La Réalité Virtuelle permet de simuler et d'interagir avec des Environnements Virtuels (EV) à travers différentes modalités sensorielles. Cependant, l'interaction avec des EV basés physique et complexes, comme des environnements non rigides ou larges, présente plusieurs défis en termes d'interaction et de retours sensoriels. Dans la première partie de cette thèse, nous abordons la manipulation de milieux non rigides avec du retour haptique et multimodal. Nous présentons tout d'abord une nouvelle approche pour l'interaction haptique à 6 degrés de liberté avec des fluides. Cette approche permet la génération de retours de force lors de l'interaction avec des fluides visqueux par le biais d'objets rigides de forme arbitraire. Nous étendons ensuite cette approche pour inclure l'interaction haptique avec des objets déformables, menant donc à une interaction haptique unifiée avec les différents états de la matière. Une expérience perceptuelle nous a permis de montrer que les utilisateurs peuvent identifier de façon efficace les différents états en n'utilisant que la modalité haptique. Ensuite, nous présentons un nouveau modèle vibrotactile pour le rendu de fluides, tirant parti de connaissances dans la synthèse de son de fluides. A travers cette approche, nous rendons possible l'interaction avec des fluides tout en générant des retours multimodaux, utilisant les canaux sensoriels vibrotactile, kinesthésique, acoustique et visuel. Dans la seconde partie de cette thèse, nous abordons la navigation basée sur la marche dans des EV larges. Comme les EV sont souvent plus larges que l'espace de travail réel, nous présentons une nouvelle technique de navigation qui permet à l'utilisateur de connaître de façon immersive les limites de son espace de travail en translation. En utilisant un contrôle hybride en position/vitesse, cette technique fournit une métaphore simple et intuitive pour une navigation libre de collisions et de ruptures d'immersion. Comme certains espaces de travail présentent aussi des limites en rotation dues à des écrans manquants, comme dans le cas d'un CAVE, nous proposons ensuite trois nouvelles métaphores de navigation abordant ce problème supplémentaire. L'évaluation de ces techniques de navigation a permis de montrer qu'elles remplissent efficacement leurs objectifs tout en étant très appréciées par les utilisateurs.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux structures d'une image en général, et plus particulièrement aux gradients et aux contours. Ces dernières se sont révélées très importantes ces dernières années pour de nombreuses applications en infographie,telles que la réalité augmentée et la stylisation d'images et de vidéos. Le but de toute analyse des structures d'une image est de décrire à un haut-niveau la compréhension que l'on peut avoir de son contenu et de fournir les bases nécessaires à l'amélioration de la qualité des applications citées au-dessus, notamment la lisibilité, la précision, la cohérence spatiale et temporelle.Dans une premier temps, nous démontrons le rôle important que ces structures jouent pour des applications de type composition "Focus+Context". Une telle approche est utilisée en réalité augmentée pour permettre la visualisation de parties d'une scènes qui sont normalement derrières ce que l'on peut observer dans un flux vidéo. L'utilisation d'une segmentation et de lignes caractéristiques permettent de mettre en avant et/ou de révéler les relations d'ordre entre les différents objets de la scène. Pour la synthèse d'images guidée par une fonction d'importance, de multiples styles de rendu sont combinés de manière cohérente grâce à l'utilisation d'une carte de gradients et une de saillance.Dans un deuxième temps, nous introduisons une nouvelle techniques qui permet de reconstruire de manière continue un champ de gradient, et ceci sans trop lisser les détails originaux contenus dans l'image. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode d'approximation locale et de plus haut-degré pour des champs de gradients discrets et non-orientés. Cette méthode est basée sur le formalisme"moving least square" (MLS). Nous démontrons que notre approximation isotrope et linéaire est de meilleure qualité que le classique tenseur de structure : les détails sont mieux préservés et les instabilités sont réduites de manière significative. Nous démontrons aussi que notre nouveau champ de gradients apporte des améliorations à de nombreuses techniques de stylisation.Finalement, nous démontrons que l'utilisation d'une technique d'analyse de profil caractéristique par approximation polynomiale permet de distinguer les variations douces des zones dures. Les paramètres du profil sont utilisés comme des paramètres de stylisation tels que l'orientation des coups de pinceau, leur taille et leur opacité. Cela permet la création d'une large variété de styles de ligne.

