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Automating the tasks of authoring textures and materials for 3D virtual worlds is in high demand in the film and video game industry. In this context, we are interested in stochastic structured textures (and by extension to materials), among the most widespread. Characterized by spatially varying properties, they are particularly difficult to reproduce by by-example synthesis methods and have been the subject of little research work. We propose a new method of textures and materials synthesis, called semi-procedural, consisting in separating the synthesis of the structure, from that of the color details. The structure, procedural, uses a new generic sparse convolutional noise function that is infinite, repeatless, coherent, editable and controllable. The details are generated by-example via an automatic parallel optimization approach resulting in visual similarity. This method takes advantage of the best world of procedural and by-example synthesis: results faithful to examples, low storage cost representation, ability to synthesize on the fly, high degree of control, and scalability.; L’automatisation des tâches de création de textures et de matériaux des mondes virtuels 3D est en forte demande dans l'industrie du film et des jeux vidéo. Dans ce cadre, nous nous intéressons aux textures stochastiques structurées (et par extension aux matériaux), parmi les plus répandues. Caractérisées par des propriétés variant spatialement, elles sont particulièrement difficiles à reproduire par les méthodes de synthèse par l’exemple et ont fait l’objet de peu de travaux de recherche. Nous proposons une nouvelle méthode de synthèse de textures et de matériaux, dite semi-procédurale, consistant à séparer la synthèse de la structure, de celle des détails de couleur. La structure, procédurale, utilise une nouvelle fonction générique de bruit à convolution parcimonieuse, infinie, sans répétition, cohérente, éditable et contrôlable. Les détails sont générés par l’exemple via une approche d'optimisation parallèle automatique engendrant une similitude visuelle. Cette méthode tire parti du meilleur du monde de la synthèse procédurale et par l’exemple : résultats fidèles aux exemples, représentation à faible coût de stockage, possibilité de synthétiser à la volée, degré élevé de contrôle, et passage à l’échelle.

Poster du programme de recherche du "Camp du drap d'or numérique", présenté au Consortium 3D pour les SHS, Bordeaux, décembre 2021 (IRHIS université de Lille et LISIC université du Littoral) (France). Le Camp du drap d'or numérique est un programme de l'I-SITE université Lille Nord-Europe. Il a pour but de modéliser en 3D les infrastructures éphémères construites pour la rencontre spectaculaire des cours de France et d'Angleterre qui eut lieu pendant trois semaines, en juin 1520, au sud de Calais. Il vise à créer une expérience sensible des installations alors construites, lors d'immersions dans l'image 3D et d'intégrer à celle-ci la documentation historique mobilisée par les chercheurs. Ce programme interdisciplinaire nécessite un long travail de rétro-ingénierie historique ainsi que la recherche en informatique graphique afin de résoudre des verrous technologiques pour restituer de manière réaliste les matériaux de luxe et les jeux de lumière qu'ils provoquent., Poster of the research programme "The Digital Field of Cloth of Gold", presented to the Consortium 3D for the HUmanities, Bordeaux, décembre 2021(IRHIS university of Lille and LISIC université du Littoral) (France).

Visual representations are essential to explore and communicate on an idea or a phenomenon. As digital software for 3D modeling and animation are still complex and specialized, they usually do not favor creativity. In particular, they offer no easy way to quickly draft a series of alternative options. Thus, up to now, sketching on a physical medium remains the only simple and general means to create such representations.Recently, sketch-based modeling techniques were intensively studied to create 3D models but only few techniques use sketching as input to create and immerse the users into a 3D environment, guide the motion of shapes or explore hypotheses.In this thesis, we focused on a real-time modeling of complex and time-evolving scenes using only sketching as input. More precisely, the long term vision would be to provide users with an augmented pen enabling them to interactively create an 3D scene composed of shapes that can be put into motion or deformed while enabling refinement both on the creation and motion without any editing pipeline.Through a collaboration with architects, we first introduce Nested Explorative Maps, a new type of 3D sketch for the easy creation and exploration of ideas applied to the preliminary design of man-made shapes. Our model enables coarse to fine sketching of nested structures to progressively shape a 3D building from floor plan to interior design while keeping the original strokes and allowing interactive navigation through the alternative design that the sketch visually suggests.We then tackle the synthesis of anisotropic distributions from a sketch as a means for general creation of content both in 2D and 3D. From a simple multi-resolution analysis of the shape distributions, we propose an efficient method to synthesize the input distribution into an extended 2D domain but also a 3D embedding of this extended distribution in addition to an illusion of depth to enable users to immediately explore a 3D environment inspired from their sketch.Finally, we collaborated with biologists to explore animated 3D sketches, where motions and deformations of organic shapes can be expressed and refined through the use of a simple depiction vocabulary inspired from standard representations in their field, and key-frame snippets., Les représentations visuelles sont essentielles pour explorer et communiquer une idée ou un phénomène. Alors que les logiciels numériques pour la modélisation 3D et l'animation restent complexes et spécialisés, ils ne favorisent généralement pas la créativité. En particulier, ils ne permettent pas l'ébauche rapide d'options alternatives. Par conséquent, le croquis sur un support physique reste, jusqu'à présent, la manière la plus simple et générale pour créer de telles représentations.Récemment, les techniques de modélisation par esquisse ont été intensément étudiées pour la création de modèles 3D mais seulement peu d'entre elles exploitent le croquis comme entrée pour créer et immerger les utilisateurs dans un environnement 3D, guider le mouvement ou encore explorer des hypothèses.Cette thèse se concentre sur la modélisation en temps réel de scènes complexes et évoluant dans le temps en utilisant, en entrée, uniquement des esquisses. Plus précisément, la vision à long terme serait de fournir aux utilisateurs une sorte de crayon 'augmenté' leur permettant de créer interactivement une scène 3D composée de formes qui peuvent être mises en mouvement ou déformées tout en permettant le raffinement à la fois sur la création et le mouvement et, sans se voir imposer d'ordre spécifique dans ce processus de création.Grâce à une collaboration avec des architectes, nous avons tout d'abord mis en place Nested Explorative Maps, un nouveau type de croquis 3D dédié à la création rapide et l'exploration d'idées pour la conception préliminaire de formes architecturales. Notre modèle permet d'esquisser des structures imbriquées du grossier au détails afin de façonner progressivement un bâtiment 3D, du plan de sol aux détails d'intérieurs et de façade, tout en conservant les traits de l'utilisateur et en permettant une navigation interactive à travers les options alternatives suggérées visuellement par l’esquisse.Nous avons ensuite abordé la synthèse de distributions anisotropes à partir d'une esquisse comme un outil général de création de contenu à la fois en 2D et en 3D. À partir d'une analyse multi-résolution de distributions de formes, nous proposons une méthode efficace pour la synthèse des éléments présents dans une esquisse à la fois dans un domaine 2D étendu, mais également en 3D et complétée par une illusion de profondeur afin de permettre aux utilisateurs de s’immerger immédiatement dans un environnement 3D qui s'inspire de leur esquisse.Enfin, nous avons collaboré avec des biologistes pour explorer les croquis 3D animés, où les mouvements et déformations de formes organiques peuvent être exprimés et raffinés grâce à l'utilisation d'un vocabulaire simple inspiré des standards de représentations de leur domaine et d’encarts de position clés.

