Cette thèse porte sur la modélisation et l'animation de matériaux hautement déformables en Synthèse d'Images. Le but est de créer des modèles virtuels de matière, à base de physique, capables de se déformer et d'interagir avec leur environnement de façcon automatique. La difficulté principale est d'assurer l'efficacité des calculs et la qualité visuelle résultante mˆeme dans les cas de déformations extrˆemes, pour alors permettre d'utiliser ces modèles dans le cadre de simulateurs, et plus généralement, en réalité virtuelle. Après avoir passé en revue les modèles existants, nous proposons un premier modèle hybride de matériaux hautement déformables combinant système de particules et surfaces implicites. Les avantages de ces deux techniques sont cumulés pour aboutir à un modèle global capable aussi bien de séparations que de fusions, en assurant aussi d'autres propriétés comme la conservation de volume. Nous discutons dans un second temps de l'inadéquation des systèmes de particules classiques. Une alternative est alors presentée, sous forme d'un nouveaumodèle permettant une simulation adaptative en temps et en espace, où les particules peuvent se subdiviser dans les régions subissant de fortes deformations, et au contraire se regrouper dans les régions stables. L'adaptation de la discrétisation de la matière permet ainsi de répartir les calculs de façcon efficace, tout en assurant la stabilité de la simulation. Enfin, un modèle de peau implicite active est exposé. Ce modèle permet d'animer une surface déformable chargée d'enrober un modèle physique quelconque pour à la fois lui fournir une visualisation et des propriétés physiques comme une tension de surface : on obtient ainsi une solution efficace et peu onéreuse à la visualisation du modèle particulaire adaptatif précédent, en filtrant les changements internes de discrétisation. Ainsi, ces nouveaux modèles ouvrent la voie à la simulation adaptative d'objets déformables, qui permet de minimiser les calculs pour une précision donnée.

Ce travail porte sur la simulation de champs sonores de haute qualité pour des applications graphiques interactives. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à trois problèmes : le calcul interactif des effets de l'occultation des ondes sonores par des obstacles, l'intégration du son dans un système d'animation et de réalité virtuelle et la simulation adaptative des réflections du son dans des environnements réverbérants. Nous présentons une méthode originale permettant d'approcher les effets des obstacles sur la propagation des ondes sonores. Cette méthode qualitative est fondée sur le calcul de l'obstruction des premiers ellipsoïdes de Fresnel. Pour cela nous utilisons le rendu câblé des cartes graphiques spécialisées pour effectuer un calcul interactif entre une source et un récepteur ponctuels dans des environnements généraux. Une extension plus quantitative, basée sur la théorie de Fresnel-Kirchhoff est également décrite. Nous décrivons également un système interactif de simulation acoustique. Il permet le rendu synchronisé du son et de l'image dans le cadre d'applications d'animation de synthèse et de réalité virtuelle. Nous y avons intégré notre approche de traitement des occultations sonores. Nous présentons comment d'autres effets, comme les réflections spéculaires du son ou l'effet Doppler sont également pris en compte. Enfin, nous introduisons une technique originale de simulation adaptative fondée sur un formalisme proche de la radiosité hiérarchique utilisée en synthèse d'images. Elle permet de prendre en compte efficacement des réflections globales spéculaires et diffuses dans le cadre d'échanges énergétiques dépendants du temps. La solution obtenue est indépendante du point d'écoute et ouvre la porte à des applications de parcours interactifs de l'environnement virtuel. En outre, la complexité du processus peut être contrôlée, permettant des applications plus quantitatives, comme la prévision des qualités acoustiques de lieux d'écoute. Ces trois contributions peuvent permettre de réaliser un système de simulation complet d'une scène sonore virtuelle pouvant être utilisé dans une variété d'applications. Celles-ci ne se limitent toutefois pas à l'acoustique, mais peuvent être étendues à la simulation de propagation d'ondes radioélectriques pour la téléphonie mobile ou les réseaux sans fils.

