Cette thèse s'articule autour de la reconstruction géométrique de formes. Plusieurs méthodes, basées sur les diagrammes de Voronoï, sont proposées pour la reconstruction automatique d'objets naturels. L'application principale est la modélisation et l'imagerie géologique. Une première méthode permet la reconstruction de volumes et surfaces géologiqu- es à partir de données incomplètes et hétérogènes : données ponctuelles sur des affleurements, portions de contours cartographiques, sondages, coupes incomplètes ou interprétées, modèles numériques de terrains... L'idée majeure de la méthode consiste à assembler les objets différents selon leurs proximités, en utilisant le diagramme de Voronoï de ces objets. Les diagrammes de Voronoï sont des structures géométriques permettant de partitionner l'espace en régions d'influence. En pratique toutes les données sont discrétisées en un ensemble de points colorés, les couleurs représentant ici les caractéristiques géologiques ou géophysiques des données, que nous souhaitons imager. La partition "colorée" de ces points nous donne une première solution topologique au problème de reconstruction. Elle nous fournit en outre, une représentation du bord de l'objet géologique et de son intérieur. L'utilisation de courbes et de surfaces déformables sous contraintes (tension, courbure et respect de la topologie initiale) permet ensuite d'obtenir des interfaces plus lisses et plus conformes. Une étape particulière permet de prendre en compte des surfaces de discontinui- té comme les failles. Afin de représenter un objet S, non plus par des éléments discrets (polyèdres de Voronoi), mais par les valeurs positives d'une fonction continue, nous avons introduit une nouvelle méthode. L'objectif de la méthode est de définir une fonction interpolante s telle que l'ensemble des zéros de s passe exactement par les données de départ et soit une approximation cohérente et lisse de S par ailleurs. Dans un premier temps nous définissons, une fonction caractéristique locale en chaque donnée (point, contour...) et l'objet volumique final résulte alors d'une interpolation de ces fonctions.

Pour de nombreuses applications informatiques, il est nécessaire d'interpréter des données échantillonnées et de fournir une représentation aussi correcte que possible des objets dont elles proviennent. Entre autres, on peut penser à l'imagerie médicale, au reverse engineering, à des applications de réalité virtuelle ou encore aux effets spéciaux pour le cinéma. Le problème étudié dans le cadre de cette thèse peut être formulé ainsi : à partir d'un ensemble S de points 3D échantillonnés sur un objet O, il s'agit de fournir un modèle géométrique de la surface délimitant O. Dans un premier temps, on détaille l'implantation d'une solution classique en Géométrie algorithmique dans le cadre du progiciel CGAL (http://www.cgal.org/). Les modules développés, Alpha-formes en dimensions 2 et 3, sont dorénavant partie intégrante de la libraire et distribués avec la version 2.3. Ensuite, on présente une nouvelle approche pour la reconstruction 3D à partir de nuages de points, dont le principe est de déployer une surface orientable sur les données. Cette méthode se révèle être très efficace, et surtout capable de fournir des réponses dans des cas difficiles. Elle offre, en outre, d'excellentes performances et permet de traiter de gros jeux de données. Enfin, on décrit une nouvelle méthode de reconstruction 3D pour des points organisés en sections. Il s'agit d'une méthode d'interpolation reposant sur les voisins naturels, un système de coordonnées barycentriques locales. Elle réunit deux grandes tendances: elle propose une définition fonctionnelle, C^1 presque partout, de l'objet reconstruit tout en ne considérant que des structures géométriques discrètes de type triangulation de Delaunay. L'interpolation de coupes parallèles permet, de surcroît, une solution efficace, grâce à des calculs uniquement réalisés en dimension 2.

La géométrie algorithmique a pour but de concevoir et d'analyser des algorithmes pour résoudre des problèmes géométriques. C'est un domaine récent de l'informatique théorique, qui s'est très rapidement développé depuis son apparition dans la thèse de M. I. Shamos en 1978. La randomisation permet d'éviter le recours à des structures compliquées, et s'avère très efficace, tant du point de vue de la complexité théorique, que des résultats pratiques. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la conception d'algorithmes dynamiques : en pratique, il est fréquent que l'acquisition des données d'un problème soit progressive. Il n'est évidemment pas question de recalculer le résultat à chaque nouvelle donnée, d'où la nécéssité d'utiliser des schémas (semi-)dynamiques. Nous introduisons une structure très générale, le graphe d'influence, qui permet de construire de nombreuses structures géométriques : diagrammes de Voronoï, arrangements de segments... Nous étudions les algorithmes, à la fois du point de vue de la complexité théorique, de leur mise en oeuvre pratique et de l'efficacité des programmes.