Ribbons are a thin structure intermediate between rods and shells. They are used to model a wide range of real objects at various scales. For example, at the nanoscopic scale we find proteins or DNA molecules that can be represented by ribbons. At the mesoscopic scale we find strips of fabric or paper. And at the macroscopic scale, ribbons are becoming popular in architecture, for example to build deployable structures. While many numerical models have been developed in the last decades for rods and plates, very few are specific to ribbons. In this thesis, we propose a robust and efficient numerical model to calculate the stable equilibrium states of a naturally flat or curved ribbon. Our contribution can be divided into three parts.First, the establishment of the numerical model relies on the analytic description of van der Heijden and Audoly. The spatial discretization is based on elements with linear normal curvature and quadratic geodesic torsion in the curvilinear abscissa, which allows a great richness of kinematic representations while guaranteeing the perfect inextensibility of the ribbon. The stable equilibria are calculated by minimizing the gravitational and elastic energies of the ribbon according to the Sadowsky or Wunderlich formulation, under developability constraints. The ribbon can be clamped at one or both of its extremities. Also, the contact is managed between the ribbon and one or more planes.In a second contribution, we compare our ribbon model to the super-clothoid rod model and the Naghdi shell model. Being more general, the shell model gives the same equilibria as our model. However, being non-specific, the shell model takes several minutes a given equilibrium, compared to the few seconds needed for our model. We thus validate the latter, while showing its effectiveness. However, the rod model with a flat cross-section does not reach the same equilibria, showing the usefulness of a ribbon model.Finally, we carry out a series of experiments, in particular the calculation of a heavy Moebius ribbon placed on a table, Benoît Roman's experiment consisting in constraining a ribbon between two plates, and a lateral buckling experiment. This finally leads us to discuss the limits of our reduced model, both in terms of the continuous equations on which it is based, and their discretization., Les rubans constituent une structure mince intermédiaire entre les tiges et les coques. Ils servent à modéliser une large gamme d'objets réels à diverses échelles. Par exemple, à l'échelle nanoscopique on retrouve les protéines ou molécules d'ADN qui peuvent être représentées par des rubans. À l'échelle mésoscopique on retrouve les bandes de tissu ou de papier. Et à l'échelle macroscopique les rubans deviennent populaires en architecture, servant par exemple à réaliser des structures déployables. Si de nombreux modèles numériques ont été développés ces dernières décennies pour les tiges et les plaques, il en existe en revanche très peu qui soient spécifiques aux rubans. Dans cette thèse, nous proposons un modèle numérique robuste et efficace pour calculer les états d'équilibre stables d'un ruban naturellement plat ou courbé. Notre contribution se décompose en trois axes.Premièrement, l'établissement du modèle numérique s'appuie sur la description analytique de van der Heijden et Audoly. La discrétisation spatiale se base sur des éléments à courbure normale linéaire et torsion géodésique quadratique en l'abscisse curviligne, qui permettent une grande richesse de représentation cinématique tout en garantissant l'inextensibilité parfaite du ruban. Les équilibres stables sont calculés par minimisation des énergies de gravité et d'élasticité du ruban selon la formulation de Sadowsky ou de Wunderlich, sous contrainte de développabilité. Le ruban peut être encastré par une ou deux de ses extrémités. Aussi, le contact est géré entre le ruban et un ou plusieurs plans.Dans une seconde contribution, nous comparons notre modèle de ruban au modèle de tige des super-clothoïdes et au modèle de coques de Naghdi. Étant plus général, le modèle de coque donne les mêmes équilibres que ceux de notre modèle. Cependant, étant non spécifique, le modèle de coque prend plusieurs minutes pour converger vers l'équilibre, à comparer aux quelques secondes nécessaires à notre modèle. On valide ainsi ce dernier, tout en montrant son efficacité. De son côté, le modèle de tige avec une section plate ne parvient pas aux même résultats, montrant l'utilité d'un modèle de rubans.Enfin nous menons une série d'expériences, en particulier le calcul d'un ruban de Moebius pesant que l'on pose sur une table, l'expérience de Benoît Roman consistant à écraser un ruban entre deux plaques et une expérience de déversement latéral. Cela nous conduit finalement à discuter les limites de notre modèle réduit, tant au niveau des équations continues dont il s'inspire, que de leur discrétisation.

As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc.; Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc.

As technological advances and capabilities in the field of computer graphics grow day by day, the need to master the visualization and processing of 3D data increases at an equal pace. Indeed, the development of modeling software and acquisition devices makes 3D graphics rich and realistic: complex models enriched with various appearance attributes. The way this 3D content is consumed is also evolving from standard screens to Virtual and Mixed Reality (VR/MR). However, the size and complexity of these rich 3D models often make their interactive visualization problematic. This is particularly the case in immersive environments and online applications. Thus, to avoid latency and rendering issues, diverse processing operations, including simplification and compression, are usually applied, resulting in a loss of quality in the final rendering. Therefore, both subjective studies and objective metrics are needed to predict this visual loss and to assess the quality as perceived by human observers. In this thesis, we address the aforementioned challenges. We conduct an extensive study to determine the best subjective quality assessment methodology to adopt for assessing the visual quality of 3D graphics, especially in VR. We establish two quality assessment datasets composed of meshes with vertex colors and textured meshes, respectively. The former is produced in VR and the latter in crowdsourcing. To the best of our knowledge, these are the largest datasets for meshes with color attributes to date. Moreover, we provide an in-depth analysis of the influence of source model characteristics, distortion interactions, viewpoints and animations on the perceived quality of 3D meshes. Leveraging our two established datasets, we propose two data-driven perceptual metrics for quality assessment of 3D graphics with color attributes. The first metric is model-based while the second is an image-based metric that employs convolutional neural networks. Our metrics demonstrate state-of-the-art results on our two datasets. Lastly, we investigate how incorporating visual attention into our perceptual quality metric improves the predicted quality. The datasets and the source code of the metrics are publicly available., Au fur et à mesure que le progrès technologique et les capacités dans le domaine de l'informatique graphique augmentent de jour en jour, le besoin de maîtriser la visualisation et le traitement des données 3D augmente au même rythme. En effet, le développement des logiciels de modélisation et des dispositifs d'acquisition rend les graphiques 3D riches et réalistes: des modèles complexes enrichis de divers attributs d'apparence. Le mode de consommation du contenu 3D évolue également, passant des écrans standards à la Réalité Virtuelle et Mixte (VR/MR). Cependant, la taille et la complexité des riches modèles 3D rendent souvent leur visualisation interactive problématique. C'est notamment le cas dans les environnements immersifs et les applications en ligne. Ainsi, pour éviter les problèmes de latence et de rendu, diverses opérations de traitement, dont la simplification et la compression, sont généralement appliquées aux modèles 3D, entraînant une perte de qualité dans le rendu final. Par conséquent, des études subjectives et des mesures objectives sont nécessaires pour prédire cette perte visuelle et évaluer la qualité telle que perçue par les observateurs humains. Dans cette thèse, nous relevons les défis susmentionnés. Nous menons une étude approfondie pour déterminer la meilleure méthodologie d'évaluation subjective de la qualité à adopter pour évaluer la qualité visuelle des graphiques 3D, en particulier dans la VR. Nous établissons deux bases de données d'évaluation de la qualité composés de maillages avec des couleurs par sommets et de maillages texturées, respectivement. Le premier est produit en VR et le second en crowdsourcing. À notre connaissance, il s'agit des plus grands bases de données pour les maillages avec attributs de couleur disponibles à ce jour. En outre, nous fournissons une analyse approfondie de l'influence des caractéristiques des modèles sources, des interactions de distorsion, des points de vue et des animations sur la qualité perçue des maillages 3D. En s'appuyant sur nos deux bases de données établies, nous proposons deux métriques perceptuelles pour l'évaluation de la qualité des graphiques 3D avec des attributs de couleur. La première métrique est basée modèle tandis que la seconde est une métrique basée image qui utilise des réseaux neuronaux convolutifs. Nos métriques donnent des résultats de pointe sur nos deux bases de données. Enfin, nous étudions comment l'intégration de l'attention visuelle dans notre métrique de qualité perceptuelle améliore la qualité prédite.Les bases de données et le code source des métriques sont disponibles en ligne.

