La Stratoconception est un procédé breveté de prototypage rapide permettant de fabriquer directement par couches une pièce créée par CAO, sans rupture de la chaîne conception / fabrication. Le procédé de Stratoconception est développé au CIRTES depuis 1990 et a fait l'objet de nombreuses communications ainsi que de dépôts de brevets et de marques.<br />La Stratoconception consiste à décomposer (trancher) une pièce, en un ensemble de couches élémentaires simples, appelées strates, dans lesquelles sont introduits des renforts et inscris. Les pièces élémentaires sont identifiées puis fabriquées directement par micro-fraisage rapide 2.5 axes, à partir de matériaux en plaques. Ces pièces élémentaires sont ensuite assemblées pour reconstituer le produit final. L'assemblage est pris en compte dès la décomposition.<br />Ce travail est une continuation des travaux de thèse CIFRE n°642/99 de Geoffroy LAUVAUX effectués au sein de l'IFTS de Reims et soutenus en 2005.<br />La notion de décomposition de modèle numérique en entités a connu, et connaît encore, de nombreux développements et travaux. A l'origine, les entités de décomposition correspondaient à des entités élémentaires d'usinage (plan, cylindre, balayage...). Aujourd'hui, les travaux portant sur la décomposition de modèles sont principalement appliqués dans les domaines de l'imagerie multimédia, de la reconnaissance de similarités de modèles et de la création de nouveaux modèles à partir de bases de données de modèles existants.<br />Lorsque l'on cherche à appliquer la notion de décomposition à la Stratoconception, il apparaît que celle-ci n'est pas unique et qu'il est possible de définir trois types de décompositions adaptées à des problématiques bien distinctes : la décomposition en strates, en morceaux et en entités. Chacune de ces décompositions résout des problèmes d'accessibilté, de réduction de dimensions de modèles et d'optimisation de vitesse de réalisation.<br />Nous avons plus particulièrement travaillé sur l'optimisation de la phase de tranchage par l'utilisation de points caractéristiques (dits critiques) et sur l'utilisation de la ligne de reflet pour la décomposition et la réalisation de formes tubulaires. Nous avons également étudié un algorithme de décomposition en entités convexes approchées en dimensions 2 et 3.

Les travaux de cette thèse, menés dans le cadre du projet RNRT A3S, intègrent la notion de composants au sein d'une méthodologie de conception de plates-formes SoC (System on Chip), basée sur le langage de modélisation UML (Unified Modeling Language). Cette méthodologie propose un environnement de conception haut-niveau, basé sur le profil UML A3S, développé pour apporter la sémantique du domaine des systèmes temps réel embarqués et en particulier celle relative aux applications Radio Logicielle. Elle repose sur une approche MDA ou l'architecture est dirigée par les modèles où chaque modèle correspond à un niveau d'abstraction, à un niveau de raffinement particulier.<br /><br />Une chaîne UMTS a permis la validation de l'outil réalisé, en confrontant les résultats estimés de l'outil, à ceux mesurés sur une plate-forme temps réel hétérogène (multi-DSP, multi-FPGA). Une partie du travail s'est concentré sur l'identification des composants utiles à la conception des systèmes SoC, et de leurs caractéristiques, en adéquation avec le niveau d'abstraction considéré. Une autre partie des travaux a porté sur la définition des modèles UML, et donc du profil, qui définissent la sémantique des différents composants identifiés en fonction de la configuration (PIM, PSM), ainsi que leurs relations. Une réflexion a été nécessaire afin d'élaborer les diverses règles de vérification et modèles d'exécution qui permettent d'informer le concepteur de ses erreurs et de la faisabilité du système modélisé. Un modèle de système d'exploitation a également été inclus, enrichissant la liste des éléments (composants) déjà définis et démontrant l'extensibilité du profil.

Ce manuscrit présente les travaux menés pour proposer un flot de conception permettant d'implanter des processeurs RISP dans un circuit reprogrammable (FPGA). Après une description des différentes solutions envisageables pour réaliser des prototypes dans le domaine du traitement d'image, ce document décrit une méthode qui consiste à générer des modèles matériels de processeurs destinés au traitement d'images, avec des opérateurs taillés sur une application donnée. Un ensemble d'expérimentations utilisant des algorithmes courants permet d'évaluer les performances du flot de conception proposé. Le prototypage rapide d'un système biométrique sans contact, basé sur la reconnaissance de paumes a été aussi réalisé sur la plateforme de test.

