Les images réalistes peuvent être obtenues en simulant le transport de lumière à l'aide de méthodes de type Monte-Carlo. La possibilité d'utiliser des sources de lumières réalistes pour synthétiser des images contribue grandement au réalisme physique des images obtenues. Parmi les modèles existants, ceux qui reposent sur les cartes d'environnements ou des champs lumineuse sont particulièrement intéressants parce qu'ils permettent d'une part, de capturer adéquatement les effets de champs proches et champs lointains et d'autre part, ils peuvent être mesurés de manière directe. Comme les sources de lumières mesurées peuvent contenir des hautes fréquences et peuvent être de haute dimensionnalité (4D), leur utilisation dans le contexte de la synthèse d'images temps-réel pose des problèmes de performance. Dans cette thèse, nous nous recherchons un compromis entre précision de la représentation et efficacité de la simulation. Le travail effectué repose sur un échantillonnage de haute qualité des sources de lumière pour les méthodes non-biaisées de Monte Carlo. Nous introduisons de nouvelles techniques d'échantillonnage pour le rendu physico-réaliste avec des cartes d'environnement qui varient temporellement ainsi que pour des sources de lumière des champs lumineuse. Les résultats obtenus montrent que l'on peut obtenir un rendu physiquement réaliste, précis et temps réel avec des sources lumière réalistes.

L’étude engagée dans cette thèse consiste à mettre en place une modélisation numérique fiable et complète du transport et du dépôt des particules dans un écoulement pulmonaire en se basant sur l’utilisation du code de calcul commercial CFD-ACE. Ce code intègre un solveur fluide qui résout les équations de Navier-Stokes incompressibles dans une formulation volumes finis. Le logiciel CFD-GEOM a été utilisé pour créer les surfaces en 3D de la géométrie générique du modèle de Weibel et ainsi générer le maillage non-structuré tétraèdrique en volumes finis. Dans le cadre de ce travail, il est supposé que le flux d’air est laminaire, stationnaire (ou instationnaire uniquement dans les modèles bronchiques) et incompressible ; les particules de diamètre 5μm sont sphériques et sans interaction. Le pourcentage global et local du dépôt des particules dans les poumons peut s’exprimer comme une efficacité de dépôt et se définit par le rapport entre le nombre de particules déposées dans une région donnée et le nombre total de particules admises initialement à l’entrée de la conduite. L’efficacité de dépôt dépend fortement du nombre de Stokes d’entrée, des conditions d’admission en termes de profil de vitesse du fluide (nombre de Reynolds d’entrée), de la distribution et des caractéristiques des particules. Nous avons donc modélisé avec succès les écoulements ainsi que le transport et le dépôt de particules dans des configurations simples (modèles de Weibel) et des configurations réalistes (poumons de rat et du lapin) et ce que l’on en peut dire c’est que la simulation, bien que coûteuse (surtout pour le dépôt des particules), ne présente pas de difficultés insurmontables. Par contre l’obtention d’une géométrie réaliste et la génération du maillage associé reste une étape délicate. / The study undertaken in this thesis is to develop a reliable and comprehensive numerical modeling of transport and deposition of particles in pulmonary flow based on the use of CFDACE computer code. This code includes a fluid solver that solves the Navier-Stokes in a finite volume formulation. The CFD-GEOM software was used to create 3D surfaces of the geometry of the generic model of Weibel and generate the unstructured tetrahedral finite volume mesh. As part of this work, it is assumed that the airflow is laminar, steady (unsteady only in bronchial models) ; the particles of diameter 5μm are spherical and noninteracting. The percentage of global and local particle deposition in the lungs can be expressed as a deposition efficiency and is defined as the ratio between the number of particles deposited in a given area and the total number of particles initially admitted to the entrance of lungs. The deposition efficiency depends strongly on the Stokes number of entry, the airflow fluid velocity profile (Reynolds number at the inlet), the distribution and characteristics of particles. We have successfully modeled the flow, the transport and deposition of particles in simple configurations (models of Weibel), realistic configurations (lungs of rats and rabbits) and we can conclude that the simulation, al though expensive in terms of computer memory & time (especially for particle deposition), does not present insurmountable difficulties. On the other hand, obtaining a realistic geometry and mesh generation main a challenge.

Les PBDEs appartiennent à la famille des retardateurs de flamme bromés, substances massivement utilisés ces dernières décennies. Ces molécules sont aujourd’hui retrouvées de façon ubiquitaire dans l’environnement extérieur et intérieur. L’Homme est exposé à ces polluants par le biais de l’alimentation et de l’ingestion/inhalation de poussières ménagères ou industrielles contaminées. Leurs propriétés lipophiles et leur persistance sont à l’origine de leur bioaccumulation dans les matrices abiotiques et biologiques (lait, sérum…). Les travaux de recherche de cette thèse ont eu pour objectif d’évaluer l’impact d’une exposition à un polluant environnemental toxique et très répandu, le BDE-99, administré dans des conditions reflétant l’exposition humaine. Ainsi, les effets d’une administration de longue durée à des doses réalistes de BDE-99 (0,15, 1,5 et 15 µg/kg/j) ont été évalués au plan neurocomportemental et physiologique chez le rat mâle de souche Sprague-Dawley. Aucune altération de l’activité, de l’anxiété et des fonctions cognitives n’a été mise en évidence que les animaux aient été traités à l’âge adulte, à partir du sevrage ou à partir du 8ème jour de vie postnatale. Les seules variations comportementales significatives observées ont été des troubles transitoires de la coordination locomotrice ainsi qu’un retard d’une journée de l’ouverture des yeux chez les animaux traités avec le BDE-99 depuis l’âge de 8 jours. Au plan physiologique, aucune variation significative de l’évolution pondérale, des prises hydrique et alimentaire ainsi que du poids de plusieurs organes (foie, cerveau, reins, rate et thymus) n’a été observée quelle que soit la dose de BDE-99 administrée et la période d’exposition considérée. Ces résultats montrent donc que ce polluant administré chez le rat à des doses réalistes, reflétant celles auxquelles l’Homme est réellement exposé, n’est pas à même d’induire une toxicité neurocomportementale que les animaux aient contaminés à l’âge adulte ou bien lors de différentes phases du développement postnatal. Le fait d’avoir utilisé des doses correspondantes au niveau d’exposition environnemental est sans aucun doute à la base des discordances observées entre les résultats de ce travail et ceux des études publiées par ailleurs, soulignant ainsi la nécessité de réaliser des modèles d’exposition les plus pertinents possibles de la réalité humaine pour pouvoir conclure au mieux quant au risque lié à cette famille de contaminants pour la santé humaine. / PBDEs belong to flame retardants, substances heavily used in recent decades. These molecules are now found ubiquitously in the environment outside and inside. Humans are exposed to these pollutants through diet and ingestion/inhalation of household dust or contaminated industrial dust. Their lipophilic properties and their persistence are the cause of their bioaccumulation in abiotic and biological matrices (milk, serum ...). The research works of this thesis was aimed to assess the impact of exposure to a toxic environmental pollutant and very prevalent, BDE-99, administered in conditions reflecting the human exposure. Thus, the effects of long-term exposure to realistic doses of BDE-99 (0.15, 1.5 and 15 µg/kg/day) were evaluated in terms neurobehavioral and physiological in male Sprague-Dawley rats. No alteration of the activity, anxiety and cognitive function has been highlighted that the animals were treated in adulthood, from weaning or from the 8th day of postnatal life. The only significant behavioral variations observed were transient locomotor coordination disorders and a delay of one day of eye opening in animals treated with BDE-99 from the age of 8 days. On a physiological level, no significant variation in body weight change, food and water consumption and weight of several organs (liver, brain, kidneys, spleen and thymus) was observed whatever the dose of BDE-99 administered and the exposure period considered. These results show that this pollutant administered to rats at realistic doses, reflecting those to which humans are actually exposed, is not able to induce neurobehavioral toxicity that the animal are contaminated in adulthood or at different phases of postnatal development. The fact to have used corresponding the level of environmental exposure is undoubtedly the basis of discrepancies observed between the results of this work and those of the published studies elsewhere, underscoring the necessity to realize exposure models the most possible relevant in order to able to conclude at best about risk associated with this family of contaminants to human health.

On peut atteindre des images réalistes par la simulation du transport lumineuse avec des méthodes de Monte-Carlo. La possibilité d’utiliser des sources de lumière réalistes pour synthétiser les images contribue grandement à leur réalisme physique. Parmi les modèles existants, ceux basés sur des cartes d’environnement ou des champs lumineuse sont attrayants en raison de leur capacité à capter fidèlement les effets de champs lointain et de champs proche, aussi bien que leur possibilité d’être acquis directement. Parce que ces sources lumineuses acquises ont des fréquences arbitraires et sont éventuellement de grande dimension (4D), leur utilisation pour un rendu réaliste conduit à des problèmes de performance.Dans ce manuscrit, je me concentre sur la façon d’équilibrer la précision de la représentation et de l’efficacité de la simulation. Mon travail repose sur la génération des échantillons de haute qualité à partir des sources de lumière par des estimateurs de Monte-Carlo non-biaisés. Dans ce manuscrit, nous présentons trois nouvelles méthodes.La première consiste à générer des échantillons de haute qualité de manière efficace à partir de cartes d’environnement dynamiques (i.e. qui changent au cours du temps). Nous y parvenons en adoptant une approche GPU qui génère des échantillons de lumière grâce à une approximation du facteur de forme et qui combine ces échantillons avec ceux issus de la BRDF pour chaque pixel d’une image. Notre méthode est précise et efficace. En effet, avec seulement 256 échantillons par pixel, nous obtenons des résultats de haute qualité en temps réel pour une résolution de 1024 × 768. La seconde est une stratégie d’échantillonnage adaptatif pour des sources représente comme un "light field". Nous générons des échantillons de haute qualité de manière efficace en limitant de manière conservative la zone d’échantillonnage sans réduire la précision. Avec une mise en oeuvre sur GPU et sans aucun calcul de visibilité, nous obtenons des résultats de haute qualité avec 200 échantillons pour chaque pixel, en temps réel et pour une résolution de 1024×768. Le rendu est encore être interactif, tant que la visibilité est calculée en utilisant notre nouvelle technique de carte d’ombre (shadow map). Nous proposons également une approche totalement non-biaisée en remplaçant le test de visibilité avec une approche CPU. Parce que l’échantillonnage d’importance à base de lumière n’est pas très efficace lorsque le matériau sous-jacent de la géométrie est spéculaire, nous introduisons une nouvelle technique d’équilibrage pour de l’échantillonnage multiple (Multiple Importance Sampling). Cela nous permet de combiner d’autres techniques d’échantillonnage avec le notre basé sur la lumière. En minimisant la variance selon une approximation de second ordre, nous sommes en mesure de trouver une bonne représentation entre les différentes techniques d’échantillonnage sans aucune connaissance préalable. Notre méthode est pertinence, puisque nous réduisons effectivement en moyenne la variance pour toutes nos scènes de test avec différentes sources de lumière, complexités de visibilité et de matériaux. Notre méthode est aussi efficace par le fait que le surcoût de notre approche «boîte noire» est constant et représente 1% du processus de rendu dans son ensemble. / Realistic images can be rendered by simulating light transport with Monte Carlo techniques. The possibility to use realistic light sources for synthesizing images greatly contributes to their physical realism. Among existing models, the ones based on environment maps and light fields are attractive due to their ability to capture faithfully the far-field and near-field effects as well as their possibility of being acquired directly. Since acquired light sources have arbitrary frequencies and possibly high dimension (4D), using such light sources for realistic rendering leads to performance problems.In this thesis, we focus on how to balance the accuracy of the representation and the efficiency of the simulation. Our work relies on generating high quality samples from the input light sources for unbiased Monte Carlo estimation. In this thesis, we introduce three novel methods.The first one is to generate high quality samples efficiently from dynamic environment maps that are changing over time. We achieve this by introducing a GPU approach that generates light samples according to an approximation of the form factor and combines the samples from BRDF sampling for each pixel of a frame. Our method is accurate and efficient. Indeed, with only 256 samples per pixel, we achieve high quality results in real time at 1024 × 768 resolution. The second one is an adaptive sampling strategy for light field light sources (4D), we generate high quality samples efficiently by restricting conservatively the sampling area without reducing accuracy. With a GPU implementation and without any visibility computations, we achieve high quality results with 200 samples per pixel in real time at 1024 × 768 resolution. The performance is still interactive as long as the visibility is computed using our shadow map technique. We also provide a fully unbiased approach by replacing the visibility test with a offline CPU approach. Since light-based importance sampling is not very effective when the underlying material of the geometry is specular, we introduce a new balancing technique for Multiple Importance Sampling. This allows us to combine other sampling techniques with our light-based importance sampling. By minimizing the variance based on a second-order approximation, we are able to find good balancing between different sampling techniques without any prior knowledge. Our method is effective, since we actually reduce in average the variance for all of our test scenes with different light sources, visibility complexity, and materials. Our method is also efficient, by the fact that the overhead of our "black-box" approach is constant and represents 1% of the whole rendering process.