The production of 3D animated motion picture now relies on physically realistic rendering techniques, that simulate light propagation within each scene. In this context, 3D artists must leverage lighting effects to support staging, deploy the film's narrative, and convey its emotional content to viewers. However, the equations that model the behavior of light leave little room for artistic expression. In addition, editing illumination by trial-and-error is tedious due to the long render times that physically realistic rendering requires. To remedy these problems, most animation studios resort to compositing, where artists rework a frame by associating multiple layers exported during rendering. These layers can contain geometric information on the scene, or isolate a particular lighting effect. The advantage of compositing is that interactions take place in real time, and are based on conventional image space operations. Our main contribution is the definition of a new type of layer for compositing, the shadow layer. A shadow layer contains the amount of energy lost in the scene due to the occlusion of light rays by a given object. Compared to existing tools, our approach presents several advantages for artistic editing. First, its physical meaning is straightforward: when a shadow layer is added to the original image, any shadow created by the chosen object disappears. In comparison, a traditional shadow matte represents the ratio of occluded rays at a pixel, a grayscale information that can only serve as an approximation to guide compositing operations. Second, shadow layers are compatible with global illumination: they pick up energy lost from secondary light sources that are scattered at least once in the scene, whereas the current methods only consider primary sources. Finally, we prove the existence of an overestimation of illumination in three different renderers when an artist disables the shadow of an object; our definition fixes this shortcoming. We present a prototype implementation for shadow layers obtained from a few modifications of path tracing, the main rendering algorithm in production. It exports the original image and any number of shadow layers associated with different objects in a single rendering pass, with an additional 15% time in scenes containing complex geometry and multiple participating media. Optional parameters are also proposed to the artist to fine-tune the rendering of shadow layers., La réalisation des films d'animation 3D s'appuie de nos jours sur les techniques de rendu physiquement réaliste, qui simulent la propagation de la lumière dans chaque scène. Dans ce contexte, les graphistes 3D doivent jouer avec les effets de lumière pour accompagner la mise en scène, dérouler la narration du film, et transmettre son contenu émotionnel aux spectateurs. Cependant, les équations qui modélisent le comportement de la lumière laissent peu de place à l'expression artistique. De plus, l'édition de l'éclairage par essai-erreur est ralentie par les longs temps de rendu associés aux méthodes physiquement réalistes, ce qui rend fastidieux le travail des graphistes. Pour pallier ce problème, les studios d'animation ont souvent recours à la composition, où les graphistes retravaillent l'image en associant plusieurs calques issus du processus de rendu. Ces calques peuvent contenir des informations géométriques sur la scène, ou bien isoler un effet lumineux intéressant. L'avantage de la composition est de permettre une interaction en temps réel, basée sur les méthodes classiques d'édition en espace image. Notre contribution principale est la définition d'un nouveau type de calque pour la composition, le calque d'ombre. Un calque d'ombre contient la quantité d'énergie perdue dans la scène à cause du blocage des rayons lumineux par un objet choisi. Comparée aux outils existants, notre approche présente plusieurs avantages pour l'édition. D'abord, sa signification physique est simple à concevoir : lorsque l'on ajoute le calque d'ombre et l'image originale, toute ombre due à l'objet choisi disparaît. En comparaison, un masque d'ombre classique représente la fraction de rayons bloqués en chaque pixel, une information en valeurs de gris qui ne peut servir que d'approximation pour guider la composition. Ensuite, le calque d'ombre est compatible avec l'éclairage global : il enregistre l'énergie perdue depuis les sources secondaires, réfléchies au moins une fois dans la scène, là où les méthodes actuelles ne considèrent que les sources primaires. Enfin, nous démontrons l'existence d'une surestimation de l'éclairage dans trois logiciels de rendu différents lorsque le graphiste désactive les ombres pour un objet ; notre définition corrige ce défaut. Nous présentons un prototype d'implémentation des calques d'ombres à partir de quelques modifications du Path Tracing, l'algorithme de choix en production. Il exporte l'image originale et un nombre arbitraire de calques d'ombres liés à différents objets en une passe de rendu, requérant un temps supplémentaire de l'ordre de 15% dans des scènes à géométrie complexe et contenant plusieurs milieux participants. Des paramètres optionnels sont aussi proposés au graphiste pour affiner le rendu des calques d'ombres.

The thesis focuses on an approach to physical simulation that is dedicated to the modeling and simulation of dynamic phenomena using particle-based physical models, while abstracting from the form. This is a reversed viewpoint compared to the usual methods. This approach leads to the proposal of a modeling and simulation pipeline composed of a physical model without geometry upstream and models for morphology downstream. It is then a question of associating the evolutions of a point cloud provided by the upstream physical model with downstream morphological models.In this context, two recent results have focused on the modeling and simulation of dynamic phenomena with spatial discontinuity.At the level of the physical model, a process called splitting MATs has been recently introduced, which extends the formalism of particulate physical systems. This process focuses the physical discontinuities directly on the material points, rather than on the interactions between material points, while respecting the conservation of the energy of the dynamical system and guaranteeing a stability of the computational step cost throughout the animation.At the level of the downstream morphological models, it has been proposed in parallel to introduce an explicit modeling of the topological properties. The knowledge of the topological structure of the object being transformed, in particular the description of its visible and non-visible borders and the process allowing its borders to emerge when a discontinuity appears, is fundamental to fully dispose of the whole modeling chain. Topological models, in particular those of the generalized combinatorial maps or G-maps type, fulfill this role.These two recent contributions, however, had never been associated until now.The first axis of our work aimed at introducing an explicit topological stage of G-maps type downstream of physical models with exploding MATs.A second axis of our work aimed at the design of adapted modeling tools. The MIMESIS modeler based on a mass-interaction system as well as the topological formalism of the G-maps both present a very constructivist character. Our choices were oriented towards the proposal of a complete and constructivist modeling tool for the topo-geometric downstream.The thesis started by analyzing the interests of introducing a topological stage between the physical upstream and geometric downstream stages in the context of exploding MATs. This analysis led to a proposal of new modalities of association between the phenomenological data of the motion coming from the physical model, including the events indicating the spatial discontinuities produced by the splitting MATs, and the topological model then the geometrical model, including the control of the topological discontinuities. To show its efficiency, we have evaluated this proposal on very complex physical and topological models, of the order of millions of physical and topological, volumetric and 3D elements. These experiments and the algorithmic analysis of the proposed method show that the addition of a topological model is advantageous to go towards real time. Finally, in the perspective of a modeling tool for topo-geometric stages, we have proposed a prototype formalism to associate phenomenological motion data to a topo-geometric structure. This formalism allows to describe in an interactive and modular way topologies, topological transformations and their control by motion data, in a constructivist process. A model has been proposed in order to allow the user to model various associations between these motions and topo-geometric structures including dynamic topo-geometric transformations and to visualize them., La thèse s’intéresse à une approche de la simulation physique qui se consacre à la modélisation et la simulation de phénomènes dynamiques au moyen de modèles physiques particulaires, tout en faisant abstraction de la forme. Il s’agit d’un point de vue renversé par rapport aux méthodes usuelles. Cette approche conduit à la proposition d’un pipeline de modélisation et de simulation composé d’un modèle physique sans géométrie en amont et de modèles pour la morphologie en aval. Il s’agit alors d’associer les évolutions d’un nuage de points fourni par le modèle physique amont à des modèles morphologiques avals. Dans ce contexte, deux résultats récents se sont intéressés au cas de la modélisation et de la simulation de phénomènes dynamiques avec discontinuité spatiale. Au niveau du modèle physique, un procédé appelé MATs éclatables a été récemment introduit, qui étend le formalisme des systèmes physiques particulaires. Ce procédé fait porter les discontinuités physiques directement sur les points matériels, plutôt que sur les interactions entre points matériels, tout en respectant la conservation de l’énergie du système dynamique et en garantissant une stabilité du coût du pas de calcul tout au long de l’animation. Au niveau des modèles morphologiques avals, il a en parallèle été proposé d’introduire une modélisation explicite des propriétés topologiques. La connaissance de la structure topologique de l’objet en cours de transformation, notamment la description de ses frontières visibles et non visibles et le processus permettant de faire émerger ses frontières lorsqu’une discontinuité apparaît, est fondamentale pour disposer pleinement de toute la chaine de modélisation. Les modèles topologiques, en particulier ceux de type cartes combinatoires généralisées ou G-cartes, remplissent ce rôle. Ces deux apports récents, toutefois, n’avaient jusqu’alors jamais été associés. Le premier axe de notre travail visait alors à introduire un étage topologique explicite de type G-cartes en aval de modèles physiques munis de MATs éclatables. Un second axe a visé la conception d’outils de modélisation adaptés. Le modeleur MIMESIS basé système masses-interactions ainsi que le formalisme topologique des G-Cartes présentent tous deux un caractère très constructiviste. Nos choix se sont orientés vers la proposition d’un outil de modélisation complet et constructiviste pour l’aval topo-géométrique. La thèse a débuté en analysant les intérêts de l’introduction d’un étage topologique entre l’étage physique en amont et géométrique en aval dans le contexte des MATs éclatables. Cette analyse a conduit à une proposition de nouvelles modalités d’association entre les données phénoménologiques du mouvement en provenance du modèle physique, incluant les évènements indiquant les discontinuités spatiales produits par les MATs éclatables, et le modèle topologique puis le modèle géométrique, incluant le contrôle des discontinuités topologiques. Pour en montrer l’efficacité, nous avons évalué cette proposition sur des modèles physiques et topologiques très complexes, de l’ordre de millions d’éléments physiques et topologiques, volumiques et 3D. Ces expérimentations et l’analyse algorithmiques de la méthode proposée montrent que l’ajout d’un modèle topologique est avantageux pour aller vers du temps réel. Enfin, dans la perspective d’un outil de modélisation pour les étages topo-géométriques, nous avons proposé un formalisme prototype pour associer les données phénoménologiques de mouvement à une structure topo-géométrique. Ce formalisme permet de décrire de manière interactive et modulaire des topologies, des transformations topologiques et leur contrôle par des données de mouvement, dans un procédé constructiviste. Un modèle a été proposée dans le but de permettre à l’utilisateur de modéliser diverses associations entre ces mouvements et les structures topo-géométriques incluant les transformations topo-géométriques dynamiques et de les visualiser.

