L’objectif de cette thèse était de résoudre le problème d’analyse d’image de façade avec a priori de forme procédurale en vue de l’appliquer à la modélisation 3D d’immeuble à partir d’une seule image. Le cadre de cette thèse se situe à la frontière de l’informatique graphique et de la vision par ordinateur, tant d’un point de vue des méthodes employées que des applications potentielles.Deux approches complémentaires ont été proposées: une méthode dite ascendante qui cherche à regrouper des régions similaires de l’image afin de révéler la structure sous-jacente de la façade ; et une méthode dite descendante basée sur les puissants principes de l’apprentissage par renforcement. Ce nouvel algorithme combine des mesures locales issues de méthodes d’apprentissage supervisé dans une optimisation globale d’un Processus de Décision Markovien, qui découvre la grammaire du bâtiment au fil des itérations.Ces deux méthodes ont été évaluées qualitativement et quantitativement. Les résultats ainsi obtenus, se sont avérés bien meilleurs que l’état de l’art sur le plan de la rapidité, de la qualité de segmentation, mais également au niveau de la flexibilité de la méthode et de ses extensions éventuelles. Cet algorithme a été abondamment testé sur différents types de grammaires de formes, sur différents styles architecturaux, avec différentes mesures sur les images, et s’est avéré particulièrement robuste aux conditions d’illuminations et aux occlusions.En conclusion, les grammaires de formes peuvent être utilisées comme une pierre de Rosette afin de déchiffrer le langage de l’architecture et permettent ainsi de modéliser un bâtiment 3D à partir d’une unique image, à travers un nouvel algorithme issu de l’apprentissage par renforcement. D’une part la méthode développée apporte une réponse au problème de reconstruction urbaine 3D à large échelle à partir d’images, et d’autre part elle laisse entrevoir de potentielles applications de l’apprentissage par renforcement en vision par ordinateur, domaine qui jusqu’alors ne s’y était que très peu intéressé. / The purpose of this thesis was to perform facade image parsing with shape grammars in order to tackle single-view image-based 3D building modeling. The scope of the thesis was lying at the border of Computer Graphics and Computer Vision, both in terms of methods and applications.Two different and complementary approaches have been proposed: a bottom-up parsing algorithm that aimed at grouping similar regions of a facade image so as to retrieve the underlying layout, and a top-down parsing algorithm based on a very powerful framework: Reinforcement Learning. This novel parsing algorithm uses pixel-wise image supports based on supervised learning in a global optimization of a Markov Decision Process.Both methods were evaluated quantitatively and qualitatively. The second one was proved to support various architectures, several shape grammars and image supports, and showed robustness to challenging viewing conditions; illumination and large occlusions. The second method outperformed the state-of-the-art both in terms of segmentation and speed performances. It also provides a much more flexible framework, in which many extensions may be envisioned.The conclusion of this work was that the problem of single-view image-based 3D building modeling could be solved elegantly by using shape grammar as a Rosetta stone to decipher the language of Architecture through a well-suited Reinforcement Learning formulation. This solution was a potential answer to large-scale reconstruction of urban environments from images, but also suggested the possibility of introducing Reinforcement Learning in other vision tasks such as generic image parsing, where it have been barely explored so far.

