Cette thèse apporte des solutions pour exploiter efficacement les nouvelles architectures hautement parallèles, dans le contexte des simulations d'objets déformables en temps réel. Les premières contributions de ce document, se concentrent sur le calcul de la déformation des objets. Pour cela nous proposerons des solutions de parallélisations de solveurs linéaires, couplées à des techniques de preconditionnement asynchrone. Le second ensemble de contributions, repose sur le processeur graphique pour produire une nouvelle méthode de détection des collisions, basée sur le volume d'intersection entre les objets déformables.Enfin les derniers travaux apportent des solutions pour produire une réponse précise aux contacts, et compatible avec le temps réel. Nous aborderons notamment les problèmes liés à la découpe des organes, et à la prise en compte du couplage mécanique entre les contacts. Pour terminer, nous illustrerons nos contributions dans un ensemble d’applications médicales, qui tirent parti des contributions de ce document. / This thesis provides solutions to effectively exploit the new highly parallel architectures, in the context of simulations of deformable objects in real time. The first contributions of this paper focus on calculating the deformation of objects. For that purpose, we will propose solutions of parallelization of linear solvers, coupled with asynchronous preconditioning techniques. The second set of contributions relies on the graphics processor to produce a new collision detection method, based on intersection volumes between deformable objects. Then the last works provide solutions to produce an accurate response to contacts and is compatible with real time. We will discuss issues related to the organs cutting, and the recognition of the mechanical coupling between the contacts. Finally, we will illustrate our contributions in a range of medical applications which make the most of the contributions of this paper.

L'analyse quantitative de volumes 3D obtenus par tomographie permet l’identification et la validation de modèles. La séquence d’analyse consiste en trois problèmes inverses successifs : (i) reconstruction des volumes (ii) mesure cinématique par corrélation d'images volumiques (DVC) et (iii) identification. Les très longs temps d’acquisition nécessaires interdisent de capter des phénomènes rapides. Une méthode de mesures, Projection-based Digital Volume Correlation (P-DVC), raccourcit la séquence précédente en identifiant les quantités clés sur les projections. Cette technique réduit jusqu'à 2 le nombre de radiographies utilisées pour le suivi de l’essai au lieu de 500 à 1000. Cette thèse étend cette approche en réduisant la quantité d’informations acquises, rendant ainsi accessibles des phénomènes de plus en plus rapides et repoussant les limites de la résolution temporelle. Deux axes ont ainsi été développés : - d’une part, l'utilisation de différentes régularisations, spatiales et temporelles des champs 4D (espace/temps) mesurés généralise la méthode P-DVC (avec volume de référence) à l'exploitation d’une seule radiographie par étape de chargement. L’essai peut désormais être réalisé de façon continue, en quelques minutes au lieu de plusieurs jours; - d’autre part, la mesure du mouvement peut être utilisée pour corriger le volume reconstruit lui-même. Cette observation conduit à proposer une nouvelle procédure de co-détermination du volume et de sa cinématique (sans prérequis), ce qui ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour l’imagerie des matériaux et médicale où parfois le mouvement ne peut pas être interrompu. Le développement de ces deux axes permet d’envisager de nouvelles façons de réaliser les essais, plus rapides et plus centrés sur l’identification de quantités clés. Ces méthodes sont compatibles avec les récents développements « instrumentaux » de la tomographie rapide en synchrotron ou laboratoire, et permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeurs les temps d’acquisition et les doses de rayonnement. / The quantitative analysis of 3D volumes obtained from tomography allows models to be identified and validated. It consists of a sequence of three successive inverse problems: (i) volume reconstruction (ii) kinematic measurement from Digital Volume Correlation (DVC) and (iii) identification. The required very long acquisition times prevent fast phenomena from being captured.A measurement method, called Projection-based DVC (P-DVC), shortens the previous sequence and identifies the kinematics directly from the projections. The number of radiographs needed for tracking the time evolution of the test is thereby reduced from 500 to 1000 down to 2.This thesis extends this projection-based approach to further reduce the required data, letting faster phenomena be captured and pushing the limits of time resolution. Two main axes were developed:- On the one hand, the use of different spatial and temporal regularizations of the 4D fields (space/time) generalizes the P-DVC approach (with a known reference volume) to the exploitation of a single radiograph per loading step. Thus, the test can be carried out with no interruptions, in a few minutes instead of several days.- On the other hand, the measured motion can be used to correct the reconstructed volume itself. This observation leads to the proposition of a novel procedure for the joint determination of the volume and its kinematics (without prior knowledge) opening up new perspectives for material and medical imaging where sometimes motion cannot be interrupted.end{itemize}The development of these two axes opens up new ways of performing tests, faster and driven to the identification of key quantities of interest. These methods are compatible with the recent ``hardware" developments of fast tomography, both at synchrotron beamlines or laboratory and save several orders of magnitude in acquisition time and radiation dose.

