De nos jours, les images augmentées font partie du quotidien. Du cinéma aux jeux vidéo en passant par l'architecture ou le design, nombreuses sont les applications qui ont besoin d'afficher des objets synthétiques dans un contexte réel. Cependant, le processus permettant d'intégrer ces objets de manière cohérente dans leur environnement peut rapidement devenir très difficile à mettre en œuvre. Lorsque l'environnement à augmenter est de grande taille ou présente une géométrie ou un éclairage complexe, sa modélisation devient alors fastidieuse et l'utilisation de ces modèles dans le rendu d'images augmentées réalistes est très coûteuse en ressources. D'un autre côté, des applications telles que la réalité augmentée ont besoin de méthodes de rendu efficaces pour fonctionner en temps réel. Elles doivent, par ailleurs, pouvoir s'adapter automatiquement à des environnements a priori inconnus avec pour seule source d'informations les images acquises progressivement dans ces derniers. Dans cette thèse, nous nous sommes appuyés sur les méthodes développées en vision par ordinateur, en modélisation à partir d'images et en synthèse d'images pour proposer une approche globale au problème d'augmentation cohérente d'environnements complexes et progressivement découverts. Nous y développons de nouvelles méthodes d'acquisition permettant d'obtenir des images RGB+Z avec une grande dynamique et localisées dans l'environnement. Nous présentons ensuite comment exploiter cette source d'information pour construire incrémentalement des représentations de la géométrie et de l'éclairement de la scène à augmenter. Enfin, nous apportons de nouvelles approches de rendu adaptées à ces modélisations et permettant une génération rapide d'images augmentées où l'éclairement des objets synthétiques reste cohérent avec celui de l'environnement / Today, augmented images are parts of our daily life. From movie industry to video games through architecture and object design, many applications need to display synthetic objects into a real context. However, coherently integrating objects in their environment may be a difficult task. When the environment is vast or includes complex geometry or lighting, its modelling is tedious and using its model to render augmented images is resource-consuming. Moreover, applications like augmented reality need efficient real-time rendering. They also have to automatically adapt to unmodelled environments, while progressively acquiring data from incoming images. In this thesis, we based our work on computer vision, image-based modelling and rendering methods to propose a global approach to the problem of progressively discovered and complex environment coherent augmentation. We first develop new acquisition methods to get high dynamic range RGB+Z registered images of the environment. Then we explain how to use these informations to incrementally build models of scene geometry and lighting. Finally, we provide new rendering approaches using these models and suitable for an efficient and photometrically coherent image augmentation

Ce mémoire est centré sur la visualisation et l'analyse tridimensionnelle de données morphologiques, la fusion d'informations provenant de modalités identiques mais dont l'acquisition est effectuée à des instant différents et de la mise en correspondance de signaux fonctionnels avec des données morphologiques.<br />Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique traitant de l'acquisition et de la modélisation de primitives tridimensionnelles en imagerie médicale. Le propos du second chapitre concerne une revue des techniques de représentation de primitives et de fonctions multi-variables.<br />Le troisième chapitre traite de la représentation et de l'analyse d'images morphologiques tridimensionnelles. Un nouveau concept, le lancer de rayons multi-fonctions, a été introduit afin d'intégrer sur le rayon une partie des traitements tels que l'interpolation, la détection, le filtrage tout en préservant les fonctionnalités de base (dissection, manipulation par exemple) de l'imagerie médicale tridimensionnelle. Une technique d'accélération du processus de synthèse d'images basée sur la cohérence inter-images est également proposée.<br />Le suivi d'une pathologie ou l'évaluation d'une thérapie nécessitent la confrontation d'images acquises par une même source mais à des instants distincts. Le quatrième chapitre porte sur l'étude et la mise au point d'une technique de recalage 3D en rotation de volumes basée sur une formalisation utilisant les quaternions.<br />Le dernier chapitre est consacré à la reconstitution et à la description (la visualisation) dans l'espace anatomique cérébral des champs de potentiels électriques ou magnétiques (EEG et MEG).

