The purpose of this thesis is the development of an interactive computer-generated rendering system that provides artists with the ability to create abstract paintings simply and intuitively. This system allows the user to distort a computer-generated environment using image manipulation techniques that are derived from fundamentals of expressionistic art. The primary method by which these images will be abstracted stems from the idea of several small images assembled into a collage that represents multiple viewing points rendered simultaneously. This idea has its roots in the multiple-perspective and collage techniques used by many cubist and futurist artists of the early twentieth century.

Nous nous intéressons à l'acquisition automatique de mouvements 3D de personnes. Cette opération doit être réalisée sans un équipement spécialisé (marqueurs ou habillage spécifique), pour rendre son utilisation générale, sous la contrainte du temps réel. Pour répondre à ces questions, nous sommes amenés à traiter de la reconstruction et l'analyse de la forme 3D. Concernant le problème de reconstruction 3D en temps réel d'entités en mouvement à partir de plusieurs vues, les approches existantes font souvent appel à des calculs complexes incompatibles avec la contrainte du temps réel. Les approches du type SFS offrent un compromis intéressant entre efficacité algorithmique et précision. Ces dernières utilisent les silhouettes issues de chaque caméra pour proposer un volume englobant des objets. Cependant elles nécessitent un environnement particulièrement contraint, dont le placement minutieux des caméras. Les travaux présentés dans ce manuscrit généralisent l'utilisation des approches SFS à des environnements peu contrôlés. L'acquisition du mouvement revient à déterminer les paramètres offrant la meilleure corrélation entre le modèle et la reconstruction 3D. Notre objectif étant le suivi temps réel, nous proposons des méthodes qui offrent la précision requise et le temps réel. Couplé à un suivi temporel par filtre de Kalman, à un recalage d'objets géométriques simples (ellipsoïdes, sphères, etc.), nous proposons un système temps réel, offrant une erreur de l'ordre de 6%.De par sa robustesse, il permet le suivi simultané de plusieurs personnes, même lors de contacts. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives à un transfert vers des applications grand public / We aim at automatically capturing 3D motion of persons without markers. To make it flexible, and to consider interactive applications, we address real-time solution, without specialized instrumentation. Real-time body estimation and shape analyze lead to home motion capture application. We begin by addressing the problem of 3D real-time reconstruction of moving objects from multiple views. Existing approaches often involve complex computation methods, making them incompatible with real-time constraints. Shape-From-Silhouette (SFS) approaches provide interesting compromise between algorithm efficiency and accuracy. They estimate 3D objects from their silhouettes in each camera. However they require constrained environments and cameras placement. The works presented in this document generalize the use of SFS approaches to uncontrolled environments. The main methods of marker-less motion capture, are based on parametric modeling of the human body. The acquisition of movement goal is to determine the parameters that provide the best correlation between the model and the 3D reconstruction.The following approaches, more robust, use natural markings of the body extremities: the skin. Coupled with a temporal Kalman filter, a registration of simple geometric objects, or an ellipsoids' decomposition, we have proposed two real-time approaches, providing a mean error of 6%. Thanks to the approach robustness, it allows the simultaneous monitoring of several people even in contacts. The results obtained open up prospects for a transfer to home applications

La réalité augmentée (RA) consiste en l’insertion d’éléments virtuels dans une scène réelle, observée à travers un écran ou en utilisant un système de projection sur la scène ou l’objet d’intérêt. Les systèmes de réalité augmentée peuvent prendre des différentes formes pour obtenir l’équilibre désiré entre trois critères : précision, latence et robustesse. Il est possible d’identifier trois composants principaux à ces systèmes : localisation, reconstruction et affichage. Les contributions de cette thèse se concentrent essentiellement sur l’affichage et plus particulièrement le rendu des applications de réalité augmentée. À l’opposé des récentes avancées dans le domaine de la localisation et de la reconstruction, l’insertion d’éléments virtuels de façon plausible et esthétique reste une problématique compliquée, mal-posée et peu adaptée à un contexte temps réel. En effet, cette insertion requiert une reconstruction de l’illumination de la scène afin d’appliquer les conditions lumineuses adéquates à l’objet inséré. L’illumination de la scène peut être divisée en plusieurs catégories. Nous pouvons modéliser l’environnement de façon à décrire l’interaction de la lumière incidente et réfléchie pour chaque point 3D d’une surface. Il est également possible d’expliciter l’environnement en calculant la position des sources de lumière, leur type (lampe de bureau, néon, ampoule, ….), leur intensité et leur couleur. Pour insérer un objet de façon cohérente et réaliste, il est primordial d’avoir également une connaissance de la surface recevant l’illumination. Cette interaction lumière/matériaux est dépendante de la géométrie de la surface, de sa composition chimique (matériau) et de sa couleur. Pour tous ces aspects, le problème de reconstruction de l’illumination est difficile, car il est très complexe d’isoler l’illumination sans connaissance a priori de la géométrie, des matériaux de la scène et de la pose de la caméra observant la scène. De manière générale, sur une surface, une source de lumière laisse plusieurs traces telles que les ombres, qui sont créées par l’occultation de rayons lumineux par un objet, et les réflexions spéculaires ou spécularités qui se manifestent par la réflexion partielle ou totale de la lumière. Bien que ces spécularités soient souvent considérées comme des éléments parasites dans les applications de localisation de caméra, de reconstruction ou encore de segmentation, ces éléments donnent des informations cruciales sur la position et la couleur de la source lumineuse, mais également sur la géométrie de la surface et la réflectance du matériau où elle se manifeste. Face à la difficulté du problème de modélisation de la lumière et plus particulièrement du calcul de l’ensemble des paramètres de la lumière, nous nous sommes focalisés, dans cette thèse, sur l’étude des spécularités et sur toutes les informations qu’elles peuvent fournir pour la compréhension de la scène. Plus particulièrement, nous savons qu’une spécularité est définie comme la réflexion d’une source de lumière sur une surface réfléchissante. Partant de cette remarque, nous avons exploré la possibilité de considérer la spécularité comme étant une image issue de la projection d’un objet 3D dans l’espace. Nous sommes partis d’un constat simple, mais peu traité par la littérature qui est que les spécularités présentent une forme elliptique lorsqu’elles apparaissent sur une surface plane. À partir de cette hypothèse, pouvons-nous considérer un objet 3D fixe dans l’espace tel que sa projection perspective dans l’image corresponde à la forme de la spécularité ? Plus particulièrement, nous savons qu’un ellipsoïde projeté perspectivement donne une ellipse. Considérer le phénomène de spécularité comme un phénomène géométrique a de nombreux avantages. (...) / Augmented Reality (AR) consists in inserting virtual elements in a real scene, observed through a screen or a projection system on the scene or the object of interest. The augmented reality systems can take different forms to obtain a balance between three criteria: precision, latency and robustness. It is possible to identify three main components to these systems: localization, reconstruction and display. The contributions of this thesis focus essentially on the display and more particularly the rendering of augmented reality applications. Contrary to the recent advances in the field of localization and reconstruction, the insertion of virtual elements in a plausible and aesthetic way remains a complicated problematic, ill-posed and not adapted to a real-time context. Indeed, this insertion requires a good understanding of the lighting conditions of the scene. The lighting conditions of the scene can be divided in several categories. First, we can model the environment to describe the interaction between the incident and reflected light pour each 3D point of a surface. Secondly, it is also possible to explicitly the environment by computing the position of the light sources, their type (desktop lamps, fluorescent lamp, light bulb, . . . ), their intensities and their colors. Finally, to insert a virtual object in a coherent and realistic way, it is essential to have the knowledge of the surface’s geometry, its chemical composition (material) and its color. For all of these aspects, the reconstruction of the illumination is difficult because it is really complex to isolate the illumination without prior knowledge of the geometry, material of the scene and the camera pose observing the scene. In general, on a surface, a light source leaves several traces such as shadows, created from the occultation of light rays by an object, and the specularities (or specular reflections) which are created by the partial or total reflection of the light. These specularities are often described as very high intensity elements in the image. Although these specularities are often considered as outliers for applications such as camera localization, reconstruction or segmentation, these elements give crucial information on the position and color of the light source but also on the surface’s geometry and the material’s reflectance where these specularities appear. To address the light modeling problem, we focused, in this thesis, on the study of specularities and on every information that they can provide for the understanding of the scene. More specifically, we know that a specularity is defined as the reflection of the light source on a shiny surface. From this statement, we have explored the possibility to consider the specularity as the image created from the projection of a 3D object in space.We started from the simple but little studied in the literature observation that specularities present an elliptic shape when they appear on a planar surface. From this hypothesis, can we consider the existence of a 3D object fixed in space such as its perspective projection in the image fit the shape of the specularity ? We know that an ellipsoid projected perspectivally gives an ellipse. Considering the specularity as a geometric phenomenon presents various advantages. First, the reconstruction of a 3D object and more specifically of an ellipsoid, has been the subject to many publications in the state of the art. Secondly, this modeling allows a great flexibility on the tracking of the state of the specularity and more specifically the light source. Indeed, if the light is turning off, it is easy to visualize in the image if the specularity disappears if we know the contour (and reciprocally of the light is turning on again). (...)

Das computergrafische Abbildungsverfahren zur Verwirklichung von dreidimensionalen Darstellungen ist ein wichtiges Instrument für die Gestaltung interaktiver 3D-Benutzerschnittstellen. Die Betrachtung von Projektionsverfahren abseits des bisher angestrebten Fotorealismus dokumentiert, dass durch nichtlineare und multiperspektivische Darstellungen spezifische Eigenschaften und Charakteristiken eines Datenbestandes vermittelt werden können. Dabei wird deutlich, dass konzeptionelle und methodische Unzulänglichkeiten den erfolgreichen Einsatz von unkonventionellen linearen sowie nichtlinearen Darstellungsformen in 3D-Anwendungen bisher einschränken. In dieser Arbeit werden daher Darstellungstechniken analysiert und systematisiert, die durch den computergrafischen Projektionsvorgang erzeugt und für die Verwirklichung von Visualisierungszielen eingesetzt werden können. Ferner werden für den spezifischen Einsatz von komponierten Visualisierungsverfahren in 3D-Benutzerschnittstellen Gestaltungshinweise formuliert. Darauf aufbauend erfolgt die Einführung einer modellbasierten Vorgehensweise, durch welche die systematisierten Visualisierungsformen in einem methodischen und ferner entwurfsmustergestützten Entwurfsprozess zur Entwicklung interaktiver 3D-Interfaces eingebunden und weiterhin in einer interaktiven 3D-Anwendung eingesetzt werden können.

Das computergrafische Abbildungsverfahren zur Verwirklichung von dreidimensionalen Darstellungen ist ein wichtiges Instrument für die Gestaltung interaktiver 3D-Benutzerschnittstellen. Die Betrachtung von Projektionsverfahren abseits des bisher angestrebten Fotorealismus dokumentiert, dass durch nichtlineare und multiperspektivische Darstellungen spezifische Eigenschaften und Charakteristiken eines Datenbestandes vermittelt werden können. Dabei wird deutlich, dass konzeptionelle und methodische Unzulänglichkeiten den erfolgreichen Einsatz von unkonventionellen linearen sowie nichtlinearen Darstellungsformen in 3D-Anwendungen bisher einschränken. In dieser Arbeit werden daher Darstellungstechniken analysiert und systematisiert, die durch den computergrafischen Projektionsvorgang erzeugt und für die Verwirklichung von Visualisierungszielen eingesetzt werden können. Ferner werden für den spezifischen Einsatz von komponierten Visualisierungsverfahren in 3D-Benutzerschnittstellen Gestaltungshinweise formuliert. Darauf aufbauend erfolgt die Einführung einer modellbasierten Vorgehensweise, durch welche die systematisierten Visualisierungsformen in einem methodischen und ferner entwurfsmustergestützten Entwurfsprozess zur Entwicklung interaktiver 3D-Interfaces eingebunden und weiterhin in einer interaktiven 3D-Anwendung eingesetzt werden können.

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This dissertation examines the nature, scope, and significance of a new pedagogical approach to teaching of views on nature of science (VNOS) to high school students. Educational approaches based on teaching ‘correct’ VNOS continue to be dominated by the epistemology of logical empiricism and, as I will point out, these approaches are inadequate to address the issues of VNOS. I assert and the findings presented in this dissertation offer evidence that students’ VNOS are dynamic and context-based. In this research I used filmmaking to explore students’ VNOS. High school students, supported by a professional filmmaking crew, completed a short film entitled, The Shadows of Hope; this film explores the use of scientific knowledge in understanding everyday life problems. The filmmaking environment introduced simultaneously a number of contexts in which students’ VNOS were concurrently collected using mixed methods methodology. The results show that contexts sway students’ VNOS and generate a variety of the VNOS for each student. Evidence shows that there is a common, theme-based pattern to individual students’ set of VNOS. The variety of expressed VNOS seemed natural to the students, with no registered discomfort. However, in this study a contrast between students’ VNOS and their ‘school-based’ understanding of science also became apparent. This is evidence that cognitive dissonance is not sufficient to explain the full spectrum of ways in which students learn, deepen knowledge and arrive to conceptual change. I assert that including cognitive contextual expansion in our understanding of conceptual change is essential to provide a framework that allows to integrate cognitive diversity into the theory of learning, reflecting a perhaps more natural way human mind works. The project’s findings offer evidence that students’ VNOS deepened and expanded through filmmaking; students arrived to a more examined and mature VNOS while enjoying the activity of making a film. There is evidence that cooperation with a professional team provided students with a feeling of respect and pride. Filmmaking offers a robust way of learning, based on collaborative work that enlivens a large number of learning-enhancing activities. Additional resources and a Brief Guide For Teachers are added to this text to support teachers in adopting filmmaking as a unique pedagogical method. / Graduate / 0714 / 0900 / 0533 / akottova@uvic.ca