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

L'objectif de cette thèse est lerendu de scène virtuelles extrêmement détaillées.Nous nous intéressons plus particulièrementaux algorithmes de rendu de haute qualitéreposant sur du path tracing qui sont très largement utilisésdans l'industrie des effets spéciaux et pour calculerle rendu des films d'animations.Les grandes quantités de détail nécessaires à la modélisationde mondes virtuels crédibles soulèvent de sérieux problèmes d'efficacitédu rendu qui paralysent les studios et compliquent grandementle travail des artistes. Nous introduisons de nouveaux algorithmespour préfiltrer les objets 3D complexes à des échelles arbitraires,afin de réduire les temps de chargement, les coûts d'intersection des rayons lumineux,le calcul des matériaux et la quantité de bruit dans les images,le tout sans porter atteinte à la qualité du rendu.Nos contributions principales sont une nouvelle approchehybride de niveaux de détail qui allie les avantages des maillageset des représentations volumiques pour le préfiltrage des objets complexes àdes échelles arbitraires, ainsi qu'une nouvelle approchede préfiltrage pour le cas des volumes hétérogènes de haute résolution. / We address the problem of rendering extremely complex virtualscenes with large amounts of detail. We focuson high-end off-line rendering algorithms based on path tracing thatare intensively used in the special effects and 3D animation industries.The large amounts of detail required for creating believable virtual worldsraise important efficiency problemsthat paralyze production rendering pipelines andgreatly complicate the work of 3D artists.We introduce new algorithms for prefilteringcomplex 3D assets while preserving their appearanceat all scales, in order to reduce loading times,ray intersection costs, shading costs and Monte Carlo noise,without lowering the quality of rendered frames.Our main contributions are a new hybrid LODapproach that combines the benefits ofmeshes and volumetric representationsfor prefiltering complex 3D assets,as well as a new approach for prefilteringhigh-resolution heterogeneous participatingmedia.

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle approche efficace pour le rendu de scènes vastes et d'objets détaillés en temps réel. Notre approche est basée sur une nouvelle représentation pré-filtrée et volumique de la géométrie et un lancer de cone basé-voxel qui permet un rendu précis et haute performance avec une haute qualité de filtrage de géométries très détaillées. Afin de faire de cette représentation voxel une primitive de rendu standard pour le temps-réel, nous proposons une nouvelle approche basée sur les GPUs conçus entièrement pour passer à l'échelle et supporter ainsi le rendu des volumes de données très volumineux. Notre système permet d'atteindre des performances de rendu en temps réel pour plusieurs milliards de voxels. Notre structure de données exploite le fait que dans les scènes CG, les détails sont souvent concentrées sur l'interface entre l'espace libre et des grappes de densité et montre que les modèles volumétriques pourrait devenir une alternative intéressante en tant que rendu primitif pour les applications temps réel. Dans cet esprit, nous permettons à un compromis entre qualité et performances et exploitons la cohérence temporelle. Notre solution est basée sur une représentation hiérarchiques des données adaptées en fonction de la vue actuelle et les informations d'occlusion, couplé à un algorithme de rendu par lancer de rayons efficace. Nous introduisons un mécanisme de cache pour le GPU offrant une pagination très efficace de données dans la mémoire vidéo et mis en œuvre comme un processus data-parallel très efficace. Ce cache est couplé avec un pipeline de production de données capable de charger dynamiquement des données à partir de la mémoire centrale, ou de produire des voxels directement sur le GPU. Un élément clé de notre méthode est de guider la production des données et la mise en cache en mémoire vidéo directement à partir de demandes de données et d'informations d'utilisation émises directement lors du rendu. Nous démontrons notre approche avec plusieurs applications. Nous montrons aussi comment notre modèle géométrique pré-filtré et notre lancer de cones approximé peuvent être utilisés pour calculer très efficacement divers effets de flou ainsi d'éclairage indirect en temps réel. / In this thesis, we present a new approach to efficiently render large scenes and detailed objects in real-time. Our approach is based on a new volumetric pre-filtered geometry representation and an associated voxel-based approximate cone tracing that allows an accurate and high performance rendering with high quality filtering of highly detailed geometry. In order to bring this voxel representation as a standard real-time rendering primitive, we propose a new GPU-based approach designed to entirely scale to the rendering of very large volumetric datasets. Our system achieves real-time rendering performance for several billion voxels. Our data structure exploits the fact that in CG scenes, details are often concentrated on the interface between free space and clusters of density and shows that volumetric models might become a valuable alternative as a rendering primitive for real-time applications. In this spirit, we allow a quality/performance trade-off and exploit temporal coherence. Our solution is based on an adaptive hierarchical data representation depending on the current view and occlusion information, coupled to an efficient ray-casting rendering algorithm. We introduce a new GPU cache mechanism providing a very efficient paging of data in video memory and implemented as a very efficient data-parallel process. This cache is coupled with a data production pipeline able to dynamically load or produce voxel data directly on the GPU. One key element of our method is to guide data production and caching in video memory directly based on data requests and usage information emitted directly during rendering. We demonstrate our approach with several applications. We also show how our pre-filtered geometry model and approximate cone tracing can be used to very efficiently achieve blurry effects and real-time indirect lighting.