La conception sur-mesure de matériaux architecturés à l'échelle du milli/centimètre est une stratégie pour développer des matériaux de structure plus performants vis-à-vis de cahiers des charges multifonctionels. Ce travail de thèse s'intéresse en particulier à la conception optimale de panneaux architecturés périodiques, dans le but de combiner des exigences mécaniques de flexion et de cisaillement, ainsi que de conductivité thermique. Le comportement élastique peut être prédit grâce à l'identification sur la cellule périodique des coefficients de la matrice des souplesses équivalente. Ces calculs d'homogénéisation ont été mis en oeuvre par éléments finis pour estimer en particulier les souplesses en flexion et en cisaillement transverse. Après validation expérimentale, cette méthode de calcul constitue un outil d'évaluation des performances mécaniques pour chaque géométrie de cellule périodique (2D ou 3D). À titre d'exemple, et dans un contexte de développement de solutions matériaux architecturés pour l'automobile, la conception de tôles "texturées" est proposée en menant une étude paramétrique à l'aide de cet outil. L'implémentation d'un algorithme d'optimisation topologique couplé à la procédure d'homogénéisation permet d'enrichir les méthodes de conception sur-mesure en élargissant l'espace de recherche des "architectures". Après l'étude modèle du compromis entre flexion et cisaillement, le cas industriel d'un panneau sandwich isolant est traité. Dans ce cas, l'optimisation fournit plusieurs compromis prometteurs entre rigidité en cisaillement et isolation thermique. Ces géométries ont été réalisées et testées, et une nouvelle version améliorée du panneau sandwich a été sélectionnée.

L'avènement des technologies sub-microniques profondes de fabrication des semi-conducteurs et l'accroissement de la complexité des systèmes intégrables sur une seule puce ont pour conséquence de faire apparaître de nouveaux défis méthodologiques en conception de circuits au niveau système. La réutilisation intensives de composants pré-développés, ou synthétisés à la demande, permet de réduire les temps de développement et donc le coût de conception. Malheureusement, cette réutilisation fait aussi apparaître des chemins critiques sur les pistes métalliques de grandes longueurs qui connectent les composants entre eux. L'optimisation locale des fréquences de fonctionnement de chacun des blocs peut alors être réduite à néant par les mauvaises performances du réseau de communication inter-composants. C'est dans ce contexte que la théorie des systèmes insensibles à la latence (LIS) propose une solution très prometteuse fondée sur un réseau de communication pseudo-asynchrone et des modèles de wrappers de synchronisation qui encapsulent les composants pour les rendre insensibles aux asynchronismes des communications. On doit néanmoins constater que les différentes propositions actuelles d'architectures de wrappers ne sont pas suffisamment performantes en surface et en vitesse pour être exploitées dans toutes les conditions. Cela est particulièrement vrai lorsque les composants ont des latences de calcul importantes et de grandes quantités de données à traiter comme on en trouve communément en radiocommunications numériques.