Cette thèse est une contribution à l'étude du placement dynamique de processus sur des machines multiprocesseurs à mémoire distribuée. Le contexte de notre travail est celui de la simulation et de l'évaluation de l'exécution d'applications dont le nombre de processus et le moment de leur création dépendent de l'exécution en cours. Nous proposons un nouvel algorithme évolutif de placement dynamique de processus de type approximatif, avec des éléments de contrôle et d'information distribués. A chaque noeud X d'une machine parallèle est associé un sous-ensemble de processeurs avec lesquels il peut partager sa charge de manière équitable. Ce sous-ensemble est appelé la Solution de Placement (SP) du noeud. La Solution de Placement initiale d'un noeud X est composée du sous-ensemble des noeuds directement connectés au noeud X. La décision de placement d'un processus est faite au moment de sa création, il peut alors être placé sur le noeud sur lequel il a été créé ou bien sur un des noeuds de sa SP. Sous l'effet de certains opérateurs (declin, croissance, fusion, remplacement, rotation) la Solution de Placement d'un noeud évolue au cours de l'exécution de l'application ce qui permet une répartition et un équilibrage des charges des noeuds. Pour étudier le comportement de l'algorithme évolutif, nous avons utilisé le simulateur séquentiel SIMAD qui est un outil conçu pour évaluer les algorithmes d'allocation dynamique de charge sur des machines MIMD à mémoire distribuée. Le deuxième apport de cette thèse est la définition et l'intégration dans SIMAD d'un langage synthétique qui permet de décrire des applications parallèles avec des graphes de communication généraux. Le document se termine par la présentation d'une partie des résultats de l'ensemble des expériences que nous avons menées, dans le but d'évaluer les performances et le comportement de notre approche du placement dynamique de processus. Deux types de résultats sont présentés et analysés. Tout d'abord nous recherchons l'influence de certains paramètres (la taille maximale des SP, l'actualisation des SP, le nombre de processus par niveau de charge et l'opérateur de fusion) sur le comportement de l'algorithme évolutif. Ensuite, une étude comparative avec d'autres méthodes de placement dynamique permet de mettre en évidence les performances de notre approche.

L'un des buts principaux de la synthèse d'image est de générer une image en adéquation avec les attentes de l’utilisateur. Pour ce faire, l'utilisateur doit passer par plusieurs étapes. La première, dite « Moteur de rendu », a pour but de simuler de façon précise les différentes interactions lumineuses avec les objets d'une scène 3D. A l'issue de cette étape, l'utilisateur aura à sa disposition une image décrite par des grandeurs photométriques. Ensuite, l'utilisateur procède à une seconde étape, dite « Post-production », où l'utilisateur effectue différents traitements sur l’image générée. Afin que l’image finale soit en adéquation avec les attentes de l’utilisateur, ce dernier peut modifier la scène 3D ou les différents paramètres utilisés par chaque étape. Les travaux de recherche menés dans le cadre de la thèse se sont focalisés sur deux axes principaux : l’accélération de la génération d'images de synthèse et le développement d'outils, proposés à l'utilisateur, lui permettant de satisfaire ses attentes. Concernant le premier axe, nous avons travaillé sur les techniques de synthèse d'image permettant de générer des images de synthèse de haute qualité. Ces techniques s’appuient, le plus souvent, sur un processus stochastique qui construit de façon aléatoire des chemins de lumière. Cependant, dans certains cas de figure, il est difficile de construire de façon efficace ces chemins. C'est le cas des milieux participants (fumée, feu, etc.) pour lesquels un grand nombre d'interactions lumière/matière doit être pris en compte, ce qui est très coûteux en temps de calcul. Pour réduire ces temps de calcul, nous proposons une adaptation d'une approche de rendu discrète exploitant la puissance de calcul des cartes graphiques. Cependant, comme ce genre de techniques présentent de nombreuses limitations, nous avons développé une seconde technique basée sur le trace de photon. Par ailleurs, dans des scènes complexes, il est difficile de trouver des chemins contributifs. Pour cette raison, nous avons utilisé une approche, basée sur Metropolis-Hasting, qui permet d'explorer localement l'espace des chemins contributifs. En revanche, avec ce type d'approche, il est difficile de contrôler la répartition de l'erreur sur le plan image. C'est pourquoi, nous proposons une nouvelle approche permettant de mieux répartir l'erreur relative sur le plan image. Dans le second axe de travail, nous nous sommes intéressés à l’étape de « Post-production ». En effet, nous avons développé une nouvelle technique d'estimation de l'illuminant de référence. Connaître cet illuminant est important lors d’opérations manipulant l'espace couleur utilisé. Enfin, nous proposons une technique capable de déterminer automatiquement la configuration des sources de lumière dans le but de générer une image répondant aux attentes de l'utilisateur. / One of the main goal in computer graphics is to generate an image that matches the user intent. To do that, the user has to go through several steps. The first step, named « Rendering engine », aims to precisely simulate light interactions with the objects of a 3D scene. At the end of this step, an image is generated. This image is represented by photometric values. Then, the user moves on to the second step, named « Post-production », where she/he applies several transformations to the computer generated images. To make the final image be in line with her/his expectations, the user can modify the 3D scene or change parameter values used throughout the different steps. Two main research avenues are investigated: acceleration of the generation of computer generated images and the development of user assistance tools allowing to satisfy the user's intent. First, we have developed computer graphics algorithms that generate high quality images. These techniques often rely on a stochastic process. They randomly construct light paths. However, in some particular setup, it turns out that these algorithms are inefficient. This is the case when rendering participating media for which a huge amount of light interactions is needed. These interactions entail a costly computing time. In order to reduce the rendering time, we have proposed a new discrete approach that runs on the GPU. However, there exist several limitations with this type of technique. To overcome these limitations, we have developed a second approach based on progressive photon mapping. Furthermore, in complex scenes, it is difficult to find valid light paths. This is why, our algorithm is based on Metropolis-Hasting. This type of technique allows to explore locally the path space but still have several drawbacks. The main drawback is that the algorithm does not distribute evenly the error over the image space. We have proposed a novel approach to address this issue. In the second part of this PhD, we are interested in the "post-production" step. A new technique has been developed to estimate the main illuminant in a scene. Knowing this main illuminant is crucial for color transformations. Moreover, we have developed a technique that optimizes automatically the lighting setup in a 3D scene to meet the user's expectations.

La qualité du résultat des opérations d’échantillonnage pour la synthèse d'images est fortement dépendante du placement et de la pondération des échantillons. C’est pourquoi plusieurs travaux ont porté sur l’amélioration de l’échantillonnage purement aléatoire utilisée dans les techniques classiques de Monte Carlo. Leurs approches consistent à utiliser des séquences déterministes qui améliorent l’uniformité de la distribution des échantillons sur le domaine de l’intégration. L’estimateur résultant est alors appelé un estimateur de quasi-Monte Carlo (QMC).Dans cette thèse, nous nous focalisons sur le cas de l’échantillonnage pour l’intégration hémisphérique. Nous allons montrer que les approches existantes peuvent être améliorées en exploitant pleinement l’information disponible (par exemple, les propriétés statistiques de la fonction à intégrer) qui est ensuite utilisée pour le placement des échantillons et pour leur pondération. / The spherical sampling of the incident radiance function entails a high computational cost. Therefore the llumination integral must be evaluated using a limited set of samples. Such a restriction raises the question of how to obtain the most accurate approximation possible with such a limited set of samples. In this thesis, we show that existing Monte Carlo-based approaches can be improved by fully exploiting the information available which is later used for careful samples placement and weighting.The first contribution of this thesis is a strategy for producing high quality Quasi-Monte Carlo (QMC) sampling patterns for spherical integration by resorting to spherical Fibonacci point sets. We show that these patterns, when applied to the rendering integral, are very simple to generate and consistently outperform existing approaches. Furthermore, we introduce theoretical aspects on QMC spherical integration that, to our knowledge, have never been used in the graphics community, such as spherical cap discrepancy and point set spherical energy. These metrics allow assessing the quality of a spherical points set for a QMC estimate of a spherical integral.In the next part of the thesis, we propose a new heoretical framework for computing the Bayesian Monte Carlo quadrature rule. Our contribution includes a novel method of quadrature computation based on spherical Gaussian functions that can be generalized to a broad class of BRDFs (any BRDF which can be approximated sum of one or more spherical Gaussian functions) and potentially to other rendering applications. We account for the BRDF sharpness by using a new computation method for the prior mean function. Lastly, we propose a fast hyperparameters evaluation method that avoids the learning step.Our last contribution is the application of BMC with an adaptive approach for evaluating the illumination integral. The idea is to compute a first BMC estimate (using a first sample set) and, if the quality criterion is not met, directly inject the result as prior knowledge on a new estimate (using another sample set). The new estimate refines the previous estimate using a new set of samples, and the process is repeated until a satisfying result is achieved.

