Ce travail porte sur la simulation de champs sonores de haute qualité pour des applications graphiques interactives. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à trois problèmes : le calcul interactif des effets de l'occultation des ondes sonores par des obstacles, l'intégration du son dans un système d'animation et de réalité virtuelle et la simulation adaptative des réflections du son dans des environnements réverbérants. Nous présentons une méthode originale permettant d'approcher les effets des obstacles sur la propagation des ondes sonores. Cette méthode qualitative est fondée sur le calcul de l'obstruction des premiers ellipsoïdes de Fresnel. Pour cela nous utilisons le rendu câblé des cartes graphiques spécialisées pour effectuer un calcul interactif entre une source et un récepteur ponctuels dans des environnements généraux. Une extension plus quantitative, basée sur la théorie de Fresnel-Kirchhoff est également décrite. Nous décrivons également un système interactif de simulation acoustique. Il permet le rendu synchronisé du son et de l'image dans le cadre d'applications d'animation de synthèse et de réalité virtuelle. Nous y avons intégré notre approche de traitement des occultations sonores. Nous présentons comment d'autres effets, comme les réflections spéculaires du son ou l'effet Doppler sont également pris en compte. Enfin, nous introduisons une technique originale de simulation adaptative fondée sur un formalisme proche de la radiosité hiérarchique utilisée en synthèse d'images. Elle permet de prendre en compte efficacement des réflections globales spéculaires et diffuses dans le cadre d'échanges énergétiques dépendants du temps. La solution obtenue est indépendante du point d'écoute et ouvre la porte à des applications de parcours interactifs de l'environnement virtuel. En outre, la complexité du processus peut être contrôlée, permettant des applications plus quantitatives, comme la prévision des qualités acoustiques de lieux d'écoute. Ces trois contributions peuvent permettre de réaliser un système de simulation complet d'une scène sonore virtuelle pouvant être utilisé dans une variété d'applications. Celles-ci ne se limitent toutefois pas à l'acoustique, mais peuvent être étendues à la simulation de propagation d'ondes radioélectriques pour la téléphonie mobile ou les réseaux sans fils.

Les applications de Réalité Virtuelle requièrent une puissance de calcul importante qui peut être apportée par les grappes de PC, des ensembles d'ordinateurs connectés par des réseaux performants. Afin d'exploiter la puissance de ces architectures, une approche consiste à décomposer les applications en plusieurs composants qui sont ensuite déployés sur les différentes machines. Les performances de telles applications dépendent alors du matériel ainsi que des synchronisations entre les différents composants. Evaluer les performances d'une application de RV suivant un déploiement donné consiste à observer si son exécution permet l'interactivité. Cependant, cette phase de test rend la recherche d'un déploiement répondant à ce critère longue et fastidieuse et monopolise l'architecture. Nous proposons donc de définir un modèle permettant l'évaluation des performances à partir de la modélisation de l'architecture, de l'application et de son déploiement. Nous proposons ensuite d'utiliser la programmation par contraintes pour résoudre les contraintes extraites de notre modèle et permettre ainsi d'automatiser la génération de déploiements capables de fournir le niveau d'interactivité souhaité. Cette approche permet ainsi de répondre aux nombreuses questions que peut se poser un développeur : Existe t'il un ou plusieurs déploiements de mon application permettant l'interactivité sur mon architecture ? Si oui, quels sont ils ? L'ajout de machines supplémentaires permet il un gain de performances ?

Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles ou leurs formes équivalentes. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.

Les techniques de la réalité virtuelle constituent de nouveaux outils pour les métiers de la conception de produits manufacturés et offrent des gains en terme d'innovation, de temps et d'argent. L'enjeu industriel est l'intégration de ces techniques dans le cycle de conception du produit. Ces techniques doivent ainsi s'interfacer avec les différents corps de métiers et pouvoir être en phase avec le rythme des mises à jour des modèles numériques. La problématique technologique posée est relative à la gestion des données géométriques produites par les bureaux d'études en conception assistée par ordinateur. Ces données sont exhaustives, très nombreuses et ne sont pas manipulables dans un dispositif de réalité virtuelle en raison des contraintes de temps de calcul. Une maquette numérique, possédant une quantité d'informations maîtrisée et dédiée à la réalité virtuelle, est alors nécessaire. Ces travaux ont pour objectif d'apporter des méthodes et outils permettant l'utilisation des techniques de l'immersion virtuelle par les métiers du design automobile. Une chaîne de conversion, simplification et optimisation des données en fonction des critères des métiers du design automobile est proposée pour la création d'une maquette numérique dédiée à l'immersion virtuelle. La gestion en temps réel des données de cette maquette numérique est effectuée en fonction de critères de visualisation de la scène dans un contexte d'immersion virtuelle.

Les travaux décrits dans cette thèse concernent l'applicabilité d'une combinaison de modalités pour l'interaction avec les objets 3D d'un environnement virtuel afin de leur appliquer des repositionnements géométriques. L'approche « top-down » adoptée s'inspire des modalités observables au sein des expressions de commande d'utilisateurs au cours d'activités «d'inspection de prototype » du domaine de la conception vestimentaire. A partir d'un ensemble sélectionné de tâches, l'examen de combinaisons tâches vs modalités d'entrée permet d'établir des scénarios d'expressions de commande homogènes. La définition de profils de dispositifs conduit ensuite à la construction d'un système interactif sur lequel tester ces affectations de modalités avec des utilisateurs lors d'une expérience de type « Magicien d'Oz ». L'étude de la variabilité d'expression permet alors de poser les bases d'une grammaire d'interaction. Les résultats obtenus semblent confirmer la pertinence de ce style d'interaction.

La recherche proposée s'intéresse au développement d'un modèle d'interaction sociale capable de prendre en compte, en univers virtuel collaboratif, une partie de la dimension émotionnelle et sociale des interactions humaines.<br />Dans notre approche, chaque utilisateur contrôle son propre avatar (représentation de l'utilisateur dans l'environnement virtuel) et peut prendre des décisions selon ses propres perceptions, son expertise et historique. La problématique de recherche devient donc d'offrir une solution pour maintenir un contexte d'interaction 'riche' lors de la collaboration.<br />Nous proposons des solutions qui permettent d'enrichir l'interaction sociale en univers virtuel. D'une part, l'interface proposée permet aux interactants d'exploiter leurs références indexicales (par exemple pointer de la main des objets de l'univers, orienter le regard vers une direction, etc.). D'autre part, notre modèle d'interaction sociale permet de produire automatiquement des comportements chez les avatars qui soient pertinents par rapport au contexte de l'interaction (par exemple distribuer le regard vers ses interlocuteurs, regarder les autres avatars en marchant, effectuer des expressions gestuelles en parlant, etc.).<br />Nous proposons également un modèle émotionnel pour simuler les états internes des personnages virtuels en interaction. <br />Ces modèles s'intègrent dans une architecture multi-agents capable de fusionner de façon 'réaliste' les actions intentionnelles décidées par l'acteur humain et les comportements non-intentionnels (produits par le modèle d'interaction sociale) comme les gestes, postures, expressions émotionnelles qui dépendent du contexte dans lequel évoluent les avatars.

Nous présentons une approche de rendu à base d'images (IBR) qui permet, à partir de photos, de naviguer librement et générer des points de vue quelconques dans des scènes urbaines. Les approches précédentes dépendent des modèles 3D et donnent lieu à des rendus de qualité réduite avec beaucoup d'artefacts. Dans cette thèse, nous proposons une approximation basée sur l'image pour compenser le manque de précision de la géométrie 3D. Nous utilisons un warp d'image guidé par des cartes de profondeur quasi-denses qui donnent lieu à beaucoup moins d'artefacts. En se basant sur cette approche, nous avons développé une méthode entièrement automatique permettant de traiter les scènes complexes. Nous sur-segmentons les images d'entrées en superpixels qui limitent les occlusions sur les bords des objets. Nous introduisons la synthèse de profondeur pour créer une approximation de cette profondeur mal reconstruite dans certaines régions et calculons les warps sur les superpixels pour synthétiser le résultat final. Nous comparons nos résultats à de nombreuses approches récentes. Nous avons analysé les artefacts de l'IBR d'un point de vue perceptif en comparant les artefacts générés par le mélange de plusieurs images avec ceux des transitions temporelles brusques et avons élaboré une méthodologie pour la sélection d'un compromis idéal entre les deux. Nous avons également analysé les distorsions perspectives et avons développé un modèle quantitatif qui permet de prédire les distorsions en fonction des paramètres de capture et de visualisation. Comme application, nous avons mis en œuvre un système de réalité virtuelle qui utilise l'IBR à la place de l'infographie traditionnelle.