<br />Nous proposons dans ce mémoire une architecture de plate-forme de prototypage rapide, nommée PALMYRE, pour applications de radiocommunications numériques qui intègre dans sa composante système une nouvelle version de l'outil de synthèse de haut niveau GAUT. Pour cela, nous étudions tout d'abord les contraintes en terme de puissance de calcul et de communication des applications de type DVB-DSNG, puis les différentes méthodologies de prototypage actuellement pratiquées et enfin inventorions les plates-formes de prototypage les plus récentes. Nous retenons la méthodologie de conception/prototypage orientée plate-forme comme fondement et nous nous appuyons sur sa décomposition en plates-formes matérielle, logicielle et système pour guider la conception de notre plate-forme de prototypage rapide. La plate-forme matérielle que nous proposons est constituée de nœuds de calcul de type DSP C6x, de composants programmables de type Virtex et de liaisons point à point capables d'atteindre des débits de l'ordre de 3 Gbit/s. Nous concevons en C++ une interface logicielle (API) pour DSP et en VHDL RTL des interfaces matérielles pour FPGA qui permettent à une architecture mixte DSP/FPGA de communiquer efficacement. Nous caractérisons notre API et proposons une méthodologie de mesure de performances dont le but est de déterminer les conditions optimales (allocation mémoire, taille des paquets, mode de programmation synchrone/asynchrone) de fonctionnement d'un système qui exploite au mieux la plate-forme matérielle.<br /> <br />L'intégration de l'outil GAUT à la plate-forme système permet de synthétiser semi-automatiquement des composants de niveau algorithmique, ou IPs virtuels, qui s'interfacent naturellement au travers de notre API et des interfaces matérielles. Cette intégration dans un flot CAO de niveau système est rendue possible grâce a deux contributions distinctes. Tout d'abord, l'introduction de la théorie des LIS dans l'unité de communication des circuits synthétisés par GAUT autorise la synthèse de composants rapides dont la fréquence n'est pas pénalisée par le réseau de communication. Pour cela, nous proposons un nouveau modèle de wrapper que nous nommons processeur de synchronisation et nous prouvons par l'expérience ses meilleures performances en surface et en vitesse par rapport aux meilleures architectures à base de machines d'états finis. Ensuite, nous concevons une nouvelle unité de mémorisation multi-bancs dont le principal bénéfice est le support du pipelining d'algorithme que l'outil GAUT est susceptible de mettre en œuvre lorsque la contrainte de temps est telle que la simple mise en parallèle de plus de matériel ne suffit plus pour tenir une cadence applicative. Cette unité de mémorisation assure, pour les diverses tranches du pipeline, le calcul d'adresse dynamique lors des accès mémoires aux multiples instances des variables qui nécessitent une duplication. <br />Grâce aux nouvelles unités de communication et de mémorisation, l'outil GAUT est mis en œuvre avec succès dans le contexte de conception du modem DVB-DSNG du projet RNRT ALIPTA, mené conjointement par les sociétés Arexsys, Sacet, Thales Communications, Turboconcept ainsi que l'ENSTB et le LESTER. L'étude approfondie des résultats de synthèse prouve que des gains importants en surface de l'ordre de 90 % et des gains en vitesse de l'ordre de 10 à 30% sont obtenus pour les wrappers grâce à leur implantation sous la forme du processeur de synchronisation que nous proposons. Dans le cadre d'une méthodologie de réutilisation intensive d'IPs virtuels, l'optimisation de la surface, la préservation des fréquences optimales des blocs, la composition aisée de chaînes de traitements à base de blocs synchrones et la possibilité de migration vers une solution de type multi-puces (Multi Chip Module) sont les quatre principaux avantages qu'illustre l'intégration de GAUT dans le flot CAO de la plate-forme système PALMYRE.

Le prototypage est une étape essentielle du processus de design. Pendant les premières phases du processus de conception, les designers utilisent le prototypage rapide pour explorer diverses idées. Les outils et techniques actuels de prototypage se concentrent en particulier sur des représentations papier et donc destinées à être jetées. Or, alors que ces prototypes jetables peuvent être créés rapidement, ils se prêtent mal au processus d'itération. Je propose donc de créer des outils de prototypage rapide qui puissent efficacement supporter la création d'artéfacts à la fois jetables et réutilisables pour esquisser de nouvelles interactions dans les premières phases du processus de design. La première partie porte sur le prototypage vidéo. Les designers font face à deux écueils majeurs à l'utilisation de la vidéo en design d'interaction: le temps nécessaire pour filmer et celui nécessaire pour éditer. J’ai développé VideoClipper pour aider le processus de création de vidéo. Cet outil intègre une méthode de design itérative qui encourage la planification et permet une vraie flexibilité pendant la création de prototypes. Je présente les résultats d'une étude utilisateur informelle de trois semaines avec des étudiants en design d'interaction. Les résultats suggèrent que les participants passent moins de temps à capturer et éditer avec VideoClipper qu'avec les autres outils vidéos. En revanche, ils trouvent parfois difficile de créer des stop-motions pour représenter des interactions continues et de re-filmer de nouveaux segments lorsque le design évolue. J'ai ensuite crée Montage, un outil de prototypage vidéo qui permet aux designers de progressivement augmenter leurs prototypes papier avec des maquettes numériques pour faciliter la création, la réutilisation et l'exploration d'interactions dynamiques. Montage utilise l'incrustation vidéo pour découpler l'interface du prototype de son contexte d'utilisation, permettant aux designers de les réutiliser ou de les modifier indépendamment. Je décris comment Montage améliore le prototypage vidéo en combinant la vidéo avec des maquettes numériques animées et encourage l'exploration d'autres contextes d'utilisation tout en permettant le prototypage de styles d'interaction différents. La deuxième partie porte sur l’implémentation de prototypes interactifs. Les designers et développeurs professionnels ont souvent du mal à effectuer la transition de la représentation du design à son implémentation concrète. Avec N. Maudet, j'ai mené trois études sur la conception et l'implémentation d'interactions non-conventionnelles pour comprendre l'écart entre les processus, les outils et les représentations des designers et des développeurs. Nous avons découvert que les pratiques actuelles entraînent des redondances entre le travail des designers et celui des développeurs et des divergences entre le design et son implémentation. Nous identifions trois types de problèmes: l'omission de détails critiques, l'ignorance des cas extrêmes et la non prise en compte des limitations techniques. Je propose quatre principes de design pour créer des outils qui limitent ces problèmes. Ces principes sont utilisés pour créer Enact, un environnement interactif de prototypage d'interactions tactiles. Les résultats de deux études suggèrent que Enact aide les participants à détecter plus de cas extrêmes, augmente la participation des designers et offre de nouvelles possibilités de co-création. Ces trois outils de prototypage reposent sur les mêmes principes théoriques sous-jacent: réification, polymorphisme, réutilisation et substrats d'information. De même, les outils présentés mettent en œuvre une approche du prototypage que je nomme “Takeaway Prototyping” ou prototypage recyclable. Par contraste avec les prototypes jetables, les outils pour le prototypage recyclable permettent le design par énaction et réifient des artefacts de conception pour matérialiser la progression du design. / Prototyping is essential in any design process. During the early stages, designers rely on rapid prototyping to explore ideas. Current rapid prototyping tools and techniques focus on paper representations and their disposability. However, while these throwaway prototypes are quick to create they are difficult to iterate over. I argue that rapid prototyping tools can effectively support reusable as well as throwaway artifacts for sketching interaction in early-stage design. First, I investigate tools in the context of video prototyping. Designers experience two main barriers to use video in interaction design: the time to capture and edit the video artifacts. To aid during the capturing-phase of video prototyping I created VideoClipper. This tool embodies an integrated iterative design method that rewards discipline but permits flexibility for video prototyping. The tool provides a storyboard-style overview to organize multiple videos in story Lines. VideoClipper offers editable and reusable TitleCards, video capture for steady-state and rough stop-motion filming and the ability to recombine videos in new ways for redesign. I present informal user studies with interaction design students using VideoClipper in three design courses. Results suggest that participants spend less time capturing and editing in VideoClipper than with other video tools. However, many designers find tedious to create stop-motion videos for continuous interactions and to re-shoot clips as the design evolves. Participants continuously try to reduce re-shooting by reusing backgrounds or mixing different levels of fidelity. Inspired by this behavior, I created Montage, a prototyping tool for video prototyping that lets designers progressively augment paper prototypes with digital sketches, facilitating the creation, reuse and exploration of dynamic interactions. Montage uses chroma keying to decouple the prototyped interface from its context of use, letting designers reuse or change them independently. I describe how Montage enhances video prototyping by combining video with digital animated sketches, encourages the exploration of different contexts of use, and supports prototyping of different interaction styles. Second, I investigate how early designs start being implemented into interactive prototypes. Professional designers and developers often struggle when transitioning from the illustration of the design to the actual implementation of the system. In collaboration with Nolwenn Maudet, I conducted three studies that focused on the design and implementation of custom interactions to understand the mismatches between designers' and developers' processes, tools and representations. We find that current practices induce unnecessary rework and cause discrepancies between design and implementation and we identify three recurring types of breakdowns: omitting critical details, ignoring edge cases, and disregarding technical limitations. I propose four design principles to create tools that mitigate these problems: Provide multiple viewpoints, maintain a single source of truth, reveal the invisible and support design by enaction. We apply these principles to create Enact, an interactive live environment for prototyping touch-based interactions. We introduce two studies to assess Enact and to compare designer-developer collaboration with Enact versus current tools. Results suggest that Enact helps participants detect more edge cases, increases designers' participation and provides new opportunities for co-creation. These three prototyping tools rely on the same underlying theoretical principles: reification, polymorphism, reuse, and information substrates. Also, the presented tools outline a new prototyping approach that I call "Takeaway Prototyping". In contrast to throwaway prototypes, instead of emphasizing disposability, tools for "Takeaway Prototyping" support design by enaction and reify design artifacts to materialize the lessons learned.

