Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la vision artificielle. Plus précisément, nous nous sommes intéressés au suivi temps réel vidéo d'objets 3D mobiles dans des séquences d'images. A l'orgine de ces travaux, se trouve un algorithme, développé au LASMEA, dédié au suivi de motifs planaires texturés. Nous nous sommes proposés d'adapter cette méthode de suivi 2D à l'estimation du mouvement apparent d'objets 3D. Pour cela, l'objet 3D est modélisé à l'aide d'une collection d'images de référence. Pour chacune de ces vues, la solution 2D citée précédemment permet de suivre les mouvements fronto parallèles (déplacements de l'objet parallèlement au plan image) qui ne modifient pas de façon majeure l'aspect apparent dans l'image. Le point délicat, solutionné dans le cadre de cette thèse, est la détection et la gestion du changement d'aspect du motif suivi dû à des rotations relatives (caméra/objet) en site et azimut. Sur le plan pratique, l'approche proposée a permis le développement d'un système expérimental de suivi d'un visage et la navigation automatique d'un bras robotique, muni d'une caméra embarquée, autour d'un objet 3D.

La production de systèmes temps-réel répartis embarqués (TR2E) est une opération lourde en temps et en coût de développement. De plus, les applications temps-réel doivent satisfaire des contraintes dures pour assurer leur bon fonctionnement (respect des échéances temporelles...). L'utilisation des langages de description d'architecture vise à réduire le coût de développement de ces applications. AADL (Architecture Analysis & Design Language) fait partie de cette famille de langages. Il propose la notion de ``composant'' (matériel ou logiciel) dont la sémantique bien définie permet de décrire plusieurs aspects d'un système TR2E. Les différentes contraintes qui doivent être satisfaites sont intégrées dans le modèle AADL sous forme de propriétés. Ce travail de thèse exploite les fonctionnalités offertes par AADL pour spécifier les besoins exacts d'une application AADL afin de la produire automatiquement. En effet, le processus de production que nous proposons (1) génère automatiquement le code pour intégrer les composants applicatifs à la plate-forme d'exécution, (2) génère automatiquement une importante partie des composants intergiciels taillés sur mesure pour l'application et (3) déploie automatiquement les composants applicatifs et intergiciels afin d'obtenir un système fortement dédié à l'application. Notamment, la plate-forme d'exécution supportant les composants AADL est elle même configurée statiquement en fonction des propriétés spécifiées. L'approche adoptée réduit le temps de développement et permet d'obtenir un code personnalisé et analysable. La configuration et le déploiement (souvent séparés du processus de développement) sont désormais automatiques et intégrés à la chaîne de production.

Le langage d'analyse et de description d'architectures (AADL) fait l'objet d'un intérêt croissant dans l'industrie des systèmes embarqués tempsréel. Il définit plusieurs catégories de composants, réparties en trois grandes familles (logiciel, matériel, système). Le travail réalisé durant cette thèse exploite les fonctionnalités offertes par AADL pour spécifier les besoins exacts d'une application et exprimer toutes les caractéristiques tant fonctionnelles que non fonctionnelles dimensions temporelle et spatiale), afin de la produire automatiquement. La méthodologie de production que nous proposons génère automatiquement, à partir d'une application décrite en AADL, une application décrite en BIP. BIP permet de mettre en place des systèmes robustes et sûrs en produisant un contrôleur d'exécution correct par construction et en fournissant un modèle formel. Les objectifs de ce processus de production sont : (1) fournir à AADL une sémantique formelle définie en termes de systèmes de transitions étiquetés ; (2) permettre l'analyse et la validation, c'est à dire, l'exploration exhaustive de l'espace des états du système, la détection des blocages potentiels et la vérification de certaines propriétés ; (3) permettre la génération d'une application exécutable pour simuler et déboguer les modèles AADL. Ces trois derniers points jouent en faveur de l'utilisation de méthodes formelles dans le cycle de développement.

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.