Les ombres sont un élément important pour la compréhension d'une scène. Grâce à elles, il est possible de résoudre des situations autrement ambigües, notamment concernant les mouvements, ou encore les positions relatives des objets de la scène. Il y a principalement deux types d'ombres: des ombres dures, aux limites très nettes, qui résultent souvent de lumières ponctuelles ou directionnelles; et des ombres douces, plus floues, qui contribuent à l'atmosphère et à la qualité visuelle de la scène. Les ombres douces résultent de grandes sources de lumière, comme des cartes environnementales, et sont difficiles à échantillonner efficacement en temps réel. Lorsque l'interactivité est prioritaire sur la qualité, des méthodes d'approximation peuvent être utilisées pour améliorer le rendu d'une scène à moindre coût en temps de calcul. Nous calculons interactivement les ombres douces résultant de sources de lumière environnementales, pour des scènes composées d'objets en mouvement et d'un champ de hauteurs dynamique. Notre méthode enrichit la méthode d'exponentiation des harmoniques sphériques, jusque là limitée aux bloqueurs sphériques, pour pouvoir traiter des champs de hauteurs. Nous ajoutons également une représentation pour les BRDFs diffuses et glossy. Nous pouvons ainsi combiner les visibilités et BRDFs dans un même espace, afin de calculer efficacement les ombres douces et les réflexions de scènes complexes. Un algorithme hybride, qui associe les visibilités en espace écran et en espace objet, permet de découpler la complexité des ombres de la complexité de la scène. / Shadows provide important visual cues to a viewer about the relative positions of objects in a scene, as well as certain properties of the lighting in an environment, such as orientation, size, and intensity. The importance of shadows in visual simulations is even more striking when any element of an environment, such as characters in a scene or the light sources themselves, are animated over time. The simulation of so-called "hard" shadows from small point or directional light sources is a very mature field in computer graphics, with many concrete and well-established solutions. On the other hand, efficiently approximating the shadowing effects from larger "area" light sources, such as ceiling lights or environment maps captured from the real world, remains an open problem. Indeed, in many applications, the availability of a high-performance solution to this problem trumps the need for an accurate solution. Our work aims to solve the problem of approximating soft shadows interactively, in scenes where the geometric elements and lighting are both allowed to be animated over time. We decompose dynamic scene elements into deformable objects, approximated with a collection of non-deformable animated spheres, and height field geometry. By leveraging a novel spherical harmonic basis-space exponentiation formulation, we are able to very quickly accumulate the shadowing effects from these many dynamic blockers, while also encoding their local reflectance behaviour in a similar reduced basis representation. Our proof-of-concept implementation uses a hybrid, multi-resolution image- and object-space visibility marching algorithm that decouples geometric complexity from radiometric complexity. We demonstrate our method on several scenes with dynamic blockers and complex illumination.

La motivation de ce travail est la réalisation de circuits permettant d'afficher rapidement des images sur un écran d'ordinateur. Voici dix ans, nous avons proposé un circuit LSI, prenant en charge la gestion d'une mémoire d'image et l'écriture rapide de segments de droite et de caractères, dans une optique de "terminal graphique". Nous avons ensuite cherché à augmenter les performances de cette architecture et à l'adapter à l'environnement "station de travail". Nous sommes aujourd'hui convaincu que la solution ne passe pas par des circuits spécialisés, mais par la définition d'opérateurs généraux de calcul très puissants. Pour expliquer cet itinéraire, nous décrivons une suite d'expérimentations réalisées, précédée par une histoire des architectures de visualisation.

