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.

The master thesis deals with a block subdivision into parcels using procedural modeling. The main goal focuses on improving of the existing method called OBB-based Subdivision that uses auxiliary envelopes of rectangle shape for splitting. It is required to adapt the method to Czech conditions as well. The first part focuses on the analysis of scientific publications, which describes the development and current situation of procedural modeling issues. Then the methodology of suggested algorithm is described that tests a change of the envelope to the trapezium shape, respectively to the quadrangle shape. In conclusion, the proposed algorithms are tested on the real data in CityEngine, which offered the possibility of using procedural approach to automatically generate 3D parcels. The whole process is controlled by the limitations of development plans of the selected urban areas. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

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.

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.

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.

<p>As buildings have almost come to a saturation point in most developed countries, the management and maintenance of existing buildings have become the major problem of the field. Building Information Modeling (BIM) is the underlying technology to solve this problem. It is a 3D semantic representation of building construction and facilities that contributes to not only the design phase but also the construction and maintenance phases, such as life-cycle management and building energy performance measurement. This study aims at the processes of creating as-built BIM models, which are constructed after the design phase. Point cloud, a set of points in 3D space, is an intermediate product of as-built BIM models that is often acquired by 3D laser scanning and photogrammetry. A raw point cloud typically requires further procedures, e.g. registration, segmentation, classification, etc. In terms of segmentation and classification, machine learning methodologies are trending due to the enhanced speed of computation. However, supervised machine learning methodologies require labelling the training point clouds in advance, which is time-consuming and often leads to inevitable errors. And due to the complexity and uncertainty of real-world environments, the attributes of one point vary from the attributes of others. These situations make it difficult to analyze how one single attribute contributes to the result of segmentation and classification. This study developed a method of producing point clouds from a fast-generating 3D virtual indoor environment using procedural modeling. This research focused on two attributes of simulated point clouds, point density and the level of random errors. According to Silverman (1986), point density is associated with the point features around each output raster cell. The number of points within a neighborhood divided the area of the neighborhood is the point density. However, in this study, there was a little different. The point density was defined as the number of points on a surface divided by the surface area. And the unit is points per square meters (pts/m²). This research compared the performances of a machine learning segmentation and classification algorithm on ten different point cloud datasets. The mean loss and accuracy of segmentation and classification were analyzed and evaluated to show how the point density and level of random errors affect the performance of the segmentation and classification models. Moreover, the real-world point cloud data were used as additional data to evaluate the applicability of produced models.</p>

This master thesis describes deterministic context-free L-systems and its context in procedural modeling, especially in fractal geometry, deals with rewriting technique and its usage for modeling structures similar to plants. Further it describes more complex types of L-systems, especially their context and parametric variations, and shows usage of L-systems in computer graphics and describes its usage for procedural modeling of architecture. At the end of this thesis there are described some other possibilities of usage procedural modeling with L-systems and introduced some extensions of rewriting rules, which will be subject of future research.

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.