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle approche efficace pour le rendu de scènes vastes et d'objets détaillés en temps réel. Notre approche est basée sur une nouvelle représentation pré-filtrée et volumique de la géométrie et un lancer de cone basé-voxel qui permet un rendu précis et haute performance avec une haute qualité de filtrage de géométries très détaillées. Afin de faire de cette représentation voxel une primitive de rendu standard pour le temps-réel, nous proposons une nouvelle approche basée sur les GPUs conçus entièrement pour passer à l'échelle et supporter ainsi le rendu des volumes de données très volumineux. Notre système permet d'atteindre des performances de rendu en temps réel pour plusieurs milliards de voxels. Notre structure de données exploite le fait que dans les scènes CG, les détails sont souvent concentrées sur l'interface entre l'espace libre et des grappes de densité et montre que les modèles volumétriques pourrait devenir une alternative intéressante en tant que rendu primitif pour les applications temps réel. Dans cet esprit, nous permettons à un compromis entre qualité et performances et exploitons la cohérence temporelle. Notre solution est basée sur une représentation hiérarchiques des données adaptées en fonction de la vue actuelle et les informations d'occlusion, couplé à un algorithme de rendu par lancer de rayons efficace. Nous introduisons un mécanisme de cache pour le GPU offrant une pagination très efficace de données dans la mémoire vidéo et mis en œuvre comme un processus data-parallel très efficace. Ce cache est couplé avec un pipeline de production de données capable de charger dynamiquement des données à partir de la mémoire centrale, ou de produire des voxels directement sur le GPU. Un élément clé de notre méthode est de guider la production des données et la mise en cache en mémoire vidéo directement à partir de demandes de données et d'informations d'utilisation émises directement lors du rendu. Nous démontrons notre approche avec plusieurs applications. Nous montrons aussi comment notre modèle géométrique pré-filtré et notre lancer de cones approximé peuvent être utilisés pour calculer très efficacement divers effets de flou ainsi d'éclairage indirect en temps réel.

