Deux aspects des instruments à anche simple sont présentés : les transitions entre notes et la composante bruitée du son issue du souffle du musicien. Des mesures avec des musiciens et une bouche artificielle ont permis d'étudier le comportement des instruments et de mettre en évidence des phénomènes caractéristiques accompagnant systématiquement les transitions entre deux notes, tels que le glissando fréquentiel et la réduction de la sonie et de la brillance. Nous avons ensuite proposé un modèle de synthèse adapté au temps-réel permettant de restituer ces effets. Par ailleurs, il est apparu que le signal de pression externe, au-dessous du seuil d'oscillations, était coloré par les résonances de l'instrument ainsi que par un formant du conduit vocal du musicien. L'utilisation d'un modèle de conduit vocal en amont du modèle de l'instrument et l'introduction d'un bruit filtré a alors permis d'obtenir un comportement du modèle de synthèse proche des mesures.

Un des défis majeurs de la réalité augmentée est celui de l'alignement spatial des objets virtuels sur le monde réel. Plusieurs techniques de localisation par la vision ont été proposées dans la littérature pour améliorer le recalage virtuel. Le suivi hybride qui combine différentes technologies et méthodes semble ouvrir une nouvelle voie d'utilisation pour combler les divers problèmes liés à la précision et à la robustesse des algorithmes. Dans ce travail, nous avons développé une architecture multimodale de suivi de cibles et de gestion d'occultations en réalité augmentée. L'approche multimodale consiste à combiner différents capteurs et techniques, associés en fonction des conditions réelles de l'environnement. Cette architecture est constituée d'un module de tracking de cibles codées basé sur un algorithme hybride d'estimation de pose. Toutefois, cet algorithme de suivi de cibles est mis en échec si les marqueurs visuels ne sont pas entièrement visibles. Nous avons étendu donc, cette méthode de localisation spatio-temporelle par un module de suivi de points caractéristiques en présence d'occultations partielles des cibles. Cette étape se fonde sur l'étude des propriétés du suivi robuste des points d'intérêts et sur l'adaptation et la gestion des différentes conditions expérimentales. Enfin, une partie de suivi multi-capteurs est incluse dans notre démarche de conception logicielle. Ce dernier module de l'architecture est composé d'un dispositif hybride de tracking permettant de pallier les occultations totales des cibles. Des expérimentations avec le système global et de nombreuses évaluations ont servi à montrer l'intérêt de l'approche multimodale proposée pour le suivi et la gestion d'occultations en réalité augmentée. Le travail réalisé a permis de définir une base de critères nécessaires pour une mise en oeuvre efficace d'une architecture de suivi robuste et multi-capteurs dans un environnement de réalité augmentée.

Depuis des années, nous imaginons qu'un jour nous allons pouvoir nous déplacer dans des mondes “virtuels”, que tout en restant à Grenoble, nous allons pouvoir visiter la pyramide de Chéops ou la maison de Salvador Dalí à Figueres... Nous voudrions déambuler dans les couloirs du Louvre, nous arrêter devant Mona Lisa, décrocher ce tableau et l'admirer sous tous les angles... Nous voudrions faire le tour du futur tramway de Bordeaux, entrer à l'intérieur et imaginer une ballade en centre ville sous la lumière chaleureuse de l'automne ou un soir au coucher du soleil... Nous voudrions... Tous ces rêves ont un point commun, il faut que l'on puisse se voir évoluer dans un monde réel ou imaginaire, y trouver sa place et interagir avec lui. Pour cela, une puissance de calcul très importante et du matériel spécifique (caméras hautes résolutions, réseaux hauts débits, très grands écrans, etc.) sont nécessaires et c'est seulement depuis peu que nous en disposons. Nous pouvons donc enfin nous atteler à la tâche. Sous ce côté rêveur, je vais présenter mes travaux de recherche effectués ces quatre dernières années. Ils ont été réalisés au travers des projets CYBER.

Un système informatique est temps-réel lorsque ses traitements doivent vérifier des propriétés d'ordre à la fois logique et temporel. Dans ce travail, nous proposons un outil de simulation pour l'évaluation de tels systèmes. Il peut venir compléter les méthodes sûres d'analyse statique, en particulier lorsque le comportement temporel du système ou de son environnement est insuffisamment caractérisé. L'outil met l'accent sur la faculté de personnalisation du système simulé, la grande fidélité des comportements temporels reproduits grâce à une granularité de simulation ajustable, la possibilité de réutiliser du code d'application existant, et l'efficacité de simulation. Nous présentons aussi un modèle objet générique pour l'ordonnancement dynamique couvrant un grand nombre d'ordonnanceurs existants, et qui a été évalué grâce à l'outil. Nous détaillons enfin les moyens de prise en compte de la granularité de l'horloge système dans ces algorithmes, ainsi qu'une évaluation de leur impact.