3D acquisition techniques like photogrammetry and laser scanning are commonly used in numerous fields such as reverse engineering, archeology, robotics and urban planning. The main objective is to get virtual versions of real objects in order to visualize, analyze and process them easily. Acquisition techniques become more and more powerful and affordable which creates important needs to process efficiently the resulting various and massive 3D data. Data are usually obtained in the form of unstructured 3D point cloud sampling the scanned surface. Traditional signal processing methods cannot be directly applied due to the lack of spatial parametrization. Points are only represented by their 3D coordinates without any particular order. This thesis focuses on the notion of scale of analysis defined by the size of the neighborhood used to locally characterize the point-sampled surface. The analysis at different scales enables to consider various shapes which increases the analysis pertinence and the robustness to acquired data imperfections. We first present some theoretical and practical results on curvature estimation adapted to a multi-scale and multi-resolution representation of point clouds. They are used to develop multi-scale algorithms for the recognition of planar and anisotropic shapes such as cylinders and feature curves. Finally, we propose to compute a global 2D parametrization of the underlying surface directly from the 3D unstructured point cloud., Les techniques d'acquisition numérique 3D comme la photogrammétrie ou les scanners laser sont couramment utilisées dans de nombreux domaines d'applications tels que l'ingénierie inverse, l'archéologie, la robotique, ou l'urbanisme. Le principal objectif est d'obtenir des versions virtuels d'objets réels afin de les visualiser, analyser et traiter plus facilement. Ces techniques d'acquisition deviennent de plus en plus performantes et accessibles, créant un besoin important de traitement efficace des données 3D variées et massives qui en résultent. Les données sont souvent obtenues sont sous la forme de nuage de points 3D non-structurés qui échantillonnent la surface scannée. Les méthodes traditionnelles de traitement du signal ne peuvent alors s'appliquer directement par manque de paramétrisation spatiale, les points étant explicités par leur coordonnées 3D, sans ordre particulier. Dans cette thèse nous nous focalisons sur la notion d'échelle d'analyse qui est définie par la taille du voisinage utilisé pour caractériser localement la surface échantillonnée. L'analyse à différentes échelles permet de considérer des formes variées et ainsi rendre l'analyse plus pertinente et plus robuste aux imperfections des données acquises. Nous présentons d'abord des résultats théoriques et pratiques sur l'estimation de courbure adaptée à une représentation multi-échelle et multi-résolution de nuage de points. Nous les utilisons pour développer des algorithmes multi-échelle de reconnaissance de formes planaires et anisotropes comme les cylindres et les lignes caractéristiques. Enfin, nous proposons de calculer une paramétrisation 2D globale de la surface sous-jacente directement à partir de son nuage de points 3D non-structurés.

3D acquisition techniques like photogrammetry and laser scanning are commonly used in numerous fields such as reverse engineering, archeology, robotics and urban planning. The main objective is to get virtual versions of real objects in order to visualize, analyze and process them easily. Acquisition techniques become more and more powerful and affordable which creates important needs to process efficiently the resulting various and massive 3D data. Data are usually obtained in the form of unstructured 3D point cloud sampling the scanned surface. Traditional signal processing methods cannot be directly applied due to the lack of spatial parametrization. Points are only represented by their 3D coordinates without any particular order. This thesis focuses on the notion of scale of analysis defined by the size of the neighborhood used to locally characterize the point-sampled surface. The analysis at different scales enables to consider various shapes which increases the analysis pertinence and the robustness to acquired data imperfections. We first present some theoretical and practical results on curvature estimation adapted to a multi-scale and multi-resolution representation of point clouds. They are used to develop multi-scale algorithms for the recognition of planar and anisotropic shapes such as cylinders and feature curves. Finally, we propose to compute a global 2D parametrization of the underlying surface directly from the 3D unstructured point cloud.; Les techniques d'acquisition numérique 3D comme la photogrammétrie ou les scanners laser sont couramment utilisées dans de nombreux domaines d'applications tels que l'ingénierie inverse, l'archéologie, la robotique, ou l'urbanisme. Le principal objectif est d'obtenir des versions virtuels d'objets réels afin de les visualiser, analyser et traiter plus facilement. Ces techniques d'acquisition deviennent de plus en plus performantes et accessibles, créant un besoin important de traitement efficace des données 3D variées et massives qui en résultent. Les données sont souvent obtenues sont sous la forme de nuage de points 3D non-structurés qui échantillonnent la surface scannée. Les méthodes traditionnelles de traitement du signal ne peuvent alors s'appliquer directement par manque de paramétrisation spatiale, les points étant explicités par leur coordonnées 3D, sans ordre particulier. Dans cette thèse nous nous focalisons sur la notion d'échelle d'analyse qui est définie par la taille du voisinage utilisé pour caractériser localement la surface échantillonnée. L'analyse à différentes échelles permet de considérer des formes variées et ainsi rendre l'analyse plus pertinente et plus robuste aux imperfections des données acquises. Nous présentons d'abord des résultats théoriques et pratiques sur l'estimation de courbure adaptée à une représentation multi-échelle et multi-résolution de nuage de points. Nous les utilisons pour développer des algorithmes multi-échelle de reconnaissance de formes planaires et anisotropes comme les cylindres et les lignes caractéristiques. Enfin, nous proposons de calculer une paramétrisation 2D globale de la surface sous-jacente directement à partir de son nuage de points 3D non-structurés.