ALe bloc de latérite taillée (BLT) est l’un des matériaux en terre les plus utilisés parmi tant d’autres dans les constructions traditionnelles de l’Afrique tropical où la roche latéritique est en abondance. La demande grandissante du public et des acteurs locaux concernant ces matériaux de construction va actuellement vers un habitat traditionnel à rénover ou contemporain à concevoir pour demain. Cependant, les caractéristiques et les performances de ce matériau sont encore peu connues, ce qui limite son utilisation dans la maçonnerie. L’objectif de ce travail de thèse est donc de contribuer à la valorisation dans l’habitat de ce matériau traditionnel, universel, économique, à fort potentiel constructif, recyclable mais considéré aujourd’hui comme un sous-produit, voire déchet de carrière pour la terre. Cette étude réalisée sur les sites de l’exploitation de BLT et aux laboratoires est conduite en trois phases. La phase d’étude in-situ a permis de décrire la géologie des sites, les profils des quatre carrières d’étude, les techniques d’exploitations locales du matériau et les différents types d’habitat construits avec le BLT. La phase d’études au laboratoire a permis de déterminer la composition chimique et minéralogique, les propriétés physiques et hydriques (masses volumiques, porosité, absorption d’eau), les performances mécaniques (résistance à la compression, à la flexion, module de Young) et thermique (variation d’humidité et de température) dans un bâtiment pilote construite avec le BLT et à l’utilisation des paramètres obtenues dans les essaies du laboratoire pour modéliser une maçonneries en BLT et étudier la faisabilité de construction d’habitations à plusieurs niveaux. / ALaterite Dimension Stone (LDS) is one of the most used earth materials for traditional constructions in tropical Africa, where the laterite rock is abundant. There is a growing interest about these materials among local stakeholders, for the maintenance and renovation of existent traditional buildings as well as for the conception and design of future constructions. However, little knowledge exists concerning technical characteristics and performances of this material and this hinder its use in masonry. The objective of this work is to give a contribution for the fostering of the utilisation of such material, which is traditional, universal, cheap, with high utilisation potential, recyclable, but currently considered as a by-product or waste from quarries. This study has been carried out in three phases, both at field level (in selected quarries) and at laboratory level. The first phase (in-situ study) allowed the description of (a) the local geology, (b) the geological profiles of four selected quarries, (c) the local utilisation patterns for this material, and (d) the local construction schemes for buildings where LDS are used. The laboratory phase allowed the assessment of the chemical and mineralogical composition of rocks, their physical and hydraulic properties (densities, porosity, water absorption), their mechanical performances (compressive strength, flexural strenght, Young’s modulus) and their thermal features (thermal conductivity, diffusivity). The third phase consisted in the monitoring of thermal parameters (temperature and humidity) in a pilot LDS building and in the numerical modelling of a masonry building, using the results form phase no. 2 as input parameters, with the aim of investigating the feasibility of construction of a multi-storey house.

La combinaison de la tomographie à rayons X comme technique d’imagerie 3D non destructive, et de la corrélation d’images numériques (DVC) qui permet de mesurer les champs de déplacements à partir de paires de telles images, a ouvert la voie à l’exploitation quantitative d’expérimentations mécaniques in situ. Cette thèse contribue à élargir le champ d’application de ces techniques en développant deux axes :- d’une part la régularisation mécanique qui permet de pallier le manque de contraste microstructurale en compensant ce déficit par une connaissance a priori sur le comportement mécanique du matériau. Initialement destinée à rendre compte d’un comportement élastique linéaire, nous avons étendu cette stratégie à des essais montrant une propension à la localisation de la déformation plastique dans deux directions tout en préservant le caractère isochore de la transformation. Cette technique a été testée sur des images de laminographie de tôle d’un alliage d’Aluminium pour montrer que la déformation plastique localisée précède très sensiblement l’endommagement plastique (au sens de l’apparition et la croissance de cavités plastiques).- d’autre part, à partir d’un volume de référence reconstruit, nous avons développé une technique de corrélation d’images volumiques qui apprécie la cinématique de l’objet étudié directement sur les projections (radiographies). Cette stratégie permet de diminuer très fortement le nombre de projections nécessaires à chaque instant du chargement, et donc d’augmenter très fortement la résolution temporelle de la technique en minimisant le temps d’acquisition. Cette technique a été utilisée sur un exemple de propagation de fissure de fatigue dans une fonte à graphite sphéroïdal.- enfin l’utilisation conjointe de ces deux stratégies ouvre des perspectives séduisantes d’essais rapides avec suivi cinématique 4D où la résolution temporelle peut être augmentée de plus de deux ordres de grandeur sans compromission sur la qualité de la mesure. Enfin, il est à noter que les données expérimentales restent redondantes, si bien que la validation (ou non) des hypothèses utilisées est naturellement obtenu à l’issue du traitement. Ces deux axes soulignent le bénéfice engendré par l’infusion d’une pré-connaissance, que ce soit sur le comportement mécanique ou sur la microstructure de l’éprouvette, dans la résolution du problème inverse des mesures cinématiques. / The combination of X-Ray Tomography as a 3D nondestructive imaging technic and the digital volume correlation (DVC) which uses two images to measure displacement fields, paved the way to the quantitative exploitation of in situ mechanical testing.This thesis has contributed to broaden the scope of these technics by developing two axes :- On one hand the mechanical regularization which overcomes the lack of microstructural contrast by adding an a priori knowledge of the material’s mechanical behavior. Initially designed for and linear elastic behavior, this strategy has been extended to tests where plastic strain occurs in two directions while preserving the isochoric characteristic of the deformation. This technic has been tested on images of Aluminum plates obtained by laminography to show that localized plastic strain occurs way before plastic damage (i.e. germination and growth of plastic cavities).- On the other hand, from a reconstructed volume, a DVC technic has been developed which measure the kinematic of a sampled on the radios. This strategy allows to reduce greatly the number of necessary projections à each loading step, and therefore to improve greatly the temporal resolution by minimizing acquisition time. This technic has been used on an example of fatigue crack propagation of a cast iron.- At last, the combine use of these two strategies pave the way to appealing perspectives of fast mechanical test with 4D kinematics measurements, where the temporal resolution can be improve by more than two order of magnitude without any loss in the quality of the measure. One can realized that experimental data are redundant, so the validation (or not) of the hypotheses used is obtained at the end of the procedure.These two axes show the gain of using pre-knowledge, either on mechanical behavior, either on the microstructure o the sample, in the resolution of inverse problem for kinematics measurements.