Les méthodes de dynamique moléculaire (MD pour Molecular Dynamics en anglais) sont utilisées pour simuler des systèmes volumineux et complexes. Cependant, la simulation de ce type de systèmes sur de longues échelles temporelles demeure un problème coûteux en temps de calcul. L'étape la plus coûteuse des méthodes de MD étant la mise à jour des forces entre les particules. La simulation de particules restreintes de façon adaptative (ARMD pour Adaptively Restrained Molecular Dynamics en anglais) est une nouvelle approche permettant d'accélérer le processus de simulation en réduisant le nombre de calculs de forces effectués à chaque pas de temps. La méthode ARMD fait varier l'état des degrés de liberté en position en les activants ou en les désactivants de façon adaptative au cours de la simulation. Du fait, que le calcul des forces dépend majoritairement de la distance entre les atomes, ce calcul peut être évité entre deux particules dont les degrés de liberté en position sont désactivés. En revanche, le calcul des forces pour les particules actives (i.e. celles dont les degrés de liberté en position sont actifs) est effectué. Afin d'exploiter au mieux l'adaptabilité de la méthode ARMD, nous avons conçu de nouveaux algorithmes permettant de calculer et de mettre à jour les forces de façon plus efficace. Nous avons développé des algorithmes permettant de construire et de mettre à jour des listes de voisinage de manière incrémentale. En particulier, nous avons travaillé sur un algorithme de mise à jour incrémentale des forces en un seul passage deux fois plus rapide que l'ancien algorithme également incrémental mais qui nécessitait deux passages. Les méthodes proposées ont été implémentées et validées dans le simulateur de MD appelé LAMMPS, mais elles peuvent s'appliquer à n'importe quel autre simulateur de MD. Nous avons validé nos algorithmes pour différents exemples sur les ensembles NVE et NVT. Dans l'ensemble NVE, la méthode ARMD permet à l'utilisateur de jouer sur le précision pour accélérer la vitesse de la simulation. Dans l'ensemble NVT, elle permet de mesurer des grandeurs statistiques plus rapidement. Finalement, nous présentons des algorithmes parallèles pour la mise à jour incrémentale en un seul passage permettant d'utiliser la méthode ARMD avec le standard Message Passage Interface (MPI). / Molecular Dynamics (MD) is often used to simulate large and complex systems. Although, simulating such complex systems for the experimental time scales are still computationally challenging. In fact, the most computationally extensive step in MD is the computation of forces between particles. Adaptively Restrained Molecular Dynamics (ARMD) is a recently introduced particles simulation method that switches positional degrees of freedom on and off during simulation. Since force computations mainly depend upon the inter-atomic distances, the force computation between particles with positional degrees of freedom off~(restrained particles) can be avoided. Forces involving active particles (particles with positional degrees of freedom on) are computed.In order to take advantage of adaptability of ARMD, we designed novel algorithms to compute and update forces efficiently. We designed algorithms not only to construct neighbor lists, but also to update them incrementally. Additionally, we designed single-pass incremental force update algorithm that is almost two times faster than previously designed two-pass incremental algorithm. These proposed algorithms are implemented and validated in the LAMMPS MD simulator, however, these algorithms can be applied to other MD simulators. We assessed our algorithms on different and diverse benchmarks in both microcanonical ensemble (NVE) and canonical (NVT) ensembles. In the NVE ensemble, ARMD allows users to trade between precision and speed while, in the NVT ensemble, it makes it possible to compute statistical averages faster. In Last, we introduce parallel algorithms for single-pass incremental force computations to take advantage of adaptive restraints using the Message Passage Interface (MPI) standard.

L'objectif principal de ce travail est de proposer des outils pour une synthèse en temps-réel, réaliste et expressive, des sons résultant d'interactions physiques entre objets dans une scène virtuelle. De fait, ces effets sonores, à l'exemple des bruits de collisions entre solides ou encore d'interactions continues entre surfaces, ne peuvent être prédéfinis et calculés en phase de pré-production. Dans ce cadre, nous proposons deux approches, la première basée sur une modélisation des phénomènes physiques à l'origine de l'émission sonore, la seconde basée sur le traitement d'enregistrements audio. Selon une approche physique, la source sonore est traitée comme la combinaison d'une excitation et d'un résonateur. Dans un premier temps, nous présentons une technique originale traduisant la force d'interaction entre surfaces dans le cas de contacts continus, tel que le roulement. Cette technique repose sur l'analyse des textures utilisées pour le rendu graphique des surfaces de la scène virtuelle. Dans un second temps, nous proposons une méthode d'analyse modale robuste et flexible traduisant les vibrations sonores du résonateur. Outre la possibilité de traiter une large variété de géométries et d'offrir une multi-résolution des paramètres modaux, la méthode permet de résoudre le problème de cohérence entre simulation physique et synthèse sonore, problème fréquemment rencontré en animation. Selon une approche empirique, nous proposons une technique de type granulaire, exprimant la synthèse sonore par un agencement cohérent de particules ou grains sonores. La méthode consiste tout d'abord en un prétraitement d'enregistrements destiné à constituer un matériel sonore sous forme compacte. Ce matériel est ensuite manipulé en temps réel pour, d'une part, une resynthèse complète des enregistrements originaux, et d'autre part, une utilisation flexible en fonction des données reportées par le moteur de simulation et/ou de procédures prédéfinies. Enfin, l'intérêt est porté sur les sons de fracture, au vu de leur utilisation fréquente dans les environnements virtuels, et en particulier les jeux vidéos. Si la complexité du phénomène rend l'emploi d'un modèle purement physique très coûteux, l'utilisation d'enregistrements est également inadaptée pour la grande variété de micro-événements sonores. Le travail de thèse propose ainsi un modèle hybride et des stratégies possibles afin de combiner une approche physique et une approche empirique. Le modèle ainsi conçu vise à reproduire l'événement sonore de la fracture, de son initiation à la création de micro-débris.