With recent increases in computing power, virtual worlds are now larger and more complex than ever. As such content becomes widespread in many different media, the expectation of realism has also dramatically increased for the end user.As a result, a large body of work has been accomplished on the modeling and generation of terrains and vegetation, sometimes also considering their interactions. However, animals have received far less attention and are often considered in isolation. Along with a lack of authoring tools, this makes the modeling of ecosystems difficult for artists, who are either limited in their creative freedom or forced to break biological realism.In this thesis, we present new methods suited to the authoring of ecosystems, allowing creative freedom without discarding biological realism. We provide data-centered tools for an efficient authoring, while keeping a low data requirement. By taking advantage of existing biology knowledge, we are able to guarantee both the consistency and quality of the results.We present dedicated methods for precise and intuitive instantiation of static and animated elements. Since static elements, such as vegetation, can exhibit complex interactions, we propose an accurate example-based method to synthesize complex and potentially overlapping arrangements. We apply a similar concept to the authoring of herds of animals, by using photographs or videos as input for example-based synthesis. At a larger scale, we use biological data to formulate a unified pipeline handling the global instantiation and long-term interactions of vegetation and animals. While this model enforces biological consistency, we also provide control by allowing manual editing of the data at any stage of the process.Our methods provide both user control and realism over the entire ecosystem creation pipeline, covering static and dynamic elements, as well as interactions between themselves and their environment. We also cover different scales, from individual placement and movement of elements to management of the entire ecosystem. We validate our results with user studies and comparisons with both real and expert data.; Grâce aux récentes améliorations de puissance de calcul, les mondes virtuels sont maintenant plus vastes et complexes que jamais. Alors que ce type de contenu se généralise dans de nombreux médias, les utilisateurs attendent une expérience de plus en plus réaliste. En conséquence, de nombreuses recherches ont été effectuées sur la modélisation et la génération de terrains et de végétation, et parfois leurs interactions. Néanmoins, les animaux ont reçu moins d'attention et sont souvent étudiés en isolation. Avec le manque d'outils d'édition intuitive, ces problèmes font de la modélisation d'écosystèmes une tâche difficile pour les artistes, qui se retrouvent limités dans leur liberté créative, ou forcés d'ignorer le réalisme biologique.Dans cette thèse, nous présentons des nouvelles méthodes adaptées au design et à l'édition d'écosystèmes virtuels, permettant la liberté créative sans pour autant renoncer à la plausibilité biologique. Notre approche a pour objectif de fournir des outils basés sur des données concrètes pour permettre une édition efficace des écosystèmes, tout en ne nécessitant qu'un nombre peu élevé de données. En incorporant les connaissances existantes sur la biologie à nos modèles, nous sommes capables de garantir à la fois la cohérence et la qualité des résultats.Nous présentons des méthodes dédiées à l'instantiation précise et intuitive d'éléments statiques et animés. Comme les éléments statiques peuvent présenter des interactions complexes, nous proposons une méthode précise, basée sur l'exemple et adaptée aux recouvrements. Nous appliquons un concept similaire à l'édition de troupeaux, en utilisant des photographies ou vidéos comme entrée d'un algorithme de synthèse par l'exemple. À une échelle plus large, nous utilisons des données biologiques pour formuler un processus unifié gérant l'instantiation globale et les interactions de long terme entre la végétation et les animaux. En plus de garantir la cohérence biologique, ce modèle offre un contrôle sur le résultat via l'édition des informations à toute étape.Nos méthodes fournissent contrôle et réalisme durant le processus de création d'écosystèmes, en prenant en compte les éléments statiques et dynamiques, ainsi que leurs interactions à plusieurs échelles. Nous validons nos résultats à l'aide d'études utilisateur, ainsi que des comparaisons avec des données réelles ou d'experts.

With recent increases in computing power, virtual worlds are now larger and more complex than ever. As such content becomes widespread in many different media, the expectation of realism has also dramatically increased for the end user.As a result, a large body of work has been accomplished on the modeling and generation of terrains and vegetation, sometimes also considering their interactions. However, animals have received far less attention and are often considered in isolation. Along with a lack of authoring tools, this makes the modeling of ecosystems difficult for artists, who are either limited in their creative freedom or forced to break biological realism.In this thesis, we present new methods suited to the authoring of ecosystems, allowing creative freedom without discarding biological realism. We provide data-centered tools for an efficient authoring, while keeping a low data requirement. By taking advantage of existing biology knowledge, we are able to guarantee both the consistency and quality of the results.We present dedicated methods for precise and intuitive instantiation of static and animated elements. Since static elements, such as vegetation, can exhibit complex interactions, we propose an accurate example-based method to synthesize complex and potentially overlapping arrangements. We apply a similar concept to the authoring of herds of animals, by using photographs or videos as input for example-based synthesis. At a larger scale, we use biological data to formulate a unified pipeline handling the global instantiation and long-term interactions of vegetation and animals. While this model enforces biological consistency, we also provide control by allowing manual editing of the data at any stage of the process.Our methods provide both user control and realism over the entire ecosystem creation pipeline, covering static and dynamic elements, as well as interactions between themselves and their environment. We also cover different scales, from individual placement and movement of elements to management of the entire ecosystem. We validate our results with user studies and comparisons with both real and expert data., Grâce aux récentes améliorations de puissance de calcul, les mondes virtuels sont maintenant plus vastes et complexes que jamais. Alors que ce type de contenu se généralise dans de nombreux médias, les utilisateurs attendent une expérience de plus en plus réaliste. En conséquence, de nombreuses recherches ont été effectuées sur la modélisation et la génération de terrains et de végétation, et parfois leurs interactions. Néanmoins, les animaux ont reçu moins d'attention et sont souvent étudiés en isolation. Avec le manque d'outils d'édition intuitive, ces problèmes font de la modélisation d'écosystèmes une tâche difficile pour les artistes, qui se retrouvent limités dans leur liberté créative, ou forcés d'ignorer le réalisme biologique.Dans cette thèse, nous présentons des nouvelles méthodes adaptées au design et à l'édition d'écosystèmes virtuels, permettant la liberté créative sans pour autant renoncer à la plausibilité biologique. Notre approche a pour objectif de fournir des outils basés sur des données concrètes pour permettre une édition efficace des écosystèmes, tout en ne nécessitant qu'un nombre peu élevé de données. En incorporant les connaissances existantes sur la biologie à nos modèles, nous sommes capables de garantir à la fois la cohérence et la qualité des résultats.Nous présentons des méthodes dédiées à l'instantiation précise et intuitive d'éléments statiques et animés. Comme les éléments statiques peuvent présenter des interactions complexes, nous proposons une méthode précise, basée sur l'exemple et adaptée aux recouvrements. Nous appliquons un concept similaire à l'édition de troupeaux, en utilisant des photographies ou vidéos comme entrée d'un algorithme de synthèse par l'exemple. À une échelle plus large, nous utilisons des données biologiques pour formuler un processus unifié gérant l'instantiation globale et les interactions de long terme entre la végétation et les animaux. En plus de garantir la cohérence biologique, ce modèle offre un contrôle sur le résultat via l'édition des informations à toute étape.Nos méthodes fournissent contrôle et réalisme durant le processus de création d'écosystèmes, en prenant en compte les éléments statiques et dynamiques, ainsi que leurs interactions à plusieurs échelles. Nous validons nos résultats à l'aide d'études utilisateur, ainsi que des comparaisons avec des données réelles ou d'experts.