Submitted by Caroline Falcao (caroline.rfalcao@ufpe.br) on 2017-05-24T17:31:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) BRUNO FERREIRA-protegido - DISSERTAO.pdf: 4975980 bytes, checksum: e85d55190b5c3de6c457c5d296450623 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-24T17:31:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) BRUNO FERREIRA-protegido - DISSERTAO.pdf: 4975980 bytes, checksum: e85d55190b5c3de6c457c5d296450623 (MD5) Previous issue date: 2011-02-24 / Os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) de Matemática pressupõem para a educação fundamental, dentro do bloco de Espaço e Forma, a interpretação e representação de posição e de movimentação no espaço. Entretanto, por diversas razões, o ensino da Geometria Gráfica, disciplina que desenvolve habilidades de visualização espacial necessárias para os requisitos citados dos PCN, tem se enfraquecido na educação básica, tendo como consequência, entre outras, levar ao ensino superior alunos com baixo nível dessa habilidade. Investigações na Área da Expressão Gráfica e da Educação Matemática levantam três tipos de dificuldades: epistemológicas, didáticas e cognitivas. Referente ao uso de tecnologias computacionais, estudos apontam que essas dificuldades podem ser superadas. Porém, o simples uso do computador não garante que ocorram aprendizagens. Nessa direção, propomos investigar os efeitos do uso de um programa de modelagem computacional por alunos de graduação para resolver uma situação problema de Geometria Gráfica Tridimensional. Como hipótese inicial, pressupomos que ao utilizarem o programa as dificuldades com relação à visualização espacial diminuem, contribuindo para os alunos resolverem o problema corretamente. Para nossa investigação, iniciamos com o estudo da Geometria Gráfica Tridimensional, enfocando a questão da representação desde a fisiologia da visão até os métodos de ensino utilizados. Após o estudo histórico e metodológico do método de Monge, enfocamos as questões didático-pedagógicas, abordando as dificuldades de aprendizagem dos alunos. Utilizamos a teoria das Situações Didáticas de Brousseau como norteadora da organização do nosso experimento, preocupando-se com a noção de meio (milieu) e sua importância na construção de situação de aprendizagem. Em nossa metodologia realizamos uma análise a priori para a escolha do programa de modelagem, bem como do problema. Foram sujeitos da pesquisa oito alunos do curso de licenciatura em Expressão Gráfica da UFPE, matriculados na disciplina de Geometria Gráfica Tridimensional I. O Conteúdo escolhido foi “interseção entre planos”. Como instrumento de coleta de dados, utilizamos um teste de visualização espacial, no início do semestre. A situação problema foi aplicada em dois ambientes, em prancheta, com uso dos instrumentos tradicionais de desenho e em laboratório de informática, usando uma ferramenta computacional selecionada, além de entrevistas semiestruturadas após cada aplicação da situação problema. Como técnica de análise utilizamos a “análise de conteúdo” a partir do levantamento de técnicas utilizadas na resolução do problema e nas fases de resolução de problemas em GGT, fases inspiradas de Barros & Santos e Polya. Como resultado, percebemos que o uso do programa de modelagem minimizou as dificuldades quanto à visualização espacial, apesar deste fato não garantir o avanço da resolução do problema em comparação com o uso dos instrumentos tradicionais de desenho. Isso se deve à dificuldade com relação ao próprio conteúdo. Em contrapartida, os alunos realizaram a fase de retrospecto em todo processo operacional, o que antes não ocorria ou somente ocorria no final da resolução. Além disso, a etapa de Exploração proporcionou a elaboração de maior número de técnicas com uso da ferramenta computacional, dando-nos a oportunidade de identificar a gênese das dificuldades dos alunos para, futuramente, elaborar metodologias que minimizem essas dificuldades, conduzindo o aluno a uma aprendizagem efetiva dos conhecimentos em jogo. / Les programmes nationaux d'enseignement (PCN) des mathématiques présuppose pour l'enseignement fondamental, dans le bloc de contenus « Espace et Forme », l'interprétation et la représentation de positions et mouvement dans l'espace. Pour diverses raisons, l'enseignement de la géométrie graphique, discipline que développe les aptitudes de visualisation spatiale nécessaire aux exigences des PCNs cités, a perdu de l'espace dans l'enseignement fondamental, permettant à des élèves ayant ces aptitudes peu développées d'accéder à l'enseignement supérieur. Des recherches dans le domaine de l'expression graphique et de l'enseignement des mathématiques mettent en évidence trois types de difficulté : épistémologiques, didactiques et cognitives. Relativement à l'utilisation de technologies informatiques, des études montrent que ces difficultés peuvent être dépassées, pourtant