Une définition des systèmes temps réel est que leur correction dépend de la correction fonctionnelle mais aussi du temps d'exécution des différentes opérations. Les propriétés temps réels sont alors exprimées comme des contraintes temporelles sur les opérations du système. Nous proposons dans cette thèse un autre point de vue où la correction est définie relativement à la validité temporelle des valeurs prises par les variables du système et aux flots de données qui parcourent le système. Pour définir ces conditions de validité, nous nous intéressons au rythme de mise à jour des variables mais aussi aux liens entre les valeurs des différentes variables du système. Une relation dite d'observation est utilisée pour modéliser les communications et les calculs du système qui définissent les liens entre les variables. Un ensemble de relations d'observation modélise l'architecture et les flots de données du système en décrivant les chemins de propagation des valeurs dans le système. Les propriétés temps réels sont alors exprimées comme des contraintes sur ces chemins de propagation permettant d'assurer la validité temporelle des valeurs prises par les variables. La validité temporelle d'une valeur est définie selon la validité temporelle des valeurs des autres variables dont elle dépend et selon le décalage temporel logique ou événementiel introduit par les communications ou les calculs le long des chemins de propagation. Afin de prouver la satisfiabilité d'une spécification définie par une telle architecture et de telles propriétés, nous construisons un système de transitions à état fini bisimilaire à la spécification. L'existence de ce système fini est justifiée par des bornes sur le décalage temporel entre les variables du système. Il est alors possible d'explorer les exécutions définies par ce système de transitions afin de prouver l'existence d'exécutions infinies satisfaisant la spécification.

Les architectures distribuées des systèmes embarqués sont souvent décrites sous la forme de composants concurrents communiquant entre eux. De tels systèmes sont à la fois orientés flot de données pour leur description, et dirigés par le temps pour leur exécution. Cette thèse s'inscrit dans cette problématique et se concentre sur le contrôle de la compatibilité temporelle d'un ensemble de données interdépendantes utilisées par les composants du système. L'architecture d'un système modélisé par composants forme un graphe où plusieurs chemins peuvent relier deux composants, avec des caractéristiques temporelles hétérogènes, ce qui induit des temps de parcours disparates. Il est alors important que ces flots d'information soient assemblés de façon cohérente sur le composant destinataire, c'est-à-dire de telle manière que le composant utilise en entrée des données dépendant (directement ou indirectement) du même pas d'exécution du composant à l'origine de ces flots multiples. Dans un premier temps, ce principe d'association cohérente de données est identifié et formalisé. Une méthodologie est proposée afin de détecter, dans un graphe de composants, les configurations pouvant poser des problèmes d'association de données Dans un deuxième temps, différentes approches sont détaillées afin de gérer l'association cohérente des données dans des systèmes périodiques sans supposer de propriétés strictes sur l'ordonnancement des composants. Dans les systèmes où les composants partagent la même période et où les communications intra-périodiques sont interdites, l'association des données est gérée par un mécanisme de files permettant de rééquilibrer les temps de parcours des données sur les différents chemins. Dans le cas où les composants sont de périodes diverses, un mécanisme d'estampillage des données est utilisé afin de mémoriser les dépendances entre données. Associé à l'utilisation de files, cet estampillage permet aux composants de sélectionner, à chacune de leurs phases d'activation, des ensembles de données cohérents choisis parmi les données à leur disposition. La notion d'association cohérente est ensuite relâchée, permettant une utilisation de données approximativement cohérentes. Des files filtrantes, n'enregistrant qu'une donnée sur un certain nombre de données reçues, permettent de réduire la taille des files nécessaires. Par ailleurs, du fait de la liberté du modèle d'exécution choisi, il existe des situations où il est impossible de garantir la vivacité de l'association cohérente des données. D'autre part, une architecture particulière peut générer des contraintes de cohérence conflictuelles et aboutir à une impossibilité de gestion de la cohérence. Pour terminer, les résultats de ces travaux sont appliqués sur le logiciel applicatif d'un satellite d'observation terrestre détectant des points chauds.