Ce travail consiste à développer un logiciel métier basé sur la modélisation thermomécanique linéaire de l'échangeur tout en intégrant les techniques d'homogénéisation. Une méthodologie de modélisation de l'échangeur constitué par un empilement de différentes ondes et tôles brasées, est donc adoptée. Cette méthodologie suppose que le comportement global de chaque couche d'ondes et tôles, est encadré par deux comportements limites déterminés par des approches mécanique périodique (HMP) et cinématique périodique (HCP). Ces deux approches sont mises en œuvre pour l’application numérique tout en étudiant le chargement interne global dû à la température et à la pression. Un outil d'homogénéisation (HomPass) est ensuite développé afin de déterminer automatiquement les comportements équivalents à chaque onde et tôle brasées. Cela contribue au développement de l'outil métier final (SiTEME) dédié à l'étude thermomécanique globale de l'échangeur. / This work consists of developing a software tool based on the linear thermomechanical modeling of the heat exchanger using homogenization techniques. A methodology for modeling the heat exchanger constituted by stacking of different brazed fins and sheets is adopted. This methodology assumes that the global behavior of every layer of fins and sheets is found between two behavior limits determined by periodic mechanical approach (HMP) and periodic kinematical approach (HCP). These techniques are implemented for numerical application while studying global loading due to the temperature and pressure internal loads. A homogenization tool (HomPass) is then developed in order to calculate automatically equivalent behaviors to each layer of brazed fins and sheets. That contributes to the development of the final software tool (SiTEME) dedicated to the global thermomechanical study of the heat exchanger.

Cette thèse concerne la construction de formes tridimensionnelles. Nous utilisons une métaphore de sculpture virtuelle, c'est à dire une manipulation directe de la surface, sans structure de contrôle et où la représentation utilisée pour la surface demeure invisible. Notre travail est basé sur une représentation volumique. La surface modelée est représentée comme l'iso-surface d'un champ potentiel scalaire tridimensionnel échantillonné, qui permet de gérer de manière transparente les connexions et déconnexions. Un premier prototype, utilisant un échantillonnage régulier, nous a permis de valider les concepts d'interaction directe avec la surface via un outil contrôlé avec un périphérique d'entrée 3d. La surface évolue de manière indirecte à travers les modifications du champ potentiel induites par l'outil, mais du point de vue utilisateur, l'outil dépose ou repousse de la matière librement dans l'espace. Via la sélection et les opérations de copier/coller, il est possible de construire des outils de formes quelconques. Nous nous sommes également intéressés aux aspects importants de visualisation (stéréovision, reflets) et de retour haptique pour améliorer la perception, donc l'évaluation de la surface en cours de construction. Notre second prototype utilise une représentation hiérarchique adaptative permettant la construction de détails à différentes échelles et assurant l'interactivité de la mise à jour et de l'affichage. L'échantillonnage se raffine ou se simplifie dynamiquement et automatiquement, guidé par l'outil utilisé. La gestion proposée par file d'attente avec priorités autorise des extensions à plusieurs outils simultanés, éventuellement distribués sur des machines distantes.