Allowing the real-time exploration of huge, detailed, heterogeneous synthetic terrains remains an unsolved challenge in computer graphics, despite forty years of research. In general, existing methods only handle terrains of limited extent, defined over a planar topology. In this thesis, we explore terrain modeling at maximum-scale, i.e. at planetary scale - a scale which exceeds by four orders of magnitude the extent of the domain of classical terrain synthesis. However, this problem has been largely neglected, only a couple of modeling methods have been proposed in past research. To tackle this challenge, we propose a novel decoupled solution, capable of generating true-to-scale planets. Our architecture takes first into account the geology of terrestrial planets by deploying a guided plate tectonics simulation. This simulation allows the generation of large-scale planetary features such as continents, oceanic relief, islands arcs and mountain ranges. This macroscopic model is then forwarded as an input to an hyper-amplification method capable of producing continuous, detailed real-time views of the terrain. To handle the size of the domain, the procedural amplification method relies on the pre-structuration of the tectonic model, allowing on-the-fly generation of the final detailed model, restricted to the current camera view. The model is produced entirely on the GPU by relying on a massively parallel stochastic subdivision scheme, guided by level-of-detail dependent rules. Overall, our method better handles certain problems tied to previous fractal methods, such as the self-similarity of homogeneous landscapes and the lack of user-control, by producing planets that show more variety, appear more realistic and can be more efficiently designed by artists.; La synthèse de terrains virtuels à la fois vastes, détaillés, hétérogènes et explorables en temps-réel, constitue un des défis de la modélisation de scènes naturelles. Les nombreuses méthodes de l’état de l’art ne proposent en général que de traiter des scènes d’étendues limitées en topologie planaire. Dans cette thèse nous abordons la modélisation de terrain à l’échelle maximale, c’est-à-dire planétaire. Peu de choses ont été proposées pour traiter ce problème qui dépasse, en termes de taille du domaine, ce qui se fait classiquement, de quatre ordres de grandeur. Pour répondre à ce défi, nous proposons une solution découplée originale à même de générer des planètes à l’échelle 1/1 présentant un bon niveau de réalisme. Notre architecture prend tout d’abord en compte la géologie des planètes telluriques en mettant en oeuvre une simulation guidée de tectonique des plaques. Celle-ci permet la génération des caractéristiques à grande échelle des planètes telles les continents, le relief océanique, les arcs d’îles ou encore les chaînes de montagnes. Ce modèle macroscopique est dans un second temps donné en entrée d’une méthode d’hyper-amplification capable de produire des vues continues, détaillées, en temps-réel du terrain. Cette seconde méthode procédurale s’appuie sur une pré-structuration du modèle macroscopique pour générer à la volée le modèle détaillé final, dépendant de la vue caméra courante. Celui-ci est produit intégralement sur GPU par un procédé massivement parallèle de subdivision stochastique, opérant à partir de règles dépendantes du niveau de détail. Notre solution résout mieux certains problèmes inhérents aux quelques méthodes précédentes, toutes fractales, comme l’auto-similarité, l’absence de variété des paysages produits et l’absence de contrôle utilisateur. Au final, les modèles planétaires que nous produisons sont jugés plus réalistes, tout en étant plus contrôlables par des artistes.

This thesis takes part in computer graphics. It studies one of its key elements, the unit vectors. We propose a new space of representation for sets of unit vectors and demonstrate its use on different kind of applications. To do so, we adapt the developed algorithms to each specific case.In the first part, we propose a compression algorithm for unorganized unit vectors sets. This method, called "Uniquant" generates coherency and uses it to change the space of representations of the data, in order to compresses collaboratively the vectors. We then use Uniquant in case of application to compress points cloud with orientations. The algorithm is able to compress the normals of the points on-the-fly.In the second part, we propose to compress a key element of the Monte Carlo rendering algorithm: the light ray. This data structure is used in most of the realistic light transport simulations. These simulations builds light paths, represented using 3D polylines that connect the virtual sensor (camera) to the light sources. The compression algorithm is used in the case of network distributed rendering, where a rendering engine that exploits numerous computers over a distant network is used to generate a single image. The hardware used by this kind of engine has become more and more popular over the last decade, especially with projects like SETI@Home, which enable access to a lot of computational power. This kind of hardware could easily be extended to take advantage of the machines in public institutions or in big companies that are typically used less than half of the time. This allows to increase the computational power without any need for new hardware. The method uses the fact that in the case of portal based distributed rendering engine, a lot of rays can be accumulated before being transferred on the network. The direction compression is extended to the ray's origins compression to study the impact of the compression loss of the rendering. We also show that compression can be correlated to the material properties.In the last part, we present QFib, an adaptation of Uniquant applicable to some medical data, which share some of the same mathematical constraints as light paths: brain tractograms in this case. They are often used in neurosciences to visualize the major neuronal influences. They enable neurosurgeons to predict possible effects of certain surgical procedures, and for the researchers to better understand the brain. The usage of this kind of data is difficult due to their large size, making them difficult to process, visualize, store, or even exchange.The introduced algorithm reduces their size by 10 in a few seconds on commonly used datasets. It ensures a loss that is way smaller than the MRI precision.; Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'informatique graphique en étudiant un élément clé, à savoir les vecteurs unitaires. Nous proposons un nouvel espace de représentation d'ensemble de vecteurs unitaires avant de montrer plusieurs applications adaptant celles-ci à différents types de données. Dans une première partie, nous proposons une méthode de compression d'ensembles de vecteurs unitaires désordonnées. Cette méthode, nommée UniQuant permet de réaliser une compression des données de manière collaborative, en générant de la cohérence puis en l'exploitant pour changer l'espace de représentation des données. Celle-ci est ensuite exploitée au travers d'une première application, permettant de compresser des ensembles de nuages de points munis de normales, et ainsi, permet de réaliser la compression des données à la volée. Nous proposons ensuite une application à un élément clé du rendu de Monte Carlo : le rayon de lumière. Celui-ci est la structure de donnée de base permettant de réaliser la simulation du transport de la lumière dans une scène virtuelle 3D en construisant des chemins de lumière, représentés à l’aide de polylignes 3D, reliant le capteur virtuel (caméra) aux différentes sources de lumière. L'application de la compression est utilisée dans le cas distribué, où un moteur construit pour exploiter un ensemble de machines sur des réseaux distants est utilisé. Les architectures matérielles de ce type sont devenues de plus en plus populaires avec l’apparition de projets tels que SETI@Home. Elles pourraient facilement être étendues pour exploiter les machines présentes dans les institutions publiques ou dans les entreprises et utilisées moins de la moitié du temps. Cela permettrait ainsi d’exploiter la puissance de calcul perdue. La technique proposée utilise la multitude de rayons disponibles dans le cas d’un moteur distribué exploitant des portails de lumière pour réaliser une compression collaborative, permettant d’accélérer les vitesses de transfert de données sur un réseau non local. La compression des directions est étendue à celle des origines pour examiner l'impact de la baisse de précision sur les rendus. Nous montrons également que la précision de la compression des directions peut être corrélée aux matériaux rencontrés. Enfin, nous présentons QFib, une adaptation d’UniQuant à d’autres types de données présentant le même type de contraintes mathématiques que les ensembles de rayons : des tractogrammes. Ceux-ci sont couramment utilisés en neurosciences pour visualiser les zones d’influence neuronales dans le cerveau. Ils permettent aux neurochirurgiens de prédire les effets possibles d’une opération, et aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. L’utilisation de ce type de données est complexe du fait de leur taille, les rendant difficiles à visionner, traiter, stocker ou même échanger. L’algorithme introduit permet de diviser cette taille par 10 en quelques secondes pour des jeux de données typiquement utilisé, tout en assurant une perte inférieure à la précision des IRM ayant permis d'obtenir les jeux de données.