Geometric covering is a well-studied topic in computational geometry. We study three covering problems: Disjoint Unit-Disk Cover, Depth-(≤ K) Packing and Red-Blue Unit-Square Cover. In the Disjoint Unit-Disk Cover problem, we are given a point set and want to cover the maximum number of points using disjoint unit disks. We prove that the problem is NP-complete and give a polynomial-time approximation scheme (PTAS) for it. In Depth-(≤ K) Packing for Arbitrary-Size Disks/Squares, we are given a set of arbitrary-size disks/squares, and want to find a subset with depth at most K and maximizing the total area. We prove a depth reduction theorem and present a PTAS. In Red-Blue Unit-Square Cover, we are given a red point set, a blue point set and a set of unit squares, and want to find a subset of unit squares to cover all the blue points and the minimum number of red points. We prove that the problem is NP-hard, and give a PTAS for it. A "mod-one" trick we introduce can be applied to several other covering problems on unit squares.

Given a set of unit disks in the plane with union area A, what fraction of A can be covered by selecting a pairwise disjoint subset of the disks? Richard Rado conjectured 1/4 and proved 1/4.41. In this thesis, we consider a variant of this problem where the disjointness constraint is relaxed: selected disks must be k-colourable with disks of the same colour pairwise-disjoint. Rado's problem is then the case where k = 1, and we focus our investigations on what can be proven for k > 1. Motivated by the problem of channel-assignment for Wi-Fi wireless access points, in which the use of 3 or fewer channels is a standard practice, we show that for k = 3 we can cover at least 1/2.09 and for k = 2 we can cover at least 1/2.82. We present a randomized algorithm to select and colour a subset of n disks to achieve these bounds in O(n) expected time. To achieve the weaker bounds of 1/2.77 for k = 3 and 1/3.37 for k = 2 we present a deterministic O(n^2) time algorithm. We also look at what bounds can be proven for arbitrary k, presenting two different methods of deriving bounds for any given k and comparing their performance. One of our methods is an extension of the method used to prove bounds for k = 2 and k = 3 above, while the other method takes a novel approach. Rado's proof is constructive, and uses a regular lattice positioned over the given set of disks to guide disk selection. Our proofs are also constructive and extend this idea: we use a k-coloured regular lattice to guide both disk selection and colouring. The complexity of implementing many of the constructions used in our proofs is dominated by a lattice positioning step. As such, we discuss the algorithmic issues involved in positioning lattices as required by each of our proofs. In particular, we show that a required lattice positioning step used in the deterministic O(n^2) algorithm mentioned above is 3SUM-hard, providing evidence that this algorithm is optimal among algorithms employing such a lattice positioning approach. We also present evidence that a similar lattice positioning step used in the constructions for our better bounds for k = 2 and k = 3 may not have an efficient exact implementation.

Diverses techniques de modélisation sont utilisées en synthèse d'images et en CAO (conception assistée par ordinateur) pour produire des images réalistes et analyser les propriétés géométriques des objets solides modélisés. Cependant, malgré les progrès récents, la conception de formes géométriques reste une tâche complexe. Les objets géométriques que veut modéliser l'utilisateur doivent vérifier certaines propriétés, traditionnellement appelées contraintes. Pour pallier ces inconvénients certains systèmes de modélisation fournissent des outils de spécification des formes par des contraintes géométriques. Nous proposons dans cette thèse deux méthodes de résolution du système de contraintes. La première méthode étudie les graphes bipartis sous-jacents aux systèmes d'équations. Nous montrons qu'il est possible de décomposer polynomialement ces systèmes en sous-systèmes sur-contraints (plus d'équations que d'inconnues), sous-contraints (plus d'inconnues que d'équations) et bien-contraints (autant d'équations que d'inconnues) a partir du graphe biparti. La deuxième méthode proposée étudie les différentes configurations induites par des contraintes de distances, d'angles et de tangences entre points, droites et cercles. Les entités géométriques sont déterminées par un algorithme de réduction de graphes et un système à base de règles.