En informatique graphique, l'animation et la simulation de la fracture est un élément clef pour les effets d'explosion et de destructions dans l'industrie du film ou du jeu vidéo. Le phénomène de fracture est aussi observable dans la nature sur des objets vieillissants tels que l'écorce d'arbre, ou les routes urbaines subissant les intempéries et le temps. Cependant, simuler de façon réaliste la fracture dans les applications interactives reste un problème ouvert, surtout pour les objets fragiles. En effet, le phénomène de fracture apporte des défis uniques au niveau de la simulation en temps réel des déformations dues aux impacts, au niveau des algorithmes de détection de collision, et en terme d'évaluation et de validation. Dans ce manuscrit, nous présentons de nouvelles approches pour simuler efficacement, en temps réel et de façon réaliste la fracture d'objets fragiles due à des impacts ou au vieillissement, pour gérer la détection de collision entre les débris générés, ainsi que pour évaluer subjectivement et objectivement les simulations obtenues. La première contribution proposée est un nouveau modèle d'état de fracture des objets. Ce nouveau modèle permet un stockage et une mise à jour efficace de l'état de fracture pour simuler la propagation de fractures, et permet une de générer représentation graphique efficacement. Nous proposons ensuite une nouvelle approche basée sur l'analyse modale pour simuler efficacement la fracture due aux impacts, en présentant une méthode de simulation de la dynamique de la déformation des objets pendant les impacts. Finalement, nous traitons le cas de la fracture due au vieillissement, en présentant une nouvelle méthode de propagation de fracture dans des objets vieillissants. La deuxième contribution concerne les interactions entre les objets fracturables. Nous proposons une nouvelle approche de détection de collision entre des fragments générés dynamiquement, qui permet un traitement des collisions en temps réel dans des scènes complexes. L'efficacité du système globale nous a permis d'implémenter une interaction haptique avec des objets fracturables. Afin de garantir la stabilité de l'interaction haptique, nous proposons une nouvelle méthode de couplage entre la simulation et l'haptique basée sur la définition d'un sous monde haptique qui aide à maintenir les fréquences de rafraîchissement élevées imposées par cette modalité d'interaction. Finalement, nous présentons des validations partielles de nos contributions à travers d'études utilisateurs, une méthode d'optimisation des paramètres de simulation pour générer des modèles de fracture par l'exemple, ainsi que des expériences sur des objets réels. Nous définissons aussi une métrique pour la similarité des modèles de fracture basée sur une analyse statistique sur la géométrie des débris obtenus. Toutes ces contributions réunies forment un simulateur complet pour la simulation réaliste de la fracture d'objets fragiles, comprenant la détection de collision entre des objets non convexes, la simulation de la déformation d'objets rigides, la propagation dynamique des surfaces de fracture à des vitesses de simulation inégalées.

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfaces

Cette thèse traite de modélisation des systèmes complexes. Dans ce cadre, l'approche est basée sur les Modèles Structurés en Second Ordre (MSSO). Afin d'utiliser cette classe de modèles, les propriétés telles que l'atteignabilité, l'observabilité et les grammiens, bien connues pour les réalisations d'états, sont étendues aux MSSO.Lors de la co-simulation d'un système, des éléments de natures différentes (physiques et logicielles) sont intégrés et la simulation est effectuée en temps réel. Or, les modèles d'ordre élevés sont couteux en temps de calcul, ce qui rend difficile ce type de simulation. Ainsi, des méthodes de réduction de modèle sont explorées. En particulier, de nouvelles méthodes, permettant de préserver la structure des modèles avec une bonne erreur d'approximation sont présentées.Ces développements sont appliqués à la co-simulation de modèles véhicules sous forme de MSSO. Le modèle créé est un modèle par blocs, complexe et non-linéaire. Afin d'appliquer les méthodes de réduction de modèle il est nécessaire de le linéariser. La structure par blocs permet de linéariser l'ensemble du modèle ou de ne linéariser que certaines sous parties du modèle.Ensuite, l'identification des paramètres est effectuée pour chaque sous-systèmes du véhicule. Une méthode d'interconnexion est ensuite proposée pour créer une représentation monobloc du modèle afin de réduire ce dernier. Au final, des essais en co-simulation de la partie arrière du véhicule sous forme de modèle interconnectée avec la partie avant du véhicule physiquement présente sur un banc de test, valide notre approche pour effectuer de la co-simulation temps réel avec matériel.x

Les objectifs concernant la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité sont de 20 % en 2020 en UE. L'éolien offshore principalement ainsi que les ressources hydroliennes et les panneaux photovoltaïques, vont contribuer à cet objectif. Les améliorations récentes dans le domaine de l'électronique de puissance amènent à repenser les architectures électrotechniques des fermes éoliennes de plus en plus éloignées du continent et présentant des puissances de plus en plus importantes. Plusieurs topologies électrotechniques de fermes éoliennes offshore sont comparées afin de définir la plus intéressante d'un point de vue faisabilité, efficacité et fiabilité. La solution de connexion retenue est entièrement en DC car elle présente des pertes diminuées et des convertisseurs DC-DC avec transformateurs haute-fréquence apportant un gain d'encombrement comparé à une topologie classique en AC. La topologie DC est alors modélisée avec une attention particulière portée aux convertisseurs DC-DC Full-Bridge, cœur technologique de la ferme. Un contrôle du convertisseur par entrelacement des commandes du convertisseur est explicité afin de réduire la taille du filtre en sortie. Deux expérimentations à échelle réelle (2 MW) et réduite (4 kW) permettent de valider le modèle, les pertes et les contrôles implantés sur le convertisseur. Les protections qui peuvent être mises en place pour un réseau de distribution DC sont aussi étudiées avec une proposition de disjoncteur statique DC. Une connexion entre un simulateur temps réel et le banc d'essai 4 kW est réalisée afin de comparer le comportement des convertisseurs de la ferme sur des échelles de temps importantes. Différents contrôles sont testés, et plus particulièrement ceux permettant de valider la capacité de la ferme à rester connectée au réseau pendant les défauts AC. L'ensemble des théories développées sur le cas d'étude éolien offshore sont étendues à des fermes solaires de fortes puissances afin de mettre en évidence les analogies entre ces deux énergies renouvelables.