The goal of this thesis is to develop new numerical methods to address inverse problems using optimal transport. Inverse problems appear in many disciplines such as astronomy, geophysics or medical imaging, but also in fields closer to the focus of this thesis, namely computer vision, computer graphics, and machine learning. They are difficult problems by nature as they are often not well posed (infinite number of solutions, instabilities), and those that involve non-linear models such as optimal transport yield additional challenges. However, they are important problems to solve since they give access to quantities that are not directly observable, which provides major insight in many cases. Existing techniques for inverse problems in signal/image processing and machine learning often treat histograms as Euclidean data, hence they fail to grasp the underlying relationships between the bins, defined by the geometry of the domain. Optimal transport addresses this issue by building on the distance between bins to produce a distance between histograms (and more generally probability distributions). In this thesis, we adapt two well-known machine learning tasks to the optimal transport framework: dictionary learning and metric learning. Our methods address these tasks as optimization problems and rely on the entropic regularization of optimal transport, and automatic differentiation. The regularization provides fast, robust and smooth approximations of the transport, which are essential features for efficient optimization schemes. Automatic differentiation provides a fast and reliable alternative to manual analytical derivation, resulting in flexible frameworks. We motivate our algorithms with applications in image processing and natural language processing, Cette thèse a pour but de développer de nouvelles méthodes numériques pour résoudre des problèmes inverses en transport optimal. On trouve les problèmes inverses dans divers disciplines telles que l’astronomie, la géophysique, ou l’imagerie médicale, mais aussi dans des domaines plus proches du sujet de cette thèse, à savoir la vision par ordinateur, l’informatique graphique, et l’apprentissage automatique. Les problèmes inverses sont en général difficiles à résoudre car ils sont souvent mal posés (nombre infini de solutions, instabilités), et les modèles non-linéaires du transport optimal apportent des défis supplémentaires. Cependant, ces problèmes sont importants à résoudre car ils nous permettent d’obtenir des résultats sur des quantités qui ne sont pas directement observables, ce qui peut apporter de précieuses informations dans de nombreux cas. Les techniques existantes pour résoudre les problèmes en traitement d’image et du signal et en apprentissage automatique considèrent souvent les histogrammes comme des vecteurs euclidiens. Elles ne parviennent donc pas à saisir et traiter correctement les relations sous-jacentes entre les bins des histogrammes, définies par la géométrie du domaine. Le transport optimal résout ce problème en définissant une distance entre histogrammes (et plus généralement entre distributions de probabilité) basée sur les distances entre les bins. Dans cette thèse, nous adaptons deux tâches classiques de l’apprentissage automatique à la géométrie du transport optimal : l’apprentissage de dictionnaire et l’apprentissage de métrique. Nos méthodes résolvent ces tâches en tant que problèmes d’optimisation et sont fondées sur la régularisation entropique du transport optimal, et la différentiation automatique. La régularisation fournit des approximations rapides, robustes et régulières (lisses) du transport, ce qui est essentiel pour obtenir des algorithmes d’optimisation efficaces. La différentiation automatique apporte une alternative rapide et fiable à la dérivation analytique manuelle, ce qui conduit à des méthodes flexibles. Nous illustrons nos deux algorithmes sur des applications en traitement d’image et en traitement du langage naturel

In this thesis, we study high-level 3D shape representations and developed the algorithm primitives necessary to manipulate shapes represented as a composition of several parts. We first review existing representations, starting with the usual low-level ones and then expanding on a high-level family of shape representations, based on dictionaries. Notably, we focus on representing shapes via a discrete composition of atoms from a dictionary of parts.We observe that there was no method to smoothly blend non-overlapping atoms while still looking plausible. Indeed, most methods either required overlapping parts or do not preserve large-scale details. Moreover, very few methods guaranteed the exact preservation of the input, which is very important when dealing with artist-authored meshes to avoid destroying the artist's work. We address this challenge by proposing a composition operator that is guaranteed to exactly keep the input while also propagating large-scale details.To improve the speed of our composition operator and allow interactive edition, we propose to simplify the input parts prior to completing them. This allow us to interactively previsualize the composition of large meshes. For this, we introduce a method to simplify a detailed mesh to a coarse one by preserving the large details. While more constrained than related approaches that do not produce a mesh, our method still yields faithful outputs., Dans cette thèse, nous étudions les représentations haut-niveau de formes 3D et nous développons les primitives algorithmiques nécessaires à la manipulation d'objets représentés par composition d'éléments. Nous commençons par une revue de l'état de l'art, des représentations bas-niveau usuelles jusqu'à celles haut-niveau, utilisant des dictionnaires. En particulier, nous nous intéressons à la représentation de formes via la composition discrète d'atomes tirés d'un dictionnaire de formes.Nous observons qu'il n'existe aucune méthode permettant de fusionner des atomes (placés sans intersection) de manière plausible ; en effet, la plupart des méthodes requiert des intersections ou alors ne préservent pas les détails grossiers. De plus, très peu de techniques garantissent la préservation de l'entrée, une propriété importante lors du traitement de formes créées par des artistes. Nous proposons donc un opérateur de composition qui propage les détails grossiers tout en conservant l'entrée dans le résultat.Dans le but de permettre une édition interactive, nous cherchons à prévisualiser la composition d'objets lourds. Pour cela, nous proposons de simplifier les atomes avant de les composer. Nous introduisons donc une méthode de simplification de maillage qui préserve les détails grossiers. Bien que notre méthode soit plus contrainte que les approches précédentes qui ne produisent pas de maillage, elle résulte en des formes simplifiées fidèles aux formes détaillées.