""Aujourd'hui, la création de systèmes décisionnels en robotique mobile et autonome requiert l'intégration de nombreuses capacités motrices, sensorielles et cognitives au sein de chacun des projets réalisés. Ces capacités sont généralement issues de différents domaines de recherche, comme par exemple la navigation autonome, la planification, les interactions humain-machine, la localisation, la vision artificielle et le contrôle d'actionneurs, pour ne nommer que ceux-ci. D'un point de vue logiciel, deux défis de taille sont issus de ce besoin d'intégration : 1) la complexification de l'analyse des requis pour choisir, construire et interconnecter les différents composants logiciels qui permettent la réalisation de ces capacités, et 2) l'interconnectivité limitée des composants logiciels disponibles dans la communauté robotique causée par le fait qu'ils sont typiquement hétérogènes, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas complètement compatibles ou interopérables. Cette thèse propose une solution principalement au défi d'interconnectivité limité en se basant sur la création d'une architecture d'intégration logicielle appelée MARIE, qui permet d'intégrer des composants logiciels hétérogènes utilisant une approche de prototypage rapide pour le développement de systèmes décisionnels en robotique mobile et autonome. Grâce à cette approche, la réalisation de systèmes décisionnels complets pourrait se faire plus tôt dans le cycle de développement, et ainsi favoriser l'analyse des requis nécessaires à l'intégration de chacun des composants logiciels du système. Les résultats montrent que grâce au développement de l'architecture d'intégration logicielle MARIE, plus de 15 composants logiciels provenant de sources indépendantes ont été intégrées au sein de plusieurs applications robotiques (réelles et simulées), afin de réaliser leurs systèmes décisionnels respectifs. L'adaptation des composants déjà existants dans la communauté robotique a permis notamment d'éviter la tâche souvent ardue de réécrire le code nécessaire pour chacun des composants dans un seul et même environnement de développement. Les résultats montrent également que grâce à une méthodologie d'évaluation logicielle appelée ARID, nous avons pu recueillir de l'information utile et pertinente à propos des risques associés à l'utilisation de MARIE pour réaliser une application choisie, sans devoir construire une application de test et sans avoir recours à de la documentation complète de l'architecture logicielle ni celle de l'application à créer. Cette méthode s'inscrit ainsi dans la liste des outils qui permettent de faciliter l'analyse des requis d'intégration reliés à la création de systèmes décisionnels en robotique mobile et autonome.""