Given a set of unit disks in the plane with union area A, what fraction of A can be covered by selecting a pairwise disjoint subset of the disks? Richard Rado conjectured 1/4 and proved 1/4.41. In this thesis, we consider a variant of this problem where the disjointness constraint is relaxed: selected disks must be k-colourable with disks of the same colour pairwise-disjoint. Rado's problem is then the case where k = 1, and we focus our investigations on what can be proven for k > 1. Motivated by the problem of channel-assignment for Wi-Fi wireless access points, in which the use of 3 or fewer channels is a standard practice, we show that for k = 3 we can cover at least 1/2.09 and for k = 2 we can cover at least 1/2.82. We present a randomized algorithm to select and colour a subset of n disks to achieve these bounds in O(n) expected time. To achieve the weaker bounds of 1/2.77 for k = 3 and 1/3.37 for k = 2 we present a deterministic O(n^2) time algorithm. We also look at what bounds can be proven for arbitrary k, presenting two different methods of deriving bounds for any given k and comparing their performance. One of our methods is an extension of the method used to prove bounds for k = 2 and k = 3 above, while the other method takes a novel approach. Rado's proof is constructive, and uses a regular lattice positioned over the given set of disks to guide disk selection. Our proofs are also constructive and extend this idea: we use a k-coloured regular lattice to guide both disk selection and colouring. The complexity of implementing many of the constructions used in our proofs is dominated by a lattice positioning step. As such, we discuss the algorithmic issues involved in positioning lattices as required by each of our proofs. In particular, we show that a required lattice positioning step used in the deterministic O(n^2) algorithm mentioned above is 3SUM-hard, providing evidence that this algorithm is optimal among algorithms employing such a lattice positioning approach. We also present evidence that a similar lattice positioning step used in the constructions for our better bounds for k = 2 and k = 3 may not have an efficient exact implementation.

The minimum set cover problem is, without question, among the most ubiquitous and well-studied problems in computer science. Its theoretical hardness has been fully characterized--logarithmic approximability has been established, and no sublogarithmic approximation exists unless P=NP. However, the gap between real-world instances and the theoretical worst case is often immense--many covering problems of practical relevance admit much better approximations, or even solvability in polynomial time. Simple combinatorial or geometric structure can often be exploited to obtain improved algorithms on a problem-by-problem basis, but there is no general method of determining the extent to which this is possible. In this thesis, we aim to shed light on the relationship between the structure and the hardness of covering problems. We discuss several measures of structural complexity of set cover instances and prove new algorithmic and hardness results linking the approximability of a set cover problem to its underlying structure. In particular, we provide: - An APX-hardness proof for a wide family of problems that encode a simple covering problem known as Special-3SC. - A class of polynomial dynamic programming algorithms for a group of weighted geometric set cover problems having simple structure. - A simplified quasi-uniform sampling algorithm that yields improved approximations for weighted covering problems having low cell complexity or geometric union complexity. - Applications of the above to various capacitated covering problems via linear programming strengthening and rounding. In total, we obtain new results for dozens of covering problems exhibiting geometric or combinatorial structure. We tabulate these problems and classify them according to their approximability.

This thesis is a contribution to a classical problem in computational and combinatorial geometry: the study of the k-sets of a set V of n points in the plane. First we introduce the notion of convex inclusion chain that is an ordering of the points of V such that no point is inside the convex hull of the points that precede it. Every k-set of an initial sub-sequence of the chain is called a k-set of the chain. We prove that the number of these k-sets is an invariant of V and is equal to the number of regions in the order-k Voronoi diagram of V. We then deduce an online algorithm for the construction of the k-sets of the vertices of a simple polygonal line such that every vertex of this line is outside the convex hull of all its preceding vertices on the line. If c is the total number of k-sets built with this algorithm, the complexity of our algorithm is in O(n log n + c log^2k) and is equal, per constructed k-set, to the complexity of the best algorithm known. Afterward, we prove that the classical divide and conquer algorithmic method can be adapted to the construction of the k-sets of V. The algorithm has a complexity of O(n log n + c log^2k log(n/k)), where c is the maximum number of k-sets of a set of n points. We finally prove that the centers of gravity of the k-sets of a convex inclusion chain are the vertices of a triangulation belonging to the family of so-called centroid triangulations. This family notably contains the dual of the order-k Voronoi diagram. We give an algorithm that builds particular centroid triangulations in O(n log n + k(n- k) log^2 k) time, which is more efficient than all the currently known algorithms.

Geometric covering is a well-studied topic in computational geometry. We study three covering problems: Disjoint Unit-Disk Cover, Depth-(≤ K) Packing and Red-Blue Unit-Square Cover. In the Disjoint Unit-Disk Cover problem, we are given a point set and want to cover the maximum number of points using disjoint unit disks. We prove that the problem is NP-complete and give a polynomial-time approximation scheme (PTAS) for it. In Depth-(≤ K) Packing for Arbitrary-Size Disks/Squares, we are given a set of arbitrary-size disks/squares, and want to find a subset with depth at most K and maximizing the total area. We prove a depth reduction theorem and present a PTAS. In Red-Blue Unit-Square Cover, we are given a red point set, a blue point set and a set of unit squares, and want to find a subset of unit squares to cover all the blue points and the minimum number of red points. We prove that the problem is NP-hard, and give a PTAS for it. A "mod-one" trick we introduce can be applied to several other covering problems on unit squares.