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'une plateforme multi-agent, en réalité virtuelle, de pilotage de véhicules intelligents pour la simulation du comportement microscopique du trafic. D'abord, un système de simulation intelligent des véhicules en réalité virtuelle (VR-ISSV), basé sur les multi-agents, est proposé : c'est un système modulaire hiérarchique de modélisation et de simulation, comprenant une couche matérielle, réseau et système d'exploitation ; une couche de gestion de la visualisation ; une couche de multi-agents et une couche d'interface homme-machine. Ensuite, pour le modèle d'agent du véhicule intelligent, un paradigme de conception décentralisée est utilisé basé sur l'approche multi-contrôleurs, où le comportement du suivi des véhicules et le comportement du dépassement des véhicules sont réalisées par coordination entre multi-contrôleurs. L'agent d'environnement est construit en tenant compte de l'interaction entre les véhicules et l'environnement naturel synthétique. Un système d'information géographique (GIS) est par ailleurs utilisé afin de définir l'agent d'environnement. Enfin, pour assurer la sécurité dans les manœuvres microscopiques du trafic, plusieurs contrôleurs du véhicule intelligent, adaptés à l'environnement complexe, sont considérés. Les contrôleurs, basés sur la logique floue, sont proposés pour envoyer les commandes appropriées aux actionneurs du véhicule - volant de direction, accélérateur, frein... Les modèles de comportement microscopique du trafic basé sur l'agent de véhicule intelligent sont étudiés considérant différents scénarios et l'environnement

Le lancé de rayons est une technique très utilisée pour la production d'animations de synthèse. Les temps de calculs nécessaires sont cependant très importants.Nous proposons en conséquence une méthode permettant l'accélération de ceux-ci. Nous construirons tout d'abord les outils permettant de mesurer l'influence des translations et rotations de chaque objet sur son mouvement apparent dans l'espace de l'image, ceci entre deux instants de l'animation. A l'aide de cette information, nous proposerons une méthode permettant le calcul d'une animation visuellement équivalente à celle qui serait produite avec un calcul image par image, en un temps beaucoup plus court. Contrairement à d'autre méthodes, aucune limitation n'existe sur les mouvements ni de l'observateur ni des objets de la scène. De plus, la connaissance a priori de l'animation n'est pas nécessaire, ce qui permet d'appliquer la méthode au temps réel.

Les cônes généralisés (CG), introduits pour la première fois au début des années 1970, sont largement utilisés en C.A.O, en C.F.A.O et dans les domaines de l'imagerie médicale, de la robotique et de la reconnaissance de formes. Un CG est représenté, grosso-modo, par l'espace balayé par le déplacement d'une section le long d'une trajectoire. Dans ce mémoire, des méthodes de construction permettant d'obtenir des objets 3D à l'aide de ces CG sont décrites. Plus particulièrement, l'introduction de paramètres défmis par l'utilisateur (profils, orientations et déformations de la section) et représentés sous forme de fonctions, permet d'élargir la famille des objets créés par extrusion. Un cadre formel a été défini pour les fonctions défmissant les CG, afin d'assurer le plus possible la validité des résultats. Toujours dans le souci d'assurer la validité des objets créés, il a été développé des algorithmes simples et pratiques contrôlant, pendant la construction, les problèmes de recouvrement. A 1' écart des formulations mathématiques traditionnelles des CG, il est présenté une technique permettant de défmir les CG à l'aide des quaternions. Cela donne la possibilité d'inclure les paramètres de déformation de la section dans un même cadre mathématique. Dans la deuxième partie de ce mémoire, sont présentées des méthodes permettant de construire des cônes généralisés ramifiés. La notion de trajectoire arborescente est introduite, ainsi que des méthodes systématiques défmissant les parties tubulaires sur lesquelles s'appuiera l'embranchement G1 continu. La réalisation de cet embranchement nécessite l'utilisation de la théorie des raccords de surfaces dès lors que l'on représente les CG avec des surfaces de formes libres. Ainsi, les principales techniques de raccords G1 continus entre facettes rectangulaires et triangulaires de Béziers sont rappelées et étendues aux facettes B-splines. Une étude complète sur les contraintes portant sur les fonctions de raccordement est aussi présentée. Afin de valider les techniques précédentes dans un cadre précis, une discussion sur les problèmes de C et G continuité est proposée. Son but est de définir un mode de dérivation qui permet d'inclure l'ensemble des fonctions G-continues dans l'ensemble des fonctions C-continues.