La génération d'images de synthèse pour la production cinématographique n'a cessé d'évoluer durant ces dernières décennies. Pour le non-expert, il semble que les effets spéciaux aient atteint un niveau de réalisme ne pouvant être dépassé. Cependant, les logiciels mis à la disposition des artistes ont encore du progrès à accomplir. En effet, encore trop de temps est passé à attendre le résultat de longs calculs, notamment lors de la prévisualisation d'effets spéciaux. La lenteur ou la mauvaise qualité des logiciels de prévisualisation pose un réel problème aux artistes. Cependant, l'évolution des cartes graphiques ces dernières années laisse espérer une potentielle amélioration des performances de ces outils, notamment par la mise en place d'algorithmes hybrides rasterisation/ lancer de rayons, tirant profit de la puissance de calcul de ces processeurs, et ce, grâce à leur architecture massivement parallèle. Cette thèse explore les différentes briques logicielles nécessaires à la mise en place d'un pipeline de rendu complexe sur carte graphique, permettant une meilleure prévisualisation des effets spéciaux. Différentes contributions ont été apportées à l'entreprise durant cette thèse. Tout d'abord, un pipeline de rendu hybride a été développé (cf. Chapitre 2). Par la suite, différentes méthodes d'implémentation de l'algorithme de Path Tracing ont été testées (cf. Chapitre 3), de façon à accroître les performances du pipeline de rendu sur GPU. Une structure d'accélération spatiale a été implémentée (cf. Chapitre 4), et une amélioration de l'algorithme de traversée de cette structure sur GPU a été proposée (cf. Section 4.3.2). Ensuite, une nouvelle méthode de décorrélation d'échantillons, dans le cadre de la génération de nombres aléatoires a été proposée (cf. Section 5.4) et a donné lieu à une publication [Dufay et al., 2016]. Pour finir, nous avons tenté de combiner l'algorithme de Path Tracing et les solutions Many Lights, toujours dans le but d'améliorer la prévisualisation de l'éclairage global. Cette thèse a aussi donné lieu à la soumission de trois mémoires d'invention et a permis le développement de deux outils logiciels présentés en Annexe A. / Image synthesis for movie production never stopped evolving over the last decades. It seems it has reached a level of realism that cannot be outperformed. However, the software tools available for visual effects (VFX) artists still need to progress. Indeed, too much time is still wasted waiting for results of long computations, especially when previewing VFX. The delays or poor quality of previsualization software poses a real problem for artists. However, the evolution of graphics processing units (GPUs) in recent years suggests a potential improvement of these tools. In particular, by implementing hybrid rasterization/ray tracing algorithms, taking advantage of the computing power of these processors and their massively parallel architecture. This thesis explores the different software bricks needed to set up a complex rendering pipeline on the GPU, that enables a better previsualization of VFX. Several contributions have been brought during this thesis. First, a hybrid rendering pipeline was developed (cf. Chapter 2). Subsequently, various implementation schemes of the Path Tracing algorithm have been tested (cf. Chapter 3), in order to increase the performance of the rendering pipeline on the GPU. A spatial acceleration structure has been implemented (cf. Chapter 4), and an improvement of the traversal algorithm of this structure on GPU has been proposed (cf. Section 4.3.2). Then, a new sample decorrelation method, in the context of random number generation was proposed (cf. Section 5.4) and resulted in a publication [Dufay et al., 2016]. Finally, we combined the Path Tracing algorithm with the Many Lights solution, always with the aim of improving the preview of global illumination. This thesis also led to the submission of three patents and allowed the development of two software tools presented in Appendix A.

La simulation numérique génère des maillages de plus en plus gros pouvant atteindre plusieurs dizaines de millions de tétraèdres. Ces ensembles doivent être visuellement analysés afin d'acquérir des connaissances relatives aux données physiques simulées pour l'élaboration de conclusions. Les capacités de calcul utilisées pour la visualisation scientifique de telles données sont souvent inférieures à celles mises en oeuvre pour les simulations numériques. L'exploration visuelle de ces ensembles massifs est ainsi difficilement interactive sur les stations de travail usuelles. Au sein de ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche interactive pour l'exploration visuelle de maillages tétraédriques massifs pouvant atteindre plus de quarante millions de cellules. Elle s'inscrit pleinement dans le procédé de génération des simulations numériques, reposant sur deux maillages à résolution différente -- un fin et un grossier -- d'une même simulation. Une partition des sommets fins est extraite guidée par le maillage grossier permettant la reconstruction à la volée d'un maillage dit birésolution, mélange des deux résolutions initiales, à l'instar des méthodes multirésolution usuelles. L'implantation de cette extraction est détaillée au sein d'un processeur central, des nouvelles générations de cartes graphiques et en mémoire externe. Elles permettent d'obtenir des taux d'extraction inégalés par les précédentes approches. Afin de visualiser ce maillage, un nouvel algorithme de rendu volumique direct implanté entièrement sur carte graphique est proposé. Un certain nombre d'approximations sont réalisées et évaluées afin de garantir un affichage interactif des maillages birésolution.