This thesis takes part in computer graphics. It studies one of its key elements, the unit vectors. We propose a new space of representation for sets of unit vectors and demonstrate its use on different kind of applications. To do so, we adapt the developed algorithms to each specific case.In the first part, we propose a compression algorithm for unorganized unit vectors sets. This method, called "Uniquant" generates coherency and uses it to change the space of representations of the data, in order to compresses collaboratively the vectors. We then use Uniquant in case of application to compress points cloud with orientations. The algorithm is able to compress the normals of the points on-the-fly.In the second part, we propose to compress a key element of the Monte Carlo rendering algorithm: the light ray. This data structure is used in most of the realistic light transport simulations. These simulations builds light paths, represented using 3D polylines that connect the virtual sensor (camera) to the light sources. The compression algorithm is used in the case of network distributed rendering, where a rendering engine that exploits numerous computers over a distant network is used to generate a single image. The hardware used by this kind of engine has become more and more popular over the last decade, especially with projects like SETI@Home, which enable access to a lot of computational power. This kind of hardware could easily be extended to take advantage of the machines in public institutions or in big companies that are typically used less than half of the time. This allows to increase the computational power without any need for new hardware. The method uses the fact that in the case of portal based distributed rendering engine, a lot of rays can be accumulated before being transferred on the network. The direction compression is extended to the ray's origins compression to study the impact of the compression loss of the rendering. We also show that compression can be correlated to the material properties.In the last part, we present QFib, an adaptation of Uniquant applicable to some medical data, which share some of the same mathematical constraints as light paths: brain tractograms in this case. They are often used in neurosciences to visualize the major neuronal influences. They enable neurosurgeons to predict possible effects of certain surgical procedures, and for the researchers to better understand the brain. The usage of this kind of data is difficult due to their large size, making them difficult to process, visualize, store, or even exchange.The introduced algorithm reduces their size by 10 in a few seconds on commonly used datasets. It ensures a loss that is way smaller than the MRI precision., Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'informatique graphique en étudiant un élément clé, à savoir les vecteurs unitaires. Nous proposons un nouvel espace de représentation d'ensemble de vecteurs unitaires avant de montrer plusieurs applications adaptant celles-ci à différents types de données. Dans une première partie, nous proposons une méthode de compression d'ensembles de vecteurs unitaires désordonnées. Cette méthode, nommée UniQuant permet de réaliser une compression des données de manière collaborative, en générant de la cohérence puis en l'exploitant pour changer l'espace de représentation des données. Celle-ci est ensuite exploitée au travers d'une première application, permettant de compresser des ensembles de nuages de points munis de normales, et ainsi, permet de réaliser la compression des données à la volée. Nous proposons ensuite une application à un élément clé du rendu de Monte Carlo : le rayon de lumière. Celui-ci est la structure de donnée de base permettant de réaliser la simulation du transport de la lumière dans une scène virtuelle 3D en construisant des chemins de lumière, représentés à l’aide de polylignes 3D, reliant le capteur virtuel (caméra) aux différentes sources de lumière. L'application de la compression est utilisée dans le cas distribué, où un moteur construit pour exploiter un ensemble de machines sur des réseaux distants est utilisé. Les architectures matérielles de ce type sont devenues de plus en plus populaires avec l’apparition de projets tels que SETI@Home. Elles pourraient facilement être étendues pour exploiter les machines présentes dans les institutions publiques ou dans les entreprises et utilisées moins de la moitié du temps. Cela permettrait ainsi d’exploiter la puissance de calcul perdue. La technique proposée utilise la multitude de rayons disponibles dans le cas d’un moteur distribué exploitant des portails de lumière pour réaliser une compression collaborative, permettant d’accélérer les vitesses de transfert de données sur un réseau non local. La compression des directions est étendue à celle des origines pour examiner l'impact de la baisse de précision sur les rendus. Nous montrons également que la précision de la compression des directions peut être corrélée aux matériaux rencontrés. Enfin, nous présentons QFib, une adaptation d’UniQuant à d’autres types de données présentant le même type de contraintes mathématiques que les ensembles de rayons : des tractogrammes. Ceux-ci sont couramment utilisés en neurosciences pour visualiser les zones d’influence neuronales dans le cerveau. Ils permettent aux neurochirurgiens de prédire les effets possibles d’une opération, et aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. L’utilisation de ce type de données est complexe du fait de leur taille, les rendant difficiles à visionner, traiter, stocker ou même échanger. L’algorithme introduit permet de diviser cette taille par 10 en quelques secondes pour des jeux de données typiquement utilisé, tout en assurant une perte inférieure à la précision des IRM ayant permis d'obtenir les jeux de données.

Allowing the real-time exploration of huge, detailed, heterogeneous synthetic terrains remains an unsolved challenge in computer graphics, despite forty years of research. In general, existing methods only handle terrains of limited extent, defined over a planar topology. In this thesis, we explore terrain modeling at maximum-scale, i.e. at planetary scale - a scale which exceeds by four orders of magnitude the extent of the domain of classical terrain synthesis. However, this problem has been largely neglected, only a couple of modeling methods have been proposed in past research. To tackle this challenge, we propose a novel decoupled solution, capable of generating true-to-scale planets. Our architecture takes first into account the geology of terrestrial planets by deploying a guided plate tectonics simulation. This simulation allows the generation of large-scale planetary features such as continents, oceanic relief, islands arcs and mountain ranges. This macroscopic model is then forwarded as an input to an hyper-amplification method capable of producing continuous, detailed real-time views of the terrain. To handle the size of the domain, the procedural amplification method relies on the pre-structuration of the tectonic model, allowing on-the-fly generation of the final detailed model, restricted to the current camera view. The model is produced entirely on the GPU by relying on a massively parallel stochastic subdivision scheme, guided by level-of-detail dependent rules. Overall, our method better handles certain problems tied to previous fractal methods, such as the self-similarity of homogeneous landscapes and the lack of user-control, by producing planets that show more variety, appear more realistic and can be more efficiently designed by artists., La synthèse de terrains virtuels à la fois vastes, détaillés, hétérogènes et explorables en temps-réel, constitue un des défis de la modélisation de scènes naturelles. Les nombreuses méthodes de l’état de l’art ne proposent en général que de traiter des scènes d’étendues limitées en topologie planaire. Dans cette thèse nous abordons la modélisation de terrain à l’échelle maximale, c’est-à-dire planétaire. Peu de choses ont été proposées pour traiter ce problème qui dépasse, en termes de taille du domaine, ce qui se fait classiquement, de quatre ordres de grandeur. Pour répondre à ce défi, nous proposons une solution découplée originale à même de générer des planètes à l’échelle 1/1 présentant un bon niveau de réalisme. Notre architecture prend tout d’abord en compte la géologie des planètes telluriques en mettant en oeuvre une simulation guidée de tectonique des plaques. Celle-ci permet la génération des caractéristiques à grande échelle des planètes telles les continents, le relief océanique, les arcs d’îles ou encore les chaînes de montagnes. Ce modèle macroscopique est dans un second temps donné en entrée d’une méthode d’hyper-amplification capable de produire des vues continues, détaillées, en temps-réel du terrain. Cette seconde méthode procédurale s’appuie sur une pré-structuration du modèle macroscopique pour générer à la volée le modèle détaillé final, dépendant de la vue caméra courante. Celui-ci est produit intégralement sur GPU par un procédé massivement parallèle de subdivision stochastique, opérant à partir de règles dépendantes du niveau de détail. Notre solution résout mieux certains problèmes inhérents aux quelques méthodes précédentes, toutes fractales, comme l’auto-similarité, l’absence de variété des paysages produits et l’absence de contrôle utilisateur. Au final, les modèles planétaires que nous produisons sont jugés plus réalistes, tout en étant plus contrôlables par des artistes.

3D printers use 3D models in the form of meshes to define the geometry and the appearance of objects to be printed. A 3D mesh must have some topological properties so that the geometry it represents could be printable and the geometry itself must respect certain conditions to be printable. These properties and conditions may vary depending on the 3D printing technologies in use.Many 3D meshes used for printing were not initially designed for this purpose application. The main primary use of these meshes is visualization, which does not require the same topological properties and geometric conditions. The subject of this thesis is the repair of these meshes to make them printable.A repair chain including several steps was designed for this purpose. Non-manifold conditions are repaired by extracting related components (surfaces). The boundaries of surfaces are detected and classified according to the best repair to be applied on each. The boundaries of surfaces are repaired according to their classification either by a filling method or by an offset method. The weakness of the geometry is detected and controlled.; Les imprimantes 3D utilisent des modèles 3D sous la forme de maillages pour définir la géométrie et l'apparence des objets à imprimer. Un maillage 3D doit posséder certaines propriétés topologiques pour que la géométrie qu'il représente soit imprimable, et la géométrie elle même doit respecter certaines conditions pour être imprimable. Ces propriétés et conditions peuvent varier selon la technologie d'impression 3D utilisée.De nombreux maillages 3D utilisés pour l'impression n'ont dans un premier temps pas été conçus pour cette application. La principale utilisation première de ces maillages est la visualisation, qui ne nécessite pas les mêmes propriétés topologiques et conditions géométriques. Le sujet de cette thèse est la réparation de ces maillages afin de les rendre imprimables.Une chaîne de réparation comprenant plusieurs étapes a été conçue dans ce but. Les conditions de non-variété sont réparées en réalisant une extraction de composantes connexes (surfaces). Les bords des surfaces sont détectés et classés en fonction de la meilleure réparation à appliquer sur chaque. Les bