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

Étude des aspects logiciels lies a la conception d'applications graphiques interactives

En chirurgie laparoscopique, les chirurgiens doivent prendre des décisions appropriées en se basant sur une image qui leur offre un point de vue unique du site opératoire. Cette tâche est difficile à réaliser compte tenu du champ de vue limité de l'endoscope et du fait que l'endoscope rigide doit passer par un point d'insertion unique. Ces contraintes obligent les chirurgiens à réaliser des mouvements d'aller-retour avec l'endoscope, alternant entre des vues détaillées et des vues globales de la scène, qui leur permettent de se repérer plus facilement. Dans le but d'observer les parties cachées d'un organe, les chirurgiens aimeraient bien pouvoir changer le point de vue, sans avoir à insérer l'endoscope dans un nouveau point d'insertion. Pour répondre à cette problématique, nous proposons au chirurgien de visualiser une image virtuelle de la cavité abdominale, synthétisée selon un point de vue quelconque. Notre approche est basée sur l'insertion d'un commando de caméras miniatures au sein de la cavité abdominale. Ces caméras sont fixées à la paroi abdominale, aux trocarts ou aux outils chirurgicaux, de sorte qu'au moins l'une d'entre elles soit en mesure de percevoir une information pertinente pour le chirurgien. Les caméras sont regroupées en paires stéréoscopiques pour reconstruire des modèles 3D du site opératoire. Ces modèles fournissent un cadre de référence qui permet la fusion de toutes les images perçues par les caméras, restituée sous forme d'une image stable synthétisée selon tout point de vue. L'image virtuelle est rendue selon le point de vue désiré par le chirurgien, ce qui lui permet d'explorer la cavité abdominale sans intervenir sur les caméras réelles.

Cette thèse traite de la construction de quelques représentations par les frontières, ou BREP (pour "Boundary REPresentation"), et des difficultés rencontrées. Aussi cette introduction rappelle-t-elle très brièvement ce que sont les BREP; on se reportera à [PERO 87] pour un exposé plus détaillé et pour d'autres références. La synthèse d'images et la CAO utilisent diverses modélisations des solides pour les visualiser et calculer leurs propriétés géométriques et mécaniques : masse, aire de l'enveloppe, centre de gravité, axes principaux d'inertie, etc. Plusieurs modèles informatiques des solides ont été proposés :

Après une introduction visant à mieux définir le domaine émergent du grand public qu'est la réalité augmentée, nous décrivons nos contributions en réalité augmentée pour une meilleure perception, cognition et interaction avec notre environnement. La perception est vue sous l'angle de la perception active, celle du mouvement et de l'anticipation. La pédagogie active, mais aussi la pédagogie inductive et déductive, sont utilisées pour améliorer nos facultés de raisonnement. Une meilleure interaction avec notre environnement est d'une part envisagée sous l'angle des systèmes supervisés à travers internet qui favorisent le travail collaboratif, et d'autre part grâce à la réalité augmentée mobile en faisant appel à des guides virtuels humains.

Les images naturelles sont des structures complexes. Leur modélisation est essentielle à de nombreuses tâches en traitement d'images, et des progrès restent encore à réaliser dans ce sens. Des propriétés d'autosimilarité en échelle ont été observées dans l'organisation spatiale des images naturelles. Au-delà de leur organisation spatiale, nous abordons ici leur organisation colorimétrique. Différents outils de caractérisation fractale sont identifiés et mis en oeuvre. L'application de ces outils sur les histogrammes tridimensionnels des images couleur nous permet de mettre en évidence, et de caractériser, des propriétés fractales dans leur organisation colorimétrique. Par ailleurs, nous abordons aussi, en synthèse d'images, de nouvelles applications des concepts fractals pour les images couleur, le contrôle de leurs propriétés et la génération automatique de motifs décoratifs. Des collaborations applicatives ont été développées durant la thèse en vue de valoriser ces travaux, notamment dans le cadre du dispositif de doctorant-conseil, et en direction de l'industrie du textile-habillement.

Les environnements virtuels 3D sont aujourd'hui utilisés dans de nombreux domaines et couvrent de multiples usages qui vont du divertissement à l'apprentissage en passant par la conception pour l'industrie. Si leur nombre ne cesse de croître chaque année, un problème récurrent freine leur adoption et leur diffusion. Il est en effet aujourd'hui très difficile d'importer des données dans un environnement virtuel autre que celui pour lequel ces données ont été créées. Ceci entraîne de nombreux autres problèmes qui ralentissent la création d'environnements virtuels 3D, augmente leur coût de production et limite leur accès aux utilisateurs. Nous présentons ici une solution qui se propose de réconcilier les modèles existants et à venir de façon à rendre interopérables les contenus et les composants logiciels des environnements virtuels 3D. Cette solution repose sur deux éléments complémentaires: une architecture logicielle et un modèle de conteneur de formats 3D. Nous avons appelé notre système l'adaptateur de graphes de scène ou SGA. Il s'agit d'une architecture générique et modulaire qui permet le chargement de plusieurs formats 3D dans la plupart des composants logiciels des environnements virtuels 3D. Le SGA a non seulement pour rôle d'adapter tous les graphes de scène encodés dans les fichiers 3D en graphes de scène pour les composants qui sont utilisés par l'environnement virtuel mais également de gérer la synchronisation de ces graphes de scène au cours du déroulement de l'application de l'environnement virtuel. Nous avons réalisé une implémentation de cette architecture ainsi que plusieurs instanciations qui permettent le chargement de fichiers au format X3D et COLLADA dans une application dont le rendu se base sur le moteur de rendu graphique Ogre3D et le moteur physique Bullet. Ceci nous a permis de démontrer la faisabilité de cette solution et d'évaluer ses performances. Notre modèle de conteneur de formats 3D permet non seulement de composer des scènes faites à partir des plusieurs fichiers 3D mais aussi de combiner leurs fonctionnalités et de les faire interagir dans l'environnement virtuel. Ce modèle est appelé 3DFC pour conteneur de fichiers 3D et il repose sur le système du SGA pour l'adaptation des graphes de scène encapsulés dans les fichiers référencés par le conteneur. Nous avons réalisé une instanciation pour le modèle 3DFC que nous avons intégrée à notre implémentation du SGA. Nous avons ainsi pu mixer dans une même scène des modèles X3D et COLLADA et combiner les fonctionnalités d'interactions offertes par X3D avec les propriétés physiques autorisées dans COLLADA.

Depuis quelques années, l'évolution des techniques d'acquisition a entraîné une généralisation de l'utilisation d'objets 3D très dense, représentés par des nuages de points de plusieurs millions de sommets. Au vu de la complexité de ces données, il est souvent nécessaire de les analyser pour en extraire les structures les plus pertinentes, potentiellement définies à plusieurs échelles. Parmi les nombreuses méthodes traditionnellement utilisées pour analyser des signaux numériques, l'analyse dite scale-space est aujourd'hui un standard pour l'étude des courbes et des images. Cependant, son adaptation aux données 3D pose des problèmes d'instabilité et nécessite une information de connectivité, qui n'est pas directement définie dans les cas des nuages de points. Dans cette thèse, nous présentons une suite d'outils mathématiques pour l'analyse des objets 3D, sous le nom de Growing Least Squares (GLS). Nous proposons de représenter la géométrie décrite par un nuage de points via une primitive du second ordre ajustée par une minimisation aux moindres carrés, et cela à pour plusieurs échelles. Cette description est ensuite derivée analytiquement pour extraire de manière continue les structures les plus pertinentes à la fois en espace et en échelle. Nous montrons par plusieurs exemples et comparaisons que cette représentation et les outils associés définissent une solution efficace pour l'analyse des nuages de points à plusieurs échelles. Un défi intéressant est l'analyse d'objets 3D acquis dans le cadre de l'étude du patrimoine culturel. Dans cette thèse, nous nous étudions les données générées par l'acquisition des fragments des statues entourant par le passé le Phare d'Alexandrie, Septième Merveille du Monde. Plus précisément, nous nous intéressons au réassemblage d'objets fracturés en peu de fragments (une dizaine), mais avec de nombreuses parties manquantes ou fortement dégradées par l'action du temps. Nous proposons un formalisme pour la conception de systèmes d'assemblage virtuel semi-automatiques, permettant de combiner à la fois les connaissances des archéologues et la précision des algorithmes d'assemblage. Nous présentons deux systèmes basés sur cette conception, et nous montrons leur efficacité dans des cas concrets.

De nos jours, les objets virtuels sont devenus omniprésents. On les trouve dans de nombreux domaines comme le divertissement (cinéma, jeux vidéo, etc.), la conception assistée par ordinateur ou encore la réalité virtuelle. Nous nous intéressons en particulier à la modélisation d'objets 3D dans le domaine de la création artistique. Ici, la création d'images riches nécessite de faire appel à des modèles très détaillés et donc extrêmement complexes. Les surfaces de subdivision, traditionnellement utilisées dans ces domaines, voient leur complexité croître rapidement lorsqu'on ajoute des détails, et la gestion de la connectivité du maillage de contrôle devient trop contraignante. Une approche standard pour gérer la complexité de tels modèles est d'utiliser des représentations différentes pour la forme générale de la surface et les détails. Cependant, ces détails sont représentés par des cartes matricielles qui ne possèdent pas la plupart des avantages des représentations vectorielles, et cela complexifie certaines tâches, comme par exemple l'animation. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles représentations vectorielles, la première pour les surfaces de base, la deuxième pour les détails. Nous utilisons pour cette dernière une représentation vectorielle appelée images de diffusion permettant de créer des variations lisses à l'aide d'un ensemble réduit de contraintes. Cela nous permet de représenter aussi bien la géométrie que la couleur ou d'autres paramètres nécessaires au rendu de façon purement vectoriel, en conservant des contrôles de haut niveau. Notre première contribution est une représentation de surfaces, baptisée LS3, issue de la combinaison entre surfaces de subdivision et -point set surfaces. Cette approche réduit notablement les artefacts des surfaces de subdivision aux alentours de sommets dits extraordinaires, qui sont connus pour poser problème. Nous présentons une analyse numérique des propriétés de ces surfaces, qui tend à montrer que du point de vue de la continuité elles se comportent au moins aussi bien que les schémas de subdivision linéaires traditionnels. Notre deuxième contribution est un solveur pour les images de diffusion dont le principal avantage est de produire en sortie une autre représentation vectorielle légère et très rapide à évaluer. Nous illustrons la force de note solveur sur de nombreux exemples difficiles ou impossibles à réaliser avec les méthodes précédentes. Pour conclure, nous montrons comment combiner nos deux contributions pour obtenir une représentation de surface entièrement vectorielle capable de représenter des détails sans avoir à manipuler la connectivité d'un maillage.

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