la simple utilisation de l'ordinateur ne garantit qu'il y ait des apprentissages. Dans ce sens, nous avons proposé d'étudier les effets de l'utilisation par des élèves d'université d'un logiciel de modelage pour résoudre une situation problème de Géométrie Graphique Tri-dimensionnelle. Comme hypothèse initiale, nous avons supposé que par l'utilisation du programme, les difficultés relatives à la visualisation spatiale diminuerai et contribuerai à ce que les élèves résolvent le problème correctement. Pour notre recherche, nous commençons par l'étude de la Géométrie Graphique, nous focalisant sur la question de la représentation graphique de la physiologie de la vision aux méthodes d'enseignement en oeuvre. Après l'étude historique et méthodologique des principes géométriques de Monge, nous avons abordé les questions didactiques-pédagogiques, nous intéressant particulièrement aux difficultés d'apprentissage des élèves. La théorie des situations didactiques de Guy Brousseau nous a servi de guide pour l'organisation de notre expérimentation, nous préoccupant particulièrement de la notion de milieu et son importance dans la construction de situation d'apprentissage. Pour notre méthodologie, nous avons réalisé une analyse a priori pour le choix du logiciel de modelage et de la situation problème. Huit élèves du cours de licenciatura en Expression Graphique de l'UFPE faisant la disciplina de Géométrie Graphique Tri-Dimensionnelle I. Le contenu choisi a été l'intersection entre plans. Comme instrument de collecte des données, nous avons utilisé un test de visualisation spatiale au début du semestre ; une situation-problème appliquée dans deux environnements : planchette avec l'utilisation des instruments classiques de dessin et en laboratoire d'informatique avec le logiciel de modelage sélectionné ; et des interviews semi-structurées après chaque mise en oeuvre de la situation problème. Comme technique d'analyse, nous avons mis en oeuvre l'analyse de contenu à partir de la mise en évidence de techniques utilisées de la résolution de problème et des phases de résolutions de problème en GGT, phases inspirées de Barros & Santos et Polya. Comme résultat, nous avons observé que l'utilisation d'un logiciel de modelage a réduit les difficultés de visualisation spatiale, mais ce fait n'a pas garanti l'avancée dans la résolution de problème en comparaison avec l'utilisation des instruments classiques de dessin. Ceci vient de la difficulté avec le contenu lui-même. En contrepartie, les élèves ont effectué la phase de rétrospective dans tout le processus opérationnel, ce qui n'est pas le cas ou seulement à la fin de la résolution dans l'environnement classique. De plus, l'étape d'exploration a provoqué l'élaboration d'un plus grand nombre de techniques dans l'environnement informatique donnant la possibilité d'identifier la genèse des difficultés des élèves et, dans le futur, élaborer des méthodes que minimisent ces difficultés, amenant les élèves à un apprentissage effectif des connaissances en jeu.

Au croisement des champs du design graphique, des visual studies, et de l’épistémologie, cette thèse interroge la dimension politique du regard, au travers d’une histoire critique de la modernité en design graphique. Empruntant à Bruno Latour ou Philippe Descola, cette histoire permet de faire apparaître comment le design graphique s’est constitué, à l’époque moderne, comme discipline consacrée au travail de la représentation. À l’image des sciences, le visible a lui aussi fait l’objet d’un « Grand partage », contribuant à construire et à structurer notre espace visuel, en imprégnant le regard moderne de ses préjugés et de ses inclinations. Les catégories qui se présentent alors sous une forme visuelle semblent bien pouvoir, par la métaphore, recouvrir des distinctions épistémologiques plus fondamentales, permettant d’une certaine manière de considérer que les principes de vision (les manières de voir) sont aussi des principes de division (des manières de comprendre et de connaître). / From the intersection of the fields of graphic design, visual studies and epistemology, this thesis explores the political dimension of the gaze through a critical reading of modernity in graphic design. In this history, which borrows from Bruno Latour and Philippe Descola, graphic design emerges as a discipline that, in the modern period, has been devoted to the work of representing. Like the sciences, the visible has been subjected to a “Great Divide,” which has participated in how our visual space is constructed and structured by imbuing the modern gaze with its biases and inclinations. Categories that now appear in visual form seem to be able, through metaphor, to contain more fundamental epistemological distinctions. They also allow us to see how the principles of vision (ways of seeing) are in some sense also principles of division (ways of knowing and understanding).