L'évolution constante des applications et le besoin toujours croissant de performances imposent le développement de nouvelles architectures compétitives et évolutives au sein de systèmes reconfigurables dynamiquement sur puces. Ces contraintes ont amené à une complexification des architectures, de leurs mécanismes de reconfiguration et de leur conception. De manière à répondre efficacement à ce problème, des plate-formes de développement ont été conçues et permettent ainsi d'automatiser certains processus constituant la chaîne de conception d'une architecture. Cela est rendu possible par l'intermédiaire d'un langage de description haut niveau (ADL) qui permet, par une spécification rapide de certains paramètres matériels, de procéder rapidement à la génération d'une architecture et de ses outils de développement adaptés tels que des outils de simulation, de compilation ou encore de synthèse. Cette thèse se place dans le contexte de la modélisation haut niveau des architectures ainsi que dans le contexte de l'aide à la conception et à l'exploration d'architectures reconfigurables dynamiquement. Ce document présente la plate-forme de développement Mozaïc dont l'objectif est de permettre la conception d'architectures reconfigurables dynamiquement par l'introduction automatique de ressources matérielles dédiées et adaptées. Dans une première partie, nous détaillons les concepts de reconfiguration dynamique qui ont été développés et mis en oeuvre dans Mozaïc. Dans une deuxième partie, nous présentons le langage de description haut niveau xMAML qui permet la spécification de l'architecture et de l'exploitation efficace des mécanismes précédemment présentés. Ce langage est basé sur l'ADL MAML développé à l'université d'Erlangen, auquel nous avons ajouté certains paramètres de spécifications nécessaires à la mise en oeuvre de la reconfiguration dynamique ainsi qu'à la spécification d'architectures hétérogènes. Enfin, dans un dernier chapitre, nous présentons les différentes phases de développement, et les outils associés, de deux architectures reconfigurables dynamiquement que sont les FPGAs et le processeur reconfigurable DART. Cette présentation inclut les phases d'exploration et l'implémentation d'un décodeur WCDMA par reconfiguration dynamique sur le FPGA modélisé par xMAML.

Le travail présenté s'inscrit dans le cadre de la recherche sur des outils d'aide à la programmation parallèle de machines MIMD-DM. Notre champ applicatif est celui de la programmation d'applications de vision artificielle. <br> Ces recherches ont abouti au développement de l'outil SKiPPER (SKeleton-based Parallel Programming EnviRonment) qui est un outil d'aide à la programmation parallèle pour le prototypage rapide d'applications de vision artificielle. Il a été conçu pour obtenir une application opérationnelle dans un délai très court et avec le minimum d'étapes intermédiaires dans le processus de réalisation. La méthodologie retenue pour Sa mise en oeuvre est fondée sur l'emploi de squelettes algorithmiques. Ces structures de programmation paramétrables encapsulent des formes communément utilisées de parallélisme pour les rendre facilement exploitables. <br> Dans le cadre de ce projet nous nous intéressons aux aspects compositionnels de ces squelettes afin d'augmenter le potentiel d'applications de vision artificielle qui peuvent être spécifiées avec notre outil. Le séquencement de squelettes étant un cas trivial de composition déjà pris en charge dans les premiers développements de SKiPPER, nous nous intéressons ici au cas plus difficile de l'imbrication de plusieurs squelettes, homogène et hétérogène, c'est-à-dire entre squelettes identiques ou non. <br> Nous proposons une approche dynamique de la composition des squelettes de parallélisation en établissant une formulation générique de tous les squelettes de la bibliothèque de l'environnement et un modèle d'exécution capable de gérer dynamiquement à l'exécution les problèmes qui lui sont lies. <br> Afin de valider l'approche, un certain nombre de programmes tests sont évalues ainsi qu'une application réelle de traitement d'images faisant apparaître la nécessite de disposer dans certains cas de figure de la souplesse et du potentiel offert par la composition de squelettes dans l'expression du parallélisme potentiel.

Le standard 3GPP LTE (Long Term Evolution) est un nouveau standard de télécommunication terrestre dont la couche physique des stations de base, appelées eNodeB, est particulièrement coûteuse. Les processeurs de traitement du signal (DSP) sont largement employés dans les stations de base pour calculer les algorithmes de la couche physique. Les DSPs de dernière génération sont des systèmes complexes et hétérogènes. Il n'existe pas actuellement de solution idéale pour distribuer les parties d'une application comme le LTE sur les différents cœurs contenus dans un eNodeB. Dans cette thèse, nous présentons une méthode de travail pour le prototypage rapide et la génération de code automatique. Certains algorithmes de la couche physique du LTE étant trop variables pour une distribution hors-ligne, nous présentons un distributeur adaptatif capable de faire des choix en temps réel sur la base de temps d'exécution prédits.