Pour assurer un niveau de coopération acceptable entre les diff érents utilisateurs, il faut prendre en considération certains critères. Nous pouvons diviser ces critères selon deux catégories : la première est visuelle/psychologique et elle est souvent liée à l'utilisateur. Il s'agit de comprendre les interactions de l'autre utilisateur : que fait-il ? Que va-t-il faire ? Sur quoi interagit-il ? ... Pour comprendre tout cela il faut assurer que l'utilisateur ait un certain niveau de conscience de tout ce qui évolue dans l'environnement. Cette conscience est la connaissance de l'état de l'environnement qui est assurée à travers des métaphores visuelles signi catives, d'où le facteur psycho-cognitif. La deuxième catégorie est technique et elle est liée au réseau. Pour garantir la mise à jour de l'évolution de l'environnement virtuel il faut assurer la transmission d'informations liées à cette évolution dans les meilleurs délais. L'assurance de la réception des mises-à-jour nécessite à son tour une qualité de service réseau jugée acceptable en terme de latence et de bande pas- sante. Qu'arrive-t-il si cette qualité de service est interrompue à un moment donné ? Quel est l'impact d'un problème au niveau réseau sur la coopéra- tion ? Jusqu'à quel point ? Cette thèse a pour objectif d'essayer de répondre à ces questions en mettant l'accent sur les conséquences indésirables d'un problème réseau sur les environne- ments virtuels coopératifs. Nous allons suivre le problème réseau dès le moment de son apparition au niveau de la couche de transport, et tout le long de son passage par les di érentes couches qui composent les environnements virtuels distribués. Ces couches comportent : la couche de communication, le noyau du support d'exécution d'environnements virtuels, et enfi n la couche applicative en relation directe avec l'utilisateur. Sur chaque niveau nous étudions les eff ets provoqués par le problème réseau et nous proposons des solutions.

La réalité virtuelle est une technologie qui voit ses applications s'étendre à de nombreux domaines (médical, automobile, etc.). Cette thèse se place dans le contexte des espaces virtuels complètement immersifs, et a pour but d'étudier les effets des deux principaux types d'interfaces proposés (manette avec 6 degrés de liberté, et système de suivi de doigts) sur l'expérience des utilisateurs, dans le cadre de la manipulation d'objets 3D. Nous nous intéressons à des paramètres tels que la facilité d'utilisation, la sensation d'immersion, la rapidité et la précision offertes... Pour cela, nous proposons des expériences évaluant ces paramètres à travers des tâches dont le succès est mesurable, et qui ne sont pas spécifiques à un domaine. Dans une première étude, nous nous intéressons aux tâches complexes d'ordre général, faisant appel à des compétences requises dans les manipulations quotidiennes, telles que le fait d'attraper, de relâcher, de translater, de tourner et de maintenir en équilibre des objets tout en se déplaçant. Nous affinons ensuite notre étude en observant les effets de ces interfaces sur les mouvements eux-mêmes, en les décomposant en degrés de liberté individuels et groupés. Enfin, nous testons l'applicabilité de notre système de manipulation directe dans le cadre d'une étude préliminaire sur l'utilisation de la réalité virtuelle pour le traitement de la maladie d'Alzheimer. Ces études analysent les propriétés de ces interfaces dans le but de fournir des indications aidant au choix de l'interface la plus appropriée pour des applications futures.

Depuis les premiers travaux de Moreno en 1934, l'analyse de réseaux sociaux s'est toujours accompagnée de diagrammes représentant les relations entre individus. Depuis, la visualisation de graphes n'a cessé de se développer au sein des communautés de visualisation d'information et de dessin de graphes. Au-delà des travaux se concentrant sur les problèmes combinatoires et algorithmiques posés par les dessins de graphes on parle désormais de fouille visuelle de réseaux et plus généralement de visual analytics en intégrant l'utilisateur au coeur de l'analyse. Dans cette thèse nous nous concentrons sur les supports visuels interactifs stéréoscopiques qui permettent de piloter le processus de fouille. En utilisant un environnement expérimental ad hoc, nous essayons d'en évaluer l'impact dans une tâche très populaire de détection de structures en communautés. A travers différentes expériences, nous montrons que pour une classe de graphes particulière la 2D semble plus adapté pour les graphes simples tandis que la 3D stéréo est bénéfique pour les graphes les plus complexes. Nous identifions également des différences dans l'usage des interactions entre la mono et la stéréo, ce qui semble illustrer des différences de comportement caractérisant des différences de stratégie d'utilisation entre ces deux conditions. Nos travaux se prolongent sur le plan technologique par le développement d'une bibliothèque permettant des interactions "mains-libres" adaptées à la fouille visuelle debout devant un grand écran.