Depuis le début de la contre-réforme des mathématiques modernes, l'enseignement de la notion de fonction au début du lycée en France a subi de profondes mutations. Une des tendances les plus importantes concerne le renforcement progressif de l'utilisation des divers modes de représentation des fonctions. Ainsi parallèlement à une diminution de la suprématie du registre algébrique, le registre graphique a acquis de nouveaux droits et il y a également une injonction forte à utiliser dans des conditions nouvelles les objets tableaux de valeurs et de variations. Notre hypothèse de recherche est, suite aux travaux de Duval, que c'est de la multiplicité des registres possibles que le concept et ses propriétés vont se dégager. <br />Dans notre travail, nous menons tout d'abord une analyse institutionnelle de la notion de fonction dans une perspective écologique pour dégager les différents systèmes de contraintes et de conditions qui pèsent sur les évolutions de ce savoir au cours du processus de transposition didactique interne. Ce travail s'inscrit dans une perspective commençant dans les années 80, au début de la période de la contre-réforme des mathématiques modernes. Nous faisons ensuite un état des lieux de l'enseignement actuel pour voir comment ont été traitées les nouveautés du programme par les manuels actuels et les enseignants (sur la base d'un questionnaire). Nous faisons également un état des lieux des compétences des élèves, à travers un test papier. <br />A la lumière des analyses précédentes, nous déterminons certaines caractéristiques de l'organisation praxéologique proposée par les nouveaux programmes de 2000 autour de la notion de fonction qui ont du mal à vivre dans l'enseignement. Nous proposons enfin une ingénierie didactique visant à faire fonctionner ces aspects du programme dans les classes et à en tester la viabilité à travers une expérimentation.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine des bases de données orientées objet ; elle propose des solutions pour décrire et manipuler des bases de données intégrant des versions. Le concept de version est nécessaire dans de nombreux domaines d'application comme la gestion de documentations techniques, la conception assistée par ordinateur et le génie logiciel. Les versions permettent notamment de conserver et manipuler l'évolution des entités du monde réel gérées dans de tels domaines. Différentes gestions de versions sont possibles. Certains travaux gèrent des versions de base ou d'une partie de base pour décrire l'évolution globale d'une base de données ; notre étude s'intéresse, quant à elle, à la représentation de l'évolution de chaque entité décrite dans la base, de manière indépendante. Nous proposons, d'une part, un modèle conceptuel intégrant la gestion de versions d'objets et de classes. Les relations de composition et d'association, dont la sémantique est affinée à l'aide de cardinalités, intègrent les versions pour des entités complexes. De telles relations, incluant les versions, induisent des contraintes d'intégrité structurelle complexes, dont nous faisons l'étude. D'autre part, nous proposons un langage pour manipuler ce type de bases de données. Ce langage permet notamment une interrogation de type Select From Where qui prend en compte les spécificités liées aux versions ; les différents niveaux d'abstraction liés aux versions c'est-à-dire les forêts de dérivation, les arbres et les versions, peuvent être exploités lors d'une interrogation. Une réalisation du modèle et du langage est effectuée au sein d'un prototype. Ce prototype est une interface destinée à des utilisateurs occasionnels, en permettant de manipuler graphiquement une base de données intégrant des versions.

Ces travaux de recherche sont axés sur la modélisation et la simulation des tissus mous pour le vivant.<br />Nous avons proposé un nouveau modèle mécanique discret qui permet de simuler des interactions entre objets biologiques ou médicaux, et développé un environnement et des outils logiciels afin de fournir un cadre pour la comparaison et la validation de modèles physiques.<br />Cet environnement a ainsi permis de comparer mon modèle à d'autres approches.<br /><br />Le modèle développé a été utilisé dans différentes problématiques applicatives cliniques et de biologie.<br />En GMCAO il s'agit d'aider le chirurgien ou le praticien dans son diagnostic (étude et simulation des mouvements respiratoires) ou dans son geste (modélisation de la prostate et des gestes de biopsie et de curiethérapie). <br />En biologie cellulaire, il s'agit d'étudier des phénomènes au niveau cellulaire ou de reproduire des expériences de micro-manipulations dont les modèles classiquement utilisés dans ce contexte ne rendent pas bien compte.<br /><br />Ce mémoire peut se décomposer en trois parties : le chapitre 1 présente une introduction générale au sujet de la modélisation des tissus mous pour les GMCAO et la biologie cellulaire ; les chapitres 2 à 5 présentent mes travaux de modélisation et de validation et leurs applications ; enfin, le chapitre 6 présente mes perspectives de recherche.<br />On trouvera en annexe A une synthèse de mes activités dans un CV court.<br />Ces travaux ont donné lieu à des encadrements d'étudiants (annexe B) et à des collaborations scientifiques et cliniques (annexe C).<br />Un résumé de mes contributions ainsi que les publications scientifiques et cliniques les plus significatives sont présentés en annexes D et E.

