Cette thèse s'attaque dans une première partie au problème du pilotage automatique des voiliers de compétition en s'appuyant sur la réalité virtuelle qui, via la simulation, permet de s'affranchir de tests en situation réelle généralement coûteux, contraignants et risqués. Une architecture multi-agents est proposée ainsi que sa modélisation en termes de réseaux de Petri. Une deuxième partie est consacrée à la présentation et à l'étude de plusieurs extensions algébriques de ces réseaux dans le but initial de prendre en charge certaines caractéristiques des systèmes à évènements discrets non couvertes par les réseaux places/transitions usuels. Un état de l'art présente différentes approches du problème du pilotage des voiliers et souligne son caractère complexe. Partant du constat que malgré tout, l'homme parvient généralement à faire face à la plupart des situations rencontrées en mer, nous proposons d'asseoir notre système sur une expertise très fine de la pratique du barreur de compétition. Cette dernière permet d'identifier et de caractériser les éléments importants liés à la technique de barre. Nous proposons ensuite une architecture multi-agents dont la partie commande est basée sur trois agents autonomes, asynchrones et concurrents ainsi que sa modélisation par réseaux de Petri synchronisés. Le système est implémenté sous ARéVi, moteur de simulation d'objets actifs et de rendu 3D développé au CERV. L'expérimentation montre que le barreur virtuel ainsi créé assure un niveau de sécurité intéressant pour un coureur au large en réagissant aux sollicitations de son voilier d'une manière proche de celle d'un homme. Le gain en performance semble plus limité du fait, en particulier, des faiblesses du modèle de bateau implémenté mais pourrait s'avérer intéressant sur un voilier réel. Dans la deuxième partie de cette thèse nous proposons différentes extensions algébriques des réseaux de Petri. Nous choisissons tout d'abord d'utiliser un groupe à la place de l'algèbre des places usuelle des réseaux de Petri et d'en priver l'accès à l'élément neutre pour interdire certaines transitions. Ces réseaux, appelés strict-group-nets, étendent en particulier les réseaux de Petri purs si on choisit pour groupe l'ensemble des entiers relatifs. L'adjonction d'arcs dits inconditionnels conduit aux group-nets et permet d'englober également les réseaux impurs. Nous montrons que les problèmes de savoir si les Z-nets et les strict-Z-nets sont bornés et si une place de ces réseaux est bornée sont décidables via la définition d'un arbre proche de celle d'un arbre de couverture. La notion de ressource disparaissant dans ces nouveaux réseaux, plutôt que de choisir une algèbre a priori nous cherchons à caractériser les algèbres permettant de singer le comportement des réseaux de Petri usuels. Cette démarche conduit aux réseaux lexicographiques pour lesquels la notion de ressource reste étrange car on peut consommer indéfiniment strictement. Nous montrons que les réseaux lexicographiques ont la puissance des machines de Turing et que les réseaux lexicographiques bornés sont les réseaux de Petri bornés. Nous démontrons enfin que le problème de la synthèse trouve une réponse polynomiale pour les Z/2Z-nets ainsi que pour les réseaux lexicographiques en termes de meilleure approximation d'un langage régulier donné.

Afin de créer des productions toujours plus réalistes, les industries du jeu vidéo et du cinéma cherchent à générer des environnements de plus en plus larges et complexes. Cependant, la modélisation manuelle des objets 3D dans de tels décors se révèle très coûteuse. A l'inverse, les méthodes de génération procédurale permettent de créer facilement une grande variété d'objets, tels que les plantes et les bâtiments. La modélisation par règles de grammaire offre un outil de haut niveau pour décrire ces objets, mais utiliser correctement ces règles s'avère très souvent compliqué. De plus, aucune solution de modélisation basée grammaire ne supporte l'édition et la visualisation d'environnements massifs en temps interactif. Dans un tel scénario, les artistes doivent modifier les objets en dehors de la scène avant de voir le résultat intégré. Dans ces travaux de recherche, nous nous intéressons à la génération procédurale et au rendu d'environnements à grande échelle. Nous voulons aussi faciliter la tâche des artistes avec des outils intuitifs de contrôle de grammaires. Tout d'abord nous proposons un système permettant la génération procédurale en parallèle sur le GPU en temps interactif. Pour cela, nous adoptons une approche d'expansion indépendante par segment, permettant une amplification des données en parallèle. Nous étendons ce système pour générer des modèles basés sur une structure interne, tels que les toits. Nous présentons aussi une solution utilisant des contextes externes pour contrôler facilement les grammaires par le biais de surface ou de texture. Pour finir nous intégrons un système de niveaux de détails et des techniques d'optimisation permettant la génération, l'édition et la visualisation interactives d'environnements à grande échelle. Grâce à notre système il est possible de générer et d'afficher interactivement des scènes comprenant des milliers de bâtiments et d'arbres, représentant environ 2 teraoctets de données.

Ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches résume les différents travaux menés entre 2000 et 2013 au sein du laboratoire SIC, à l'Université de Poitiers. Le coeur de ces activités est la caractérisation, le calcul, la représentation et l'utilisation de la visibilité entre des ensembles convexes de points de l'espace géométrique en dimension $n\ge2$. Nous avons notamment utilisé l'algèbre de Grassmann pour construire un espace de droites, dans lequel le problème de la visibilité peut être discuté. Nous avons proposé deux méthodes de calculs, l'un explicite et complet, et l'autre reposant sur une évaluation paresseuse. Différentes applications en synthèse d'images reposent sur ces travaux. D'autres travaux autour de la visibilité, en synthèse d'images mais aussi dans le domaine de la propagation des ondes, sont présentés dans ce mémoire. L'ensemble a été réalisé à travers l'encadrement de 5 doctorants.

L'objectif de ce travail est l'étude de la K-théorie réelle connexe des 2-groupes abéliens élémentaires, c'est-à-dire, pour V un 2-groupe abélien élémentaire, l'objet kR^{\star}(BV ). Cet objet contient, entre autres, la K-théorie orthogonale connexe ko et la K-théorie unitaire connexe ku des 2-groupes abéliens élémentaires, et est naturellement muni d'une structure de Z[v1]-module, où v1 désigne la classe de Bott réelle, un relèvement équivariant en K-théorie réelle de la classe de Bott en K-théorie unitaire. En utilisant des outils provenant de la théorie d'homotopie stable Z/2-équivariante, et en particulier la tour des tranches, une tour naturelle dans la catégorie stable équivariante introduite dans les travaux récents de Hill, Hopkins et Ravenel, on montre que les éléments de torsion pour la classe de Bott réelle dans la K-théorie réelle des 2-groupes abéliens élémentaires sont annulés par la multiplication par v2 1. On effectue une étude détaillée de l'algèbre de Steenrod Z/2-équivariante A, constituée des opérations en HF2-cohomologie, et de sa relation avec l'algèbre de Steenrod classique modulo 2. On exhibe en particulier, pour tout entier n, des sous-algèbres extérieures de l'algèbre de Steenrod équivariante E(\beta_0,...,\beta_n), générées par certaines opérations \beta_ i, i entier, qui est une version Z/2-équivariante de la sous algèbre de l'algèbre de Steenrod modulo 2 engendrée par les n+1 premières opérations de Milnor. On s'intéresse ensuite l'algèbre homologique relative, dans la catégorie des E(\beta_0,\beta_1)-modules, relativement au sous-anneau E(\beta_0), et on introduit des outils de calcul très généraux permettant en particulier de déterminer tous les groupes d'extension relatifs Ext(F2,HF2^{\star}(BV )). On introduit ensuite la propriété de h-détection pour une tour d'objets dans une catégorie triangulée, et on relie les propriétés de h-détection à l'estimation de la v1-torsion de la K-théorie réelle connexe. On étudie ensuite l'obstruction pour qu'une tour vérifie la propriété de h-détection, pour h = 1 ou 2. On montre ensuite que l'obstruction pour que la tour des tranches de la K-théorie réelle vérifie la propriété de 2-détection est contrôlée par Ext(F2,HF2^{\star}(BV )), qu'on a calculé précédemment. Le résultat précédent concernant la v1-torsion de la K-théorie réelle des 2-groupes abéliens élémentaires suit. Une des applications de ce résultat est une détermination explicite de kR^{\star}(BV ).

La recherche en informatique graphique cherche à produire des algorithmes efficaces de génération et de manipulation de données, de simulation physique, et de visualisation temps-réel pour produire des images de synthèse. La croissance constante de la puissance des machines est talonnée par l'explosion de la demande en terme de complexité, de réalisme et d'interactivité, motivant la mise au point de méthodes toujours plus performantes pour générer des images de synthèse. Je présente dans ce contexte plusieurs contributions dans différents sous-domaines de l'informatique graphique: (1) l'analyse et le traitement de la géométrie, incluant un algorithme original de placage de texture ainsi qu'une méthode d'instantiation automatique de données géométriques; (2) le traîtement d'images avec une généralisation de la décomposition modale de Hilbert-Huang, et un algorithme de sélection semi-automatique de régions à partir d'indications imprécises; (3) la simulation de l'éclairage global et son application à la simulation physiologique de la croissance des plantes, l'analyse de Fourier de l'opérateur de transport de l'éclairage pour diverses applications, ainsi que des contributions en rendu temps-réel. Dans une seconde partie je détaille des pistes de recherche que je considère prometteuses.

Le travail présenté dans ce mémoire a pour cadre le dispositif de réalité mixte ray-on, conçu par la société on-situ. Ce dispositif, dédié à la mise en valeur du patrimoine architectural et en particulier d'édifices historiques, est installé sur le lieu de l'édifice et propose à l'utilisateur une vision uchronique de celui-ci. Le parti pris étant celui du photo-réalisme, deux pistes ont été suivies : l'amélioration du mélange réel virtuel par la reproduction de l'éclairage réel sur les objets virtuels, et la mise en place d'une méthode de segmentation d'image résiliente aux changements lumineux.Pour la reproduction de l'éclairage, une méthode de rendu basé-image est utilisée et associée à une capture haute dynamique de l'environnement lumineux. Une attention particulière est portée pour que ces deux phases soient justes photométriquement et colorimétriquement. Pour évaluer la qualité de la chaîne de reproduction de l'éclairage, une scène test constituée d'une mire de couleur calibrée est mise en place, et capturée sous de multiples éclairages par un couple de caméra, l'une capturant une image de la mire, l'autre une image de l'environnement lumineux. L'image réelle est alors comparée au rendu virtuel de la même scène, éclairée par cette seconde image.La segmentation résiliente aux changements lumineux a été développée à partir d'une classe d'algorithmes de segmentation globale de l'image, considérant celle-ci comme un graphe où trouver la coupe minimale séparant l'arrière plan et l'avant plan. L'intervention manuelle nécessaire à ces algorithmes a été remplacée par une pré-segmentation de moindre qualité à partir d'une carte de profondeur, cette pré-segmentation étant alors utilisée comme une graîne pour la segmentation finale.

No description available.

La traversée d’intersection constitue une tâche typique dans laquelle plusieurs affordances coexistent, l’une traduisant les possibilités de franchir l’intersection, l’autre traduisant les possibilités d’immobiliser le véhicule afin d’éviter une collision. En nous inspirant des travaux de Gibson et Crooks (1938), nous avons formalisé les affordances Field of Safe Travel (FST) et Minimum Stopping Zone (MSZ) en termes de temps critique pour réussir le franchissement d’intersection et l’immobilisation du véhicule, respectivement. Grâce à un dispositif de réalité virtuelle et un simulateur de conduite, nous avons testé la prise en compte de ces affordances par un agent engagé dans la tâche de référence à travers trois expérimentations. Les résultats, appuyés par notre modèle de prise de décision, montrent que le conducteur intègre non seulement l’affordance FST, mais aussi l’affordance MSZ, dans sa décision de franchir l’intersection. De plus, l’utilisation conjointe de ces deux affordances rend compte des régulations de vitesses produites par un agent devant réaliser la tâche de franchissement en présence d’un véhicule préprogrammée ou soumis au contrôle d’un autre agent. Ces différents résultats montrent que les agents prennent en compte les différentes possibilités qui leur sont offertes (affordances FST et MSZ) pour faire un choix adapté et réguler leur vitesse. / Crossing an intersection is a typical task in which several affordances coexist, one offering the possibilities to safely cross the intersection (the main goal) and another offering the possibilities to stop the driving car to avoid a collision (the alternative goal). Based on Gibson and Crooks’ works (1938), we formalized the so-called Field of Safe Travel (FST) and Minimum Stopping Zone (MSZ) affordances in terms of critical time for safe crossing and for safe stopping, respectively. Using a virtual reality set-up with a driving simulator, three experiments have been designed to test the role of these two affordances on the decision-making and the regulation of action process. Our results, supported by a model of decision-making, reveal that drivers rely not only on the FST affordance, but also on the MSZ affordance, to choose to cross-or-not the intersection. Moreover, the joint use of these affordances is still observed when drivers have to control their velocity to perform the task when either a vehicle with a computed kinematic or a car driven by another agent is approaching. Put together, these results show that drivers take into account several possibilities for action offered by the environment (FST and MSZ affordances) to make a suitable choice and to control their speed when approaching an intersection.

Dans le cadre de la rééducation orthophonique des troubles de la parole associés à un mauvais positionnement de la langue, il peut être utile au patient et à l’orthophoniste de visualiser la position et les mouvements de cet articulateur naturellement très peu visible. L’imagerie échographique peut pallier ce manque, comme en témoignent de nombreuses études de cas menées depuis plusieurs années dans les pays anglo-saxons. Appuyés par de nombreux travaux sur les liens entre production et perception de la parole, ces études font l’hypothèse que ce retour articulatoire visuel faciliterait la rééducation du patient. Lors des séances orthophoniques, le patient semble, en effet, mieux appréhender les déplacements de sa langue, malgré la difficulté d’interprétation sous-jacente de l’image échographique liée au bruit inhérent à l’image et à l’absence de vision des autres articulateurs. Nous développons dans cette thèse le concept d’échographie linguale augmentée. Nous proposons deux approches afin d’améliorer l’image échographique brute, et présentons une première application clinique de ce dispositif. La première approche porte sur le suivi du contour de la langue sur des images échographiques. Nous proposons une méthode basée sur une modélisation par apprentissage supervisé des relations entre l’intensité de l’ensemble des pixels de l’image et les coordonnées du contour de langue. Une étape de réduction de la dimension des images et des contours par analyse en composantes principales est suivie d’une étape de modélisation par réseaux de neurones. Nous déclinons des implémentations mono-locuteur et multi-locuteur de cette approche dont les performances sont évaluées en fonction de la quantité de contours manuellement annotés (données d’apprentissage). Nous obtenons pour des modèles mono-locuteur une erreur de 1,29 mm avec seulement 80 images, performance meilleure que celle de la méthode de référence EdgeTrak utilisant les contours actifs. La deuxième approche vise l’animation automatique, à partir des images échographiques, d’une tête parlante articulatoire, c’est-à-dire l’avatar d’un locuteur de référence qui révèle les structures externes comme internes de l’appareil vocal (palais, pharynx, dent, etc.). Nous construisons tout d’abord un modèle d’association entre les images échographiques et les paramètres de contrôle de la langue acquis sur ce locuteur de référence. Nous adaptons ensuite ce modèle à de nouveaux locuteurs dits locuteurs source. Pour cette adaptation, nous évaluons la technique Cascaded Gaussian Mixture Regression (C-GMR), qui s’appuie sur une modélisation conjointe des données échographiques du locuteur de référence, des paramètres de contrôle de la tête parlante, et des données échographique d’adaptation du locuteur source. Nous comparons cette approche avec une régression directe par GMR entre données du locuteur source et paramètre de contrôle de la tête parlante. Nous montrons que l’approche par C-GMR réalise le meilleur compromis entre quantité de données d’adaptation d’une part, et qualité de la prédiction d’autre part. Enfin, nous évaluons la capacité de généralisation de l’approche C-GMR et montrons que l’information a priori sur le locuteur de référence exploitée par ce modèle permet de généraliser à des configurations articulatoires du locuteur source non vues pendant la phase d’adaptation. Enfin, nous présentons les premiers résultats d’une application clinique de l’échographie augmentée à une population de patients ayant subi une ablation du plancher de la bouche ou d’une partie de la langue. Nous évaluons l’usage du retour visuel en temps réel de la langue du patient et l’usage de séquences enregistrées préalablement sur un orthophoniste pour illustrer les articulations cibles, par des bilans orthophoniques classiques pratiqués entre chaque série de séances. Les premiers résultats montrent une amélioration des performances des patients, notamment sur le placement de la langue. / In the framework of speech therapy for articulatory troubles associated with tongue misplacement, providing a visual feedback might be very useful for both the therapist and the patient, as the tongue is not a naturally visible articulator. In the last years, ultrasound imaging has been successfully applied to speech therapy in English speaking countries, as reported in several case studies. The assumption that visual articulatory biofeedback may facilitate the rehabilitation of the patient is supported by studies on the links between speech production and perception. During speech therapy sessions, the patient seems to better understand his/her tongue movements, despite the poor quality of the image due to inherent noise and the lack of information about other speech articulators. We develop in this thesis the concept of augmented lingual ultrasound. We propose two approaches to improve the raw ultrasound image, and describe a first clinical application of this device.The first approach focuses on tongue tracking in ultrasound images. We propose a method based on supervised machine learning, where we model the relationship between the intensity of all the pixels of the image and the contour coordinates. The size of the images and of the contours is reduced using a principal component analysis, and a neural network models their relationship. We developed speaker-dependent and speaker-independent implementations and evaluated the performances as a function of the amount of manually annotated contours used as training data. We obtained an error of 1.29 mm for the speaker-dependent model with only 80 annotated images, which is better than the performance of the EdgeTrak reference method based on active contours.The second approach intends to automatically animate an articulatory talking head from the ultrasound images. This talking head is the avatar of a reference speaker that reveals the external and internal structures of the vocal tract (palate, pharynx, teeth, etc.). First, we build a mapping model between ultrasound images and tongue control parameters acquired on the reference speaker. We then adapt this model to new speakers referred to as source speakers. This adaptation is performed by the Cascaded Gaussian Mixture Regression (C-GMR) technique based on a joint model of the ultrasound data of the reference speaker, control parameters of the talking head, and adaptation ultrasound data of the source speaker. This approach is compared to a direct GMR regression between the source speaker data and the control parameters of the talking head. We show that C-GMR approach achieves the best compromise between amount of adaptation data and prediction quality. We also evaluate the generalization capability of the C-GMR approach and show that prior information of the reference speaker helps the model generalize to articulatory configurations of the source speaker unseen during the adaptation phase.Finally, we present preliminary results of a clinical application of augmented ultrasound imaging to a population of patients after partial glossectomy. We evaluate the use of visual feedback of the patient’s tongue in real time and the use of sequences recorded with a speech therapist to illustrate the targeted articulation. Classical speech therapy probes are led after each series of sessions. The first results show an improvement of the patients’ performance, especially for tongue placement.

La thèse porte sur un nouveau concept pour les afficheurs de réalité augmentée placés près de l’œil, notamment pour améliorer les champs de vision. Deux guides d'ondes sont empilés avec un petit espace d'air entre eux. La lumière couplée dans le premier guide d'ondes par le coupleur d’entrée se propage par réflexion interne totale jusqu'à atteindre un miroir cylindrique à l'extrémité du guide. Puis, la lumière réfléchie est couplée dans le second guide d'ondes avant d'atteindre le coupleur de sortie. Un système similaire basé sur des micro-prismes est aussi décrit. Les conceptions ont été simulées avec le logiciel Zemax. Les champs de vision horizontal et vertical obtenus sont respectivement de 30° et 60°. La Fonction de Transfert de Modulation pour tous les champs objets est supérieure à 30% pour 33 npl/mm, ce qui est suffisant pour un système visuel. De plus, un grand volume de déplacement admissible pour l’œil (Eye-box) d'environ 10×8 mm a été obtenu. / We propose a new concept to improve notably the fields-of-view (FOV) of the near to eye displays (NEDs) for augmented reality. Two waveguides are stacked with a small air gap between them. The light coupled in the first waveguide by the in-coupler propagates by total internal reflection until it reaches a cylindrical mirror at the end of the guide. Then, the reflected light is coupled in the second waveguide before to reach the out-coupler. A similar system based on micro-prisms is also described. The designs were simulated with Zemax software. The obtained horizontal and vertical FOV are respectively 30° and 60°. The Modulation Transfer Function for all object fields is greater than 30% for 33 npl/mm, which is sufficient for a visual system. In addition, a large Eye-box of approximately 10 × 8 mm was obtained.