L'étude engagée dans cette thèse consiste à mettre en place une modélisation numérique fiable et complète du transport et du dépôt des particules dans un écoulement pulmonaire en se basant sur l'utilisation du code de calcul commercial CFD-ACE. Ce code intègre un solveur fluide qui résout les équations de Navier-Stokes incompressibles dans une formulation volumes finis. Le logiciel CFD-GEOM a été utilisé pour créer les surfaces en 3D de la géométrie générique du modèle de Weibel et ainsi générer le maillage non-structuré tétraèdrique en volumes finis. Dans le cadre de ce travail, il est supposé que le flux d'air est laminaire, stationnaire (ou instationnaire uniquement dans les modèles bronchiques) et incompressible ; les particules de diamètre 5μm sont sphériques et sans interaction. Le pourcentage global et local du dépôt des particules dans les poumons peut s'exprimer comme une efficacité de dépôt et se définit par le rapport entre le nombre de particules déposées dans une région donnée et le nombre total de particules admises initialement à l'entrée de la conduite. L'efficacité de dépôt dépend fortement du nombre de Stokes d'entrée, des conditions d'admission en termes de profil de vitesse du fluide (nombre de Reynolds d'entrée), de la distribution et des caractéristiques des particules. Nous avons donc modélisé avec succès les écoulements ainsi que le transport et le dépôt de particules dans des configurations simples (modèles de Weibel) et des configurations réalistes (poumons de rat et du lapin) et ce que l'on en peut dire c'est que la simulation, bien que coûteuse (surtout pour le dépôt des particules), ne présente pas de difficultés insurmontables. Par contre l'obtention d'une géométrie réaliste et la génération du maillage associé reste une étape délicate.

La reconstruction de routes est un sujet important dans le domaine de la modélisation 3D. Nous proposons dans cette thèse des méthodes pour construire des modèles de réseaux routiers réalistes à partir de données SIG.Tout d'abord, les problèmes de la reconstruction d'un simple axe de route à partir d'une polyligne sont étudiés. Nous présentons un modèle de courbe par morceaux G1 qui est non seulement fidèle à l'axe de la route réelle mais aussi pratique et pas onéreux à obtenir. Notre algorithme Least Square Growing crée, comme dans le génie civil, une courbe horizontale et une courbe verticale, puis les combine pour produire un axe routier 3D approchant la polyligne. Traiter individuellement des polylignes conduit à des discontinuités aux intersections des routes. C’est pourquoi nous introduisons une procédure pour détecter les relations entre les routes, afin de proposer un processus global pour reconstruire tous les axes routiers avec prenant en compte les nouvelles contraintes sur les extrémités des routes.Enfin, sur la base de l'axe de la route et les propriétés résultant de la route dans la base de données SIG, nous définissons un modèle mathématique de la surface de la route en respectant les contraintes essentielles de surfaces routières réelles. Pour produire une géométrie représentant la surface de la route finale, nous construisons un maillage grossier de la carte d'élévation du terrain d'entrée, que nous subdivisons adaptativement le long de l'axe de la route, puis ajustons l'altitude des sommets concernés à la valeur définie par le modèle mathématique de la route afin de parvenir à une correspondance correcte entre le terrain et la vraie route. / Road reconstruction is an important topic in 3D modeling. Recently, the steady development of many critical-accurate applications has posed a high demand for realistic road models, taking into account road-design constraints selected from civil engineering. We propose in this dissertation methods for building realistic road network models from GIS data.Firstly, problems of single road axis reconstruction from a polyline are addressed. We present a novel G1-piecewise-curve model which is not only faithful to the real road axis but also convenient and cheap to render. Our Least Square Growing Algorithm creates, as in civil engineering, an horizontal and a vertical curves, then combines them to produce a 3D road axis fitting well the polyline. Processing individual polyline will leads to the discontinuities at road intersections so we introduce a procedure to detect road relations, then we propose a global process to reconstruct all road axes with the considerations on further constraints of road ends.Finally, based upon the resulting road axis and road properties in the GIS database, we define a mathematical road surface model respecting the essential constraints of real road surfaces. To produce a geometry representing the final road surface, we build a coarse mesh from the input terrain highmap, subdivide it adaptively along the road axis, then adjust the altitude of concerning vertices to the value defined by the mathematical model in order to attain a correct mapping between the terrain and the real road.