The notion of visibility is central in computer graphics and computational geometry. A visibility computation amounts to determining the shape, or merely the existence of the set of segments in space linking two specified objects without crossing any other. We examine the problem of maintaining the visibility of a moving viewpoint with the aid of a complex describing all the visibility relationships in a scene, at once: the visibility complex. <br />We take two different approaches to this problem. In one, we show how one can maintain the so-called visibility polyhedron of the moving point, in an exact fashion. We apply a variant of the algorithm to the construction of the visibility complex of a set of disjoint polytopes. <br />The second approach is motivated by the need to render complex 3D scenes at interactive rates. We propose an algorithm that decomposes a 3D scene into simple cells related together with simple visibility relationships represented as a graph. The scene is drawn as the graph is traversed, allowing pruning to speed up rendering. We also provide an efficient algorithm for real-time rendering of hard shadows.

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A travers l'étude du système de synthèse d'images réalistes HELIOS, le lecteur pourra au fil des chapitres mesurer la progression technique d'une version du terminal a une autre: HELIOS-I: configuration calculateur satellite, HELIOS-II et III: configuration Console évoluée, GETRIS: configuration station de travail et version commercialisée par la société grenobloise GETRIS-IMAGES. Une attention particulière est portée sur l'impact du choix de conception d'une architecture par rapport aux performances obtenues en temps réel pour des images réalistes en trois dimensions (processeurs, interface de communication, type de mémoires etc)

Cette thèse propose un environnement pour la spécification et l'analyse des processus parallèles communicants et décrit en détail la partie de cet environnement qui permet de spécifier chaque processus et de construire des réseaux de processus. Un langage permet de décrire l'activité de communication de chaque processus et des opérateurs décrivent les constructions de réseaux. De plus, toute description de processus ou de réseau peut être rangée dans une base de données et associées à une représentation graphique. Cette représentation peut être utilisée pour construire des réseaux et de telles constructions sont traduites sous forme d'expression utilisant les opérateurs de construction. Enfin, le calcul du processus résultant d'une construction est présenté et un algorithme d'optimisation est proposé

La complexité visuelle des objets ne réside pas uniquement dans leurs formes, mais également dans l'apparence de leurs surfaces. Les détails de surface ne sont pas nécessaires à la compréhension des<br />formes. Ils sont cependant primordiaux pour enrichir l'aspect visuel des images produites, et répondre aux besoins croissants de réalisme des applications graphiques modernes (jeux vidéos, effets spéciaux,<br />simulateurs).<br />En synthèse d'image, les modèles d'habillage de surface, tels que le placage de texture, sont utilisés conjointement à la représentation des formes pour enrichir l'aspect des objets. Ils permettent de représenter les variations des propriétés du matériau le long de la surface, et ainsi de créer de nombreux détails, allant de fins motifs colorés à des aspects rugueux ou abimés.<br />Cependant, la demande croissante de l'industrie, en terme de richesse, de qualité et de finesse de détails, implique une utilisation des ressources toujours plus grande : quantité de données à stocker, temps et difficulté de création pour les artistes, temps de calcul des images. Les modèles d'habillage de surface actuels, en particulier le placage de texture, ne permettent plus de répondre efficacement à toutes les situations.<br />Nous proposons dans cette thèse de nouveaux modèles d'habillage, qui permettent d'atteindre de très hautes résolutions de détails sur les surfaces, avec peu de mémoire, un temps de création réduit et avec des performances interactives : nous les avons conçus pour les processeurs graphiques programmables récents. Nos approches sont multiples : combinaison semi-automatique de motifs sur la surface, gestion de texture dépendante du point de vue, méthodes basées sur des textures hiérarchiques pour éviter le recours à une paramétrisation planaire globale. Nous proposons également, à titre d'exemple, des applications concrètes de nos modèles d'habillage génériques à des cas difficiles, voire impossibles, à réaliser auparavant.