Créer une séquence d´images qui résume une animation est une tache effectuée dans de nombreux domaines, allant de la bande-dessinée à la conception de schémas d´assemblage. Une telle représentation repose sur la projection de données 3D plus temps vers un support 2D, et induit inévitablement une perte d´informations. Compenser cette perte relève encore aujourd´hui du traitement au cas par cas, et est très généralement fait de manière manuelle. L´objectif de cette thèse est de développer des algorithmes automatisant cette tache et restant les plus généraux possible. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la visualisation en images d´animations de particules, en essayant d´identifier puis d'illustrer leurs mouvements généraux. Une animation se déroulant généralement dans un décor géométrique spécifique, nous avons proposé une méthode pour afficher ce décor en tenant compte du résumé de l'animation. Enfin, afin d´enrichir nos images d´informations textuelles ou contextuelles, nous avons étudié le problème de l´annotation dynamique d´une scène 3D et les difficultés de cohérence temporelle soulevées.

La visualisation de données tridimensionnelles est en train de devenir une étape obligée dans les processus de conception et de validation numérique. L'un des obstacles à sa diffusion est la complexité des phénomènes mis en jeu, qui s'oppose au besoin évident d'interactivité. Ce mémoire fait le point sur les recherches récentes, en particulier celles menées par l'auteur, en vue de prendre en compte cette complexité sous toutes ses formes. Il s'agit par exemple de la complexité géométrique (nombre d'objets, formes variées), dont on peut s'accommoder grâce à des techniques de calcul hiérarchique. La méthode de radiosité utilisant le regroupement d'objets permet ainsi de simuler l'éclairage de scènes complexes à différents niveaux de détail. La complexité peut aussi provenir des propriétés radiométriques des objets (sources de lumière, réflecteurs...), et des algorithmes de manipulation de données directionnelles sont proposés. Enfin, le contrôle de la qualité des simulations et du degré d'approximation acceptable fait l'objet d'une discussion.

Dans cette thèse, nous proposons des solutions pour le chargement progressif et le rendu adaptatif de vastes terrains. Cela peut servir notamment à visualiser la Terre en 3D sur un ordinateur en chargeant les données depuis une immense base de données via un réseau. Dans la première partie de cette thèse, nous introduisons une solution générique pour manipuler des cartes d'échantillons de taille quelconque depuis un serveur jusqu'à un système de rendu client. Nos méthodes s'adaptent aux performances du réseau et du rendu et évitent de traiter des données redondantes. Dans une deuxième partie, nous utilisons cette solution pour permettre le rendu 3D temps réel de vastes terrains texturés. De plus, nous supportons des terrains planétaires et réduisons les incohérences visuelles dues à la projection cartographique et à la précision du rendu. Enfin, nous proposons des algorithmes permettant de créer des bases de données serveur à partir d'immenses cartes d'échantillons.

La modification d'éclairage et de matériaux dans une image est un objectif de longue date en traitement d'image, vision par ordinateur et infographie. <br /><br /> Cette thèse a pour objectif de calculer une décomposition en images intrinsèques, qui sépare une photographie en composantes indépendantes : la réflectance, qui correspond à la couleur des matériaux, et l'illumination, qui représente la contribution de l'éclairage à chaque pixel. Nous cherchons à résoudre ce problème difficile à l'aide de plusieurs photographies de la scène. L'intuition clé des approches que nous proposons est de contraindre la décomposition en combinant des algorithmes guidés par l'image, et une reconstruction 3D éparse et incomplète générée par les algorithmes de stéréo multi-vue. <br /><br /> Une première approche permet de décomposer des images de scènes extérieures, à partir de plusieurs photographies avec un éclairage fixe. Cette méthode permet non seulement de séparer la réflectance de l'illumination, mais décompose également cette dernière en composantes dues au soleil, au ciel, et à l'éclairage indirect. Une méthodologie permettant de simplifier le processus de capture et de calibration, est ensuite proposée. La troisième partie de cette thèse est consacrée aux collections d'images: nous exploitons les variations d'éclairage afin de traiter des scènes complexes sans intervention de l'utilisateur. <br /><br /> Les méthodes décrites dans cette thèse rendent possible plusieurs manipulations d'images, telles que l'édition de matériaux tout en préservant un éclairage cohérent, l'insertion d'objets virtuels, ou le transfert d'éclairage entre photographies d'une même scène.

Le tracé de rayons est désormais un algorithme classique pour la visualisation en synthèse d'images. Nous nous sommes cependant efforcés de ne pas le considérer comme un simple algorithme de visualisation mais comme un algorithme plus général de simulation de transfert d'énergie au sein d'un environnement géométrique. Ce choix a conduit à la définition d'un modèle géométrique indépendant du modèle de rendu qui lui est associé. Ce modèle utilise une méthode par arbre de construction (CSG) avec deux améliorations essentielles: l'utilisation d'un graphe au lieu d'un arbre ainsi que la possibilité d'associer des propriétés à n'importe quel objet du modèle. L'algorithme de calcul d'intersection entre un rayon et un objet est spécialement adapte à ce modèle, et il utilise une technique d'accélération nouvelle, basée sur l'utilisation d'englobant appelés boites englobantes généralisées, palliant certains inconvénients des techniques classiques. L'algorithme de rendu a été rendu générique, ce qui permet de changer facilement d'implémentation de l'algorithme de rendu. Les modèles classiques (Lambert et Phong) sont présentés en détail. Enfin, nous présentons trois applications de notre environnement: l'utilisation de nouveaux systèmes de perspectives, la visualisation de densités volumiques et de primitives de lumière, ainsi qu'une version parallèle de notre algorithme.

Cette thèse entre dans le cadre de la synthèse d'images de paysages s'appuyant sur une nouvelle modélisation des terrains par simulation dynamique de processus géomorphologiques. La restitution des phénomènes naturels agissant sur la création et l'évolution des reliefs semble un des moyens les plus sûrs pour obtenir des paysages réalistes. Après une présentation des différentes modélisations de terrain existantes, le modèle proposé est détaillé. Il s'appuie sur la création de terrains géologiquement contrastés sur lesquels sont appliqués des processus déterministes d'érosion. Le relief est constitué d'une surface topographique à laquelle est associée la représentation volumique d'un sous-sol, qui permet de déterminer en chaque point des paramètres géologiques intervenant dans la simulation. Celle-ci suit une méthode itérative utilisant des lois simulant l'érosion gravitaire et mécanique, la dissolution chimique et la sédimentation. L'écoulement et le transport de matière entre les points s'effectuent par le biais d'un graphe de parcours qui traduit la structure du réseau hydrographique. La simulation implique l'évolution (altimétrique et géologique) du relief et la création du réseau associé. Deux algorithmes de rendu sont ensuite proposés pour visualiser le relief modélisé. Ils incluent la représentation du réseau hydrographique et des lignes de crête. Le réalisme des images est accru par le plaquage sur le relief de textures naturelles de végétation, générées par une technique de spot noise et l'ajout d'effets visuels.

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

Le tracé de rayons est la seule technique de synthèse d'images permettant le réalisation d'effets lumineux spéculaires. Cet algorithme est très coûteux en temps de calcul. Nous nous intéressons aux diverses méthodes d'optimisation du tracé de rayons basées sur la subdivision de l'espace. Nous proposons une structure de subdivision originale : les macro-régions. Cette structure utilise un grid dans lequel les éléments de grid appartenant à des zones à faible densité d'information sont regroupées en macro-régions. Nous présentons ensuite une étude théorique et pratique du coût de dif- férentes méthodes de subdivision de l'espace : grid, octree, boîtes englobantes et la structure de macro-régions. Le coût moyen d'un rayon est étudié d'un point de vue pratique d'après les résultats d'une implantation de l'algorithme, et théorique en utilisant des résultats de géométrie stochastique. Ce coût est divisé en deux parties, on calculera tout d'abord le nombre moyen d'objets rencontrés par un rayon, puis le nombre moyen de régions rencontrées par un rayon dans les différents cas de subdivision. Cette étude fournit un certain nombre de résultats généraux permettant de mener à bien les mêmes calculs pour d'autres structures. Les résultats exposés établissent l'efficacité de la subdivision par macro- régions.

Les surfaces nanostructurées permettent d'obtenir des effets colorés gonio-apparents lorsque les nanostructures présentent des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde du spectre visible. ces couleurs sont habituellement modélisées par le biais d'interactions de types "interférences" ou "cristaux photoniques" entre le rayonnement lumineux et une structure modèle. dans cette thèse, l'anodisation d'aluminium est utilisée comme méthode de structuration à l'échelle submicronique. cette technique présente l'avantage d'être mature industriellement et de permettre de structurer de grandes surfaces. des effets colorés sont observés même si les structures obtenues ne sont pas parfaitement ordonnées. le but de cette thèse est de comprendre les phénomènes optiques mis en jeu dans l'obtention de ces effets. ce manuscrit se divise donc en deux parties principales, toutes deux basées sur une étude de la littérature existante. afin d'établir un parallèle entre caractérisation expérimentale et simulation numérique, la première partie présente l'outil de caractérisation optique développé. la seconde est dédiée à l'étude des effets colorés de certaines surfaces d'aluminium anodisé. cette partie propose une compréhension des phénomènes d'interaction de la lumière avec la structure d'aluminium anodisé se basant sur les caractérisations optiques et microstructurales des échantillons, associées à une modélisation de l'interaction entre rayonnement et matière structurée. cette étude montre que les structures réelles présentent un ordre à courte distance. les effets colorés sont simulés par la méthode modale de fourier par le biais de structures modèles avec un certain niveau de désordre.

Cette thèse porte sur l'étude du rendu multimodal en Réalité Virtuelle (RV), et a pour objectif d'améliorer l'activité des utilisateurs dans les environnements virtuels.<br />Plus particulièrement, nous cherchons à exploiter au mieux la bande passante sensori-motrice humaine et les capacités sémantiques des modalités visuelles, audio et haptiques afin d'améliorer le confort, les performances ou la compréhension de l'opérateur dans ses diverses tâches. L'ambition de nos recherches réside dans une approche générique et contextuelle du rendu multimodal en RV, c'est-à-dire qui s'éloigne des solutions adhoc et liées à des applications précises. Nos travaux se veulent également orientés vers la tâche, et non vers le réalisme.<br />Notre contribution majeure est l'élaboration d'un processus de supervision de la distribution multimodale dédié aux applications de RV. Ce processus est fondé sur un modèle générique des interactions, qui permet de représenter à l'aide d'un nombre limité d'éléments simples la sémantique des tâches et les rendus multimodaux possibles du système. Le cœur de la supervision est un moteur à base de règles logiques, capable de décider, à partir d'une base de connaissances, pour une interaction et dans un contexte donné, quel est le rendu multimodal le plus adéquat.<br />Des évaluations du processus de supervision sont réalisées sur des scénarios concrets de Mécanique des Fluides, de Bio-Informatique et de CAO. Les résultats sont satisfaisants, tant au niveau de la fiabilité et de la qualité des rendus décidés, que de l'adaptabilité du superviseur à des contextes différents et de la rapidité de la décision, compatible avec des interactions de RV en temps réel.