Les interfaces graphiques de logiciels modernes requièrent de plus en plus de s’adapter à diverses situations et divers utilisateurs, rendant leur développement plus complexe. Peu de guides et de solutions à faible coût d’intégration dans un projet existent et sont trop souvent dépendants d’une technologie ou d’une plateforme donnée. Ce mémoire présente une technique pour l’implémentation graduelle de comportements adaptatifs dans les interfaces graphiques par le biais de patrons de conception. Les patrons de conception sont des solutions formalisées répondant à des problèmes récurrents, dans ce cas-ci de structuration d’un logiciel pour l’ajout de l’adaptation. Ces derniers sont présentés dans un format normalisé et une implémentation de référence a été développée sous forme de librairie baptisée AdaptivePy. Un prototype démonstratif est utilisé pour comparer une approche d’implémentation ad hoc à celle utilisant la librairie et donc les patrons. Les gains observés sont au niveau de la séparation des préoccupations, de la cohésion des méthodes, de la localisation des changements pour l’ajout de l’adaptation et de l’extensibilité. Aussi, ce mémoire présente des métriques visant la vérification de l’organisation des composants d’un logiciel structuré par l’application des patrons de conception. Ces métriques sont des indicateurs de la proportion des situations contextuelles du système que supporte un composant. Les métriques et leur calcul sont présentés dans un format basé sur ce- lui de l’ISO/IEC 25023 et une implémentation de référence a également été développée. Une application typique est évaluée grâce aux métriques et des actions correctives sont présentées pour résoudre les problèmes détectés. L’utilité des métriques pour valider une application développée en utilisant la structure induite par les patrons de conception est ainsi mise en évidence. La méthodologie du projet a suivi un processus itératif pour l’élaboration des patrons de conception et la recherche des métriques pour appuyer leur application dans un contexte pratique. Par l’analyse de la littérature pour identifier les concepts communs de l’adaptation et les éléments de mesure dans le domaine de l’adaptation, des solutions plus générales et adaptées à une grande variété de domaines d’application sont proposées. Parmi les contributions du projet sont trois nouveaux patrons de conceptions : Moniteur, Proxy routeur et Composant adaptatif. Aussi, deux métriques spécifiques ont été formalisées : la couverture modélisée de l’espace d’adaptation ainsi que la couverture effective de l’espace d’adaptation. En plus, deux métriques générales supplémentaires sont proposées : la profondeur de l’arbre de substitution et la stabilité de l’adaptation.

La thèse vise à apprécier les effets de la mise en oeuvre d'un dispositif d'ExAO comparativement à d'autres modalités plus classiques de TP (laboratoire traditionnel et exposé d'expériences). L'apprentissage concerné est celui du concept de réaction chimique par des élèves de 5ème au Liban. Les élèves soumis aux trois modalités pédagogiques ont été confrontés à deux reprises à une épreuve commune de connaissances (prétest et post-test). Les données analysées portent de plus sur les comptes rendus d'expérience réalisés par les élèves des trois groupes. Les résultats attestent d'un effet positif plus important de la modalité de travail par ExAO. Du point de vue quantitatif les élèves de ce groupe ont nettement plus progressé que les autres eu égard à la plupart des dimensions de l'apprentissage concerné. D'un point de vue qualitatif, il s'avère en outre que ces élèves ont fait preuve d'un meilleur niveau de compréhension du contenu du TP réalisé. / The thesis aims at assessing the effects of the implementation of MBL compared with two other classic lab work methods (the presentation of lab work and lab work displaying). The course given to students in grade 7 in Lebanon focuses on the concept of chemical reaction. The students in all three groups sat for both a pre-test and a post-test of knowledge, created specifically for this study. The analyzed data cover also the reports made by students of all three groups.The results are consistent with a positive effect of the modality of MBL work. From a quantitative point of view, the students in this group are significantly more advanced than others in relation to the most relevant dimensions of learning. From a qualitative point of view, it also turns out that these students have demonstrated a greater level of understanding of the content of lab work achieved.

Les outils de design graphique traditionnels n’ont que peu évolué depuis leur création, il y a plus de 25 ans. Dans cette thèse, je m’intéresse à deux questions principales: Comment les designers travaillent-ils avec leurs outils de design numériques? Comment peut-on créer de nouveaux outils numériques pour le design qui supportent les pratiques existantes? J’étudie en premier lieu quatre pratiques de design. Celles-ci s'échelonnent depuis des opérations spécifiques telles que la sélection de couleurs, l’alignement et la distribution d’objets graphiques vers des pratiques plus complexes telles que la structuration de la mise en page et la collaboration avec des développeurs pour créer de nouvelles interactions. Dans ces quatre études empiriques, je caractérise le décalage existant entre les outils numériques actuels et les pratiques des designers. Je montre comment les outils du design numérique actuels détachent la créativité de l’utilisation des outils en donnant la priorité à des valeurs telles que l’efficacité et la facilité d’utilisation. Je propose un nouveau type d’outil de design nommé “Substrats Graphiques”, fondé sur les résultats empiriques de mes quatre études et qui combine la souplesse et l'expressivité de la programmation avec la manipulation directe permise par les interfaces graphiques traditionnelles. Je conçois neuf outils différents qui répondent aux attentes identifiées dans mes études empiriques en réifiant (transformant en objets concrets) les processus spécifiques des designers en tant que Substrats Graphiques. À travers quatre observations structurées, je montre comment les designers s’approprient ces substrats dans leurs propres termes. Dans cette thèse, je soutiens que les Substrats Graphiques ouvrent l’espace des possibles des outils pour les designers en permettant de combler l’écart entre la programmation et les interfaces graphiques. / Mainstream digital graphic design tools seldom evolved since their creation, more than 25 years ago. In this dissertation, I address the following questions: How do designers work with design software? And how can we design novel design tools that better support designer practices? Using StoryPortraits, a method designed to capture rich qualitative insight, I first study four designer practices, ranging from specific design operations such as color selection, alignment and distribution, to more complex endeavors such as layout structuring and collaboration with developers. In these empirical studies, I characterize the existing mismatch between current digital design tools and designers practices. I show how design tools, because they decouple creativity from tool use, prioritize values such as efficiency and user-friendliness. Based on my empirical findings, I propose a new type of design tools, Graphical Substrates that combine the strengths of both programming and traditional Graphical User Interfaces. I design nine different tools that address the needs identified in the four empirical studies by reifying specific user process into Graphical Substrates probes. In four structured observation studies, I show how designers can appropriate these probes in their own terms. In this thesis, I argue that Graphical Substrates open the design space of designers' tools by bridging the gap between programming and graphical user interface to better support the wealth of designers' practices.

En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés. / In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software.

La géométrie numérique en temps réel est un domaîne de recherches émergent en informatique graphique.Pour pouvoir générer des images photo-réalistes de haute définition,beaucoup d'applications requièrent des méthodes souvent prohibitives financièrementet relativement lentes.Parmi ces applications, on peut citer la pré-visualisation d'architectures, la réalisation de films d'animation,la création de publicités ou d'effets spéciaux pour les films dits réalistes.Dans ces cas, il est souvent nécessaire d'utiliser conjointement beaucoup d'ordinateurs possédanteux-mêmes plusieurs unités graphiques (Graphics Processing Units - GPUs).Cependant, certaines applications dites temps-réel ne peuvent s'accomoder de telles techniques, car elles requièrentde pouvoir générer plus de 30 images par seconde pour offrir un confort d'utilisationet une intéraction avec des mondes virtuels 3D riches et réalistes.L'idée principale de cette thèse est d'utiliser la synthèse de géométrie,la géométrie numérique et l'analyse géométrique pourrépondre à des problèmes classiques en informatique graphique,telle que la génération de surfaces de subdivision, l'illumination globaleou encore l'anti-aliasing dans des contextes d'intéraction temps-réel.Nous présentons de nouveaux algorithmes adaptés aux architectures matérielles courantes pour atteindre ce but. / Eal-time geometry synthesis is an emerging topic in computer graphics.Today's interactive 3D applications have to face a variety of challengesto fulfill the consumer's request for more realism and high quality images.Often, visual effects and quality known from offline-rendered feature films or special effects in movie productions are the ultimate goal but hard to achieve in real time.This thesis offers real-time solutions by exploiting the Graphics Processing Unit (GPU)and efficient geometry processing.In particular, a variety of topics related to classical fields in computer graphics such assubdivision surfaces, global illumination and anti-aliasing are discussedand new approaches and techniques are presented.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.