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

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet PIA2 3DNeuroSecure. Ce dernier vise à proposer un système collaboratif de navigation multi-échelle interactive dans des données visuelles massives (Visual Big Data) ayant pour cadre applicatif l'imagerie biomédicale 3D ultra-haute résolution (ordre du micron) possiblement multi-modale. En outre, ce système devra être capable d'intégrer divers traitements et/ou annotations (tags) au travers de ressources HPC distantes. Toutes ces opérations doivent être envisagées sans possibilité de stockage complet en mémoire (techniques out-of-core : structures pyramidales, tuilées, … avec ou sans compression …). La volumétrie des données images envisagées (Visual Big Data) induit par ailleurs le découplage des lieux de capture/imagerie/génération (histologie, confocal, imageurs médicaux variés, simulation …), de ceux de stockage et calcul haute performance (data center) mais aussi de ceux de manipulation des données acquises (divers périphériques connectés, mobiles ou non, tablette, PC, mur d’images, salle de RV …). La visualisation restituée en streaming à l’usager sera adaptée à son périphérique, tant en termes de résolution (Full HD à GigaPixel) que de rendu 3D (« à plat » classique, en relief stéréoscopique à lunettes, en relief autostéréoscopique sans lunettes). L'ensemble de ces développements pris en charge par le CReSTIC avec l'appui de la MaSCA (Maison de la Simulation de Champagne-Ardenne) se résument donc par : - la définition et la mise en oeuvre des structures de données adaptées à la visualisation out-of-core des visual big data (VBD) ciblées - l’adaptation des traitements spécifiques des partenaires comme des rendus 3D interactifs à ces nouvelles structures de données - les choix techniques d’architecture pour le HPC et la virtualisation de l’application de navigation pour profiter au mieux des ressources du datacanter local ROMEO. Le rendu relief avec ou sans lunettes, avec ou sans compression du flux vidéo relief associé seront opérés au niveau du logiciel MINT de l’URCA qui servira de support de développement. / These thesis studies are part of the PIA2 project 3DNeuroSecure. This one aims to provide a collaborative system of interactive multi-scale navigation within visual big data (VDB) with ultra-high definition (tera-voxels), potentially multimodal, 3D biomedical imaging as application framework. In addition, this system will be able to integrate a variety of processing and/or annotations (tags) through remote HPC resources. All of these treatments must be possible in an out-of-core context. Because of the visual big data, we have to decoupled the location of acquisition from ones of storage and high performance computation and from ones for the manipulation of the data (various connected devices, mobile or not, smartphone, PC, large display wall, virtual reality room ...). The streaming visualization will be adapted to the user device in terms of both resolution (Full HD to GigaPixel) and 3D rendering (classic rendering on 2D screens, stereoscopic with glasses or autostereoscopic without glasses). All these developments supported by the CReSTIC with the support of MaSCA (Maison de la Simulation de Champagne-Ardenne) can therefore be summarized as: - the definition and implementation of the data structures adapted to the out-of-core visualization of the targeted visual big data. - the adaptation of the specific treatments partners, like interactive 3D rendering, to these new data structures. - the technical architecture choices for the HPC and the virtualization of the navigation software application, to take advantage of "ROMEO", the local datacenter. The auto-/stereoscopic rendering with or without glasses will be operated within the MINT software of the "université de Reims Champagne-Ardenne".

La simulation numérique génère des maillages de plus en plus gros pouvant atteindre plusieurs dizaines de millions de tétraèdres. Ces ensembles doivent être visuellement analysés afin d'acquérir des connaissances relatives aux données physiques simulées pour l'élaboration de conclusions. Les capacités de calcul utilisées pour la visualisation scientifique de telles données sont souvent inférieures à celles mises en oeuvre pour les simulations numériques. L'exploration visuelle de ces ensembles massifs est ainsi difficilement interactive sur les stations de travail usuelles. Au sein de ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche interactive pour l'exploration visuelle de maillages tétraédriques massifs pouvant atteindre plus de quarante millions de cellules. Elle s'inscrit pleinement dans le procédé de génération des simulations numériques, reposant sur deux maillages à résolution différente -- un fin et un grossier -- d'une même simulation. Une partition des sommets fins est extraite guidée par le maillage grossier permettant la reconstruction à la volée d'un maillage dit birésolution, mélange des deux résolutions initiales, à l'instar des méthodes multirésolution usuelles. L'implantation de cette extraction est détaillée au sein d'un processeur central, des nouvelles générations de cartes graphiques et en mémoire externe. Elles permettent d'obtenir des taux d'extraction inégalés par les précédentes approches. Afin de visualiser ce maillage, un nouvel algorithme de rendu volumique direct implanté entièrement sur carte graphique est proposé. Un certain nombre d'approximations sont réalisées et évaluées afin de garantir un affichage interactif des maillages birésolution.