Partant de la spécification d'un univers d'objets a comportement mécanique, dynamique et visuel, le système anima propose un langage alpha-graphique a l'utilisateur pour la description de ses objets, et le moyen d'expérimenter en temps réel leur animation. On étudie l'élaboration de ressources indispensables a une phase compositionnelle, telles que mémoires de geste et mémoires d'images. Le système est vu comme la maquette d'un outil de création destine a des articles, construit autour d'un modèle général de simulation integrant les comportements vibratoires et sonores des objets.

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Cette thèse, située dans le cadre de la synthèse d'images de paysages, est consacrée à des représentations d'arbres adaptées soit au rendu de haute-qualité, soit au rendu temps réel. Les techniques de modélisation d'arbres donnent à ce jour de bons résultats en termes de diversité d'espèces et de formes représentables. Cependant, leur représentation géométrique nécessite une multitude de polygones représentant des détails fins, source d'un coût de calcul important et de gros problèmes d'aliassage lors du rendu de l'image. Pourtant, la construction de niveaux de détails par simplification de maillage ne peut s'appliquer à un arbre sans en modifier l'opacité et l'illumination globale, à cause du caractère disparate et non continu du feuillage. En suivant l'idée de représenter un ensemble de primitives (feuilles ou branches) par paquet intégrant les aspects géométriques et photométriques, nous avons conçu deux nouvelles représentations. La première, destinée au rendu haute-qualité, est basée sur le calcul analytique du modèle d'illumination global d'une géométrie représentant un rameau d'aiguilles de conifère. En nous servant des connaissances a priori concernant la distribution géométrique des aiguilles, nous avons mis au point une hiérarchie de trois shaders capables de représenter à une échelle donnée les effets cumulés des niveaux plus fins, sans avoir à les échantillonner, et en tenant compte de l'auto-ombrage et de la visibilité. Le caractère analytique de ces shaders permet à la fois d'accélérer considérablement les temps de calcul et d'obtenir des images de qualité, en particulier avec très peu d'aliassage. La deuxième, destinée au rendu temps réel, se compose d'une hiérarchie d'images correspondant à l'échantillonnage des directions de vue et de lumière, que nous affichons à l'aide de billboards en interpolant les images. Nous y associons une structure de visibilité pré-calculée, basée sur des cubes de visibilité, pour traiter l'auto-ombrage et l'ombrage en temps interactif. Notre implémentation permet l'affichage interactif d'une forêt de 1000 arbres avec illumination, auto-ombrage, ombrage, et avec possibilité de déplacer interactivement la source de lumière

En synthèse d'images, les scènes tridimensionnelles animées sont de plus en plus riches etdétaillées. Mais elles sont actuellement limitées dans les variations de leur échelle d'observation. Par exemple, créer des modèles permettant une ballade interactive passant continûment d'un atome à une galaxie pose de sérieux problèmes. L'objectif de cette thèse est d'y apporter une solution dans le cadre d'une visualisation temps-réel sur un matériel informatique standard. Tout d'abord, nous montrons pourquoi la modélisation multi-échelle procédurale est particulièrement bien adaptée pour résoudre ce problème. Plus précisément, nous utilisons la modélisation par complexification qui décrit un modèle par une représentation grossière et par un ensemble de fonctions qui lui ajoutent localement des détails jusqu'à satisfaire la précision requise par des critères perceptuels. Nous introduisons une nouveau formalisme basé sur le langage C++ capable de décrire un large éventail de modèles 3D animés sur de grandes variations d'échelle. Nous proposons un outil générique qui implémente ce formalisme appelé DynamicGraph. Cet outil offre d'une part une interface graphique dédiée et d'autre part un algorithme de rendu temps-réel qui évalue effcacement la visibilité et de la précision requise. Nous illustrons par différentes études de cas le potentiel de cette approche.

L'émergence des périphériques de capture numériques ont permis le dé- veloppement de l'acquisition 3D pour numériser les propriétés d'un objet réel : sa forme et son apparence. Ce processus fournit une représentation dense et précise d'objets réels et permet de s'abstraire d'un processus de simulation physique coûteux pour modéliser un objet. Ainsi, les problématiques ont évolué et portent non plus uniquement sur la modélisation des caractéristiques d'un objet réel mais sur les traitements de données issues de l'acquisition pour intégrer une copie de la réalité dans un processus de synthèse d'images. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de nouvelles représentations pour des fonctions d'apparence issues de l'acquisition dont le but est de dénir un ensemble de modèles multi-échelles, de faible complexité en taille, capable d'être visualisé en temps réel sur le matériel graphique actuel.

Nous nous intéressons au lien entre l'image numérique et un système d'information dans un cadre de conception de produit centré sur l'usager. Dans une première partie, nous nous intéressons à la perception par l'usager des environnements virtuels représentant un système d'information. La fidélité perceptive de l'environnement virtuel est étudié à plusieurs niveaux : psychophysique, fonctionnel et enfin sensible. La seconde partie est consacrée à la construction d'environnements virtuels fidèles au monde réel : nous abordons d'abord leur fidélité géométrique via la vision par ordinateur, puis la fidélité comportementale en reproduisant le comportement humain dans les environnements virtuels. Enfin, dans la dernière partie, nous proposons de considérer l'interaction entre le monde réel et le système d'information comme un système fonctionnant en boucle fermée : le système peut être représenté par des images mais aussi construit et mis à jour directement avec des images. Le domaine d'application visé est le système d'information géographique.

LA FAIBLE DEFINITION DES MEMOIRES DE TRAMES IMPOSEE PAR DES CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES POSE DES PROBLEMES DE DISCRETISATION DE L'IMAGE LORS DE SON AFFICHAGE. IL EN RESULTE LES DIFFERENTS DEFAUTS D'ALIASSAGE DUS A UN ECHANTILLONNAGE INSUFFISANT DE L'IMAGE SOUS SA FORME ANALOGIQUE. CES DEFAUTS SONT PERCEPTIBLES ESSENTIELLEMENT SOUS FORMES DE MARCHES D'ESCALIER SUR LES CONTOURS DE L'IMAGE, D'APPARITION ET DE DISPARITION DES PETITS OBJETS SUIVANT LEUR POSITION DANS LA SCENE ET DE PRESENCE DE MOIRE DANS LES SCENES PORTANT DES TEXTURES. POUR ATTEINDRE UN PLUS GRAND DEGRE DE REALISME EN SYNTHESE D'IMAGES, IL EST INDISPENSABLE DE RESOUDRE CES PROBLEMES DE DISCRETISATION. LA SOLUTION GENERALE EST UN PREFILTRAGE PASSE-BAS DE L'IMAGE AVANT SON AFFICHAGE. NOUS ABORDONS CES PROBLEMES SOUS UN ANGLE THEORIQUE ET PRATIQUE DANS CETTE THESE. NOUS ETUDIONS LES METHODES D'ANTIALIASSAGE EN SYNTHESE D'IMAGES DANS LES CAS LES PLUS COURANTS. NOUS PROPOSONS DES NOUVELLES METHODES EN PARTICULIER DES ALGORITHMES ORIGINAUX POUR RESOUDRE CES PROBLEMES DANS LES CAS DU TAMPON DE PROFONDEUR ET DES TEXTURES

Je me suis intéressé pendant ma thèse à la globalité du système de synthèse d'images. En effet, j'ai travaillé sur les différentes étapes du processus de la génération d'une image de synthèse: de la modélisation jusqu'au rendu. Mon objectif principal était de favoriser l'évolutivité et la flexibilité du système. Pour pouvoir atteindre cet objectif, j'ai utilisé la programmation orientée objet pour concevoir et implanter un modeleur de type arbre de construction en langage c++. J'ai proposé une méthodologie de choix de classes et une hiérarchie originale de classes. Pour rendre le système plus flexible, j'ai permis le mixage d'algorithmes d'élimination des parties cachées dans une même scène tout en assurant l'interaction en termes de réflexion, transparence et ombres portées entre tous les objets de la scène. Enfin, j'ai proposé un certain nombre d'outils et méthodes pour la gestion des niveaux de détails dans une scène.