points n'étant pas disposés sur la surface de l'objet, il n'est dès lors pas possible de réaliser directement un rendu de la surface de cet objet. Nous avons donc mis au point des méthodes de construction volumique qui à partir des informations produites par la simulation, génèrent les indications volumiques manquantes. En étudiant les paramètres physiques des phénomènes simulés, en caractérisant les dynamiques internes révélées par les mouvements des points matériels calculés, ou encore en tentant de reproduire simplement les comportements cognitifs qui permettent à un observateur de ""deviner"" la forme d'un objet à partir d'une information de forme incomplète (i.e. un nuage de point issu de la simulation), nous avons réalisé un ensemble de techniques de construction et de rendu adaptées aux types de phénomènes simulés.

La présente recherche s'intéresse à l'apprentissage et à l'enseignement des sciences de la vie et de la terre auprès des élèves et de futurs enseignants. L'utilisation du temps géologique dans l'explication de quelques phénomènes naturels par les apprenants semble être difficile. Nous engageons donc une réflexion épistémologique et didactique pour l'étude de ce concept dans une approche interdisciplinaire en se basant sur des éléments d'histoire et de philosophie des sciences. Un diagnostic précis des difficultés d'apprentissages des apprenants, par le biais de maintes méthodes de recherche, pourrait permettre de comprendre leurs problèmes et de proposer des stratégies afin de faciliter l'acquisition, non seulement du concept de temps, mais aussi d'autres concepts en sciences. Cette recherche a donc comme objectif l'identification des obstacles épistémologiques à la problématisation du temps. Pour atteindre notre objectif, la démarche méthodologique suivie est pluriel. En premier temps, nous menons une exploration du terrain par une analyse de manuels et analyse des explications des élèves et des étudiants à propos des séismes, orogenèse et crise biologique. Ces deux phases ont été jumelées par une observation de classe et un entretien avec des étudiants. En deuxième temps, nous menons une étude interdisciplinaire par des ateliers-débats avec les échantillons concernés afin de suivre la construction du temps dans une démarche de problématisation et l'interprétation de l'origine possible des obstacles à cette finalité. La recherche a permis de dépasser le travail sur les conceptions à celui de la problématisation en identifiant un certain nombre de difficultés reliées à l'acquisition du temps géologique comme outil de mesure et de couplage de biologie-géologie. Les registres explicatifs dans lesquels travaillent les étudiants sont variés. Des registres favorisant la problématisation du temps tels que le mobilisme, l'évolutionnisme. D'autres registres dépendent des obstacles identifiés et ne favorisent pas la problématisation du concept en question. Les origines de ces obstacles sont plurielles. Un travail interdisciplinaire en se basant sur la construction de problème comme outil méthodologique didactique par le biais d'un débat mettant en jeu le rôle des questions de l'enseignant, l'histoire des sciences...etc. permettrait, non seulement de dépasser les difficultés à la problématisation d'un concept, mais aussi d'améliorer les méthodes d'enseignement. Ainsi des axes de recherches devraient être entrepris pour des approfondissements théoriques et pratiques.

Les rivières sont fréquentes dans la nature, et sont donc importantes dans une simulation de scènes naturelles 3D. Afin de reproduire l'écoulement des rivières réelles, ces rivières virtuelles doivent être animées. Mais ceci est un problème difficile. Il faut prendre en compte des détails de surface et des mouvements à plusieurs échelles, et la plupart des phénomènes impliqués ont des causes physiques sous jacentes complexes. L'animation de rivières est particulièrement difficile dans le contexte d'applications interactives émergentes telles que Google Earth ou certains jeux vidéos, qui permettent à l'utilisateur d'explorer une scène très vaste et d'y observer des rivières de très près ou de très loin, à n'importe quel moment. Le contrôle utilisateur des simulations de fluide est un autre problème difficile. Le but de cette thèse est d'obtenir des rivières animées en temps-réel sur de très grand terrains, avec une animation contrôlable et un rendu détaillé et continu en temps et en espace. Pour atteindre ce but nous décomposons le problème en 3 sous-problèmes pour les grandes, moyennes et petites échelles. Nous proposons des modèles appropriés pour chaque échelle, qui représentent correctement les détails et les mouvements du fluide à l'échelle considérée. Pour les grandes échelles nous proposons une méthode procédurale pour calculer à la volée la vitesse d'écoulement de rivières de formes quelconques, avec des affluents et des îles. Pour les moyennes échelles nous proposons une méthode de simulation spécifique pour générer les vagues quasi stationnaires causées par les obstacles. Nous proposons également une méthode pour construire un maillage adaptatif aligné avec les lignes de crête de ces vagues. Pour les petites échelles, nous proposons une méthode à base de sprites texturés pour représenter les petits détails dont le spectre est stationnaire et qui sont advectés avec la rivière. Complétés par un échantillonnage adaptatif, cetteméthode nous permet de texturer de très grandes rivières, les performances étant indépendantes de la complexité de la scène. Nous proposons également une méthode lagrangienne pour l'advection de texture, qui peut s'appliquer à d'autres domaines que l'animation de rivières. Nous montrons que la combinaison de nos trois modèles nous permet d'ajouter des rivières animées visuellement convaincantes dans de très grand terrains, dans des applications temps-réel interactives.

De nos jours, les images de synthèse sont omniprésentes dans notre quotidien. Le réalisme de ces images est grandissant, surprenant, et il n'est souvent pas aisé de distinguer la réalité de la virtualité, cette réalité faite et enrichie par toute la complexité des phénomènes naturels qui nous entourent. L'eau est un de ces phénomènes dont la variété et la richesse dynamique rend la représentation complexe. Nous nous intéressons dans cette thèse 'a sa forme la plus étendue, celle des océans, qui font partie intégrante de nos paysages. Dans un premier temps, nous étudions les méthodes permettant la simulation et le rendu de l'océan à la fois dans le domaine physique mais aussi dans le domaine de la synthèse d'images réalistes. Dans le second chapitre, nous proposons une nouvelle méthode de rendu unifiée permettant une visualisation plus rapide de l'océan au large et permettant d'approximer les échanges lumineux surfaciques et sous-surfaciques, l'écume et les phénomènes d' éblouissements. Dans le chapitre 3, nous nous intéressons au déferlement des vagues en proposant une nouvelle approche adaptative basée physique permettant de reproduire ce phénomène et de réduire les temps de calculs imposés par la résolution des équations de la mécanique des fluides en 3D. Dans le quatrième chapitre, nous étendons ce modèle en proposant une approche hiérarchique permettant une plus forte accélération du processus de résolution et d'obtenir une simulation proche de l'interactivité.

Du fait de l'importance accrue des personnages virtuels dans tous les secteurs du loisir numérique, la<br />simulation de chevelures est devenue, ces dernières années, un thème de recherche très actif en informatique graphique. Par ailleurs, la simulation physique de cheveux attire de plus en plus l'attention des cosmétologues, qui voient dans le prototypage virtuel un moyen efcace pour mettre au point des produits capillaires.<br />Cette thèse s'attaque à deux grandes difcultés antagonistes liées à la simulation de chevelures : d'une part, la simulation en temps interactif d'une chevelure complète ; d'autre part, le réalisme physique de la forme et du mouvement d'une chevelure.<br />Dans un premier temps, nous élaborons de nouveaux algorithmes visant à réduire le coût de calcul inhérent<br />aux méthodes classiques d'animation de chevelures. Nos approches exploitent pour la première fois l'animation multi-résolution et le rendu volumique de longs cheveux, donnant lieu à des simulations interactives.<br />Dans un second temps, nous proposons un modèle physiquement réaliste de chevelure, réalisé en collaboration avec des spécialistes en modélisation mécanique et en cosmétologie. Nous présentons tout d'abord le modèle mécanique précis de cheveu unique, issu de la théorie de Kirchhoff sur les tiges élastiques, dont nous avons participé à l'élaboration au cours de ce partenariat. Étendu à l'échelle de la chevelure complète, ce modèle est ensuite appliqué à la génération réaliste de coiffures naturelles tatiques, puis à la simulation dynamique de chevelures d'origines ethniques variées, avant d'être nalement validé à travers un ensemble de comparaisons avec le réel.