Explorer et comprendre des données volumétriques ou surfaciques est un des nombreux enjeux du domaine de l'informatique graphique. L'apparence de telles données peut être modélisée et visualisée en utilisant la théorie du transport lumineux. Afin de rendre une telle visualisation compréhensible, le recours à des matériaux transparents est très répandu. Si des solutions existent pour simuler correctement la propagation de la lumière et ainsi afficher des objets semi-transparents, offrir une visualisation compréhensible reste un sujet de recherche ouvert. Le but de cette thèse est double. Tout d'abord, une analyse approfondie du modèle optique pour le transport de la lumière et ses implications sur la génération d'images par ordinateur doit être effectuée. Ensuite, cette connaissance pourra être utilisée pour proposer des solutions efficaces et fiables pour visualiser des milieux transparents et semi-transparents. Dans ce manuscrit, premièrement, nous présentons le modèle optique communément utilisé pour modéliser le transport de la lumière dans des milieux participatifs, sa simplification si l'on réduit la situation à des surfaces et la manière dont ces modèles sont utilisés en informatique graphique pour générer des images. Deuxièmement, nous présentons une solution pour améliorer la représentation des formes dans le cas particulier des surfaces. La technique proposée utilise le transport lumineux comme base pour modifier le processus d'éclairage et modifier l'apparence et l'opacité des matériaux. Troisièmement, nous nous concentrons sur la problématique de l’utilisation de données volumétriques au lieu du cas simplifié des surfaces. Dans ce cas, le fait de ne modifier que les propriétés du matériau a un impact limité. Nous étudions donc comment le transport lumineux peut être utilisé pour fournir des informations utiles à la compréhension de milieux participatifs. Enfin, nous présentons notre modèle de transport lumineux pour les milieux participatifs, qui vise à explorer une région d'intérêt d’un volume. / Exploring and understanding volumetric or surface data is one of the challenges of Computer Graphics. The appearance of these data can be modeled and visualized using light transport theory. For the sake of understanding such a data visualization, transparent materials are widely used. If solutions exist to correctly simulate the light propagation and display semi-transparent objects, offering a understandable visualization remains an open research topic. The goal of this thesis is twofold. First, an in-depth analysis of the optical model for light transport and its implication on computer generated images is performed. Second, this knowledge can be used to tackle the problematic of providing efficient and reliable solution to visualize transparent and semi-transparent media. In this manuscript, we first introduce the general optical model for light transport in participating media, its simplification to surfaces, and how it is used in computer graphics to generate images. Second, we present a solution to improve shape depiction in the special case of surfaces. The proposed technique uses light transport as a basis to change the lighting process and modify the materials appearance and opacity. Third, we focus on the problematic of using full volumetric data instead of the simplified case of surfaces. In this case, changing only the material properties has a limited impact, thus we study how light transport can be used to provide useful information for participating media. Last, we present our light transport model for participating media that aims at exploring part of interest of a volume.

Du fait de l'importance accrue des personnages virtuels dans tous les secteurs du loisir numérique, la<br />simulation de chevelures est devenue, ces dernières années, un thème de recherche très actif en informatique graphique. Par ailleurs, la simulation physique de cheveux attire de plus en plus l'attention des cosmétologues, qui voient dans le prototypage virtuel un moyen efcace pour mettre au point des produits capillaires.<br />Cette thèse s'attaque à deux grandes difcultés antagonistes liées à la simulation de chevelures : d'une part, la simulation en temps interactif d'une chevelure complète ; d'autre part, le réalisme physique de la forme et du mouvement d'une chevelure.<br />Dans un premier temps, nous élaborons de nouveaux algorithmes visant à réduire le coût de calcul inhérent<br />aux méthodes classiques d'animation de chevelures. Nos approches exploitent pour la première fois l'animation multi-résolution et le rendu volumique de longs cheveux, donnant lieu à des simulations interactives.<br />Dans un second temps, nous proposons un modèle physiquement réaliste de chevelure, réalisé en collaboration avec des spécialistes en modélisation mécanique et en cosmétologie. Nous présentons tout d'abord le modèle mécanique précis de cheveu unique, issu de la théorie de Kirchhoff sur les tiges élastiques, dont nous avons participé à l'élaboration au cours de ce partenariat. Étendu à l'échelle de la chevelure complète, ce modèle est ensuite appliqué à la génération réaliste de coiffures naturelles tatiques, puis à la simulation dynamique de chevelures d'origines ethniques variées, avant d'être nalement validé à travers un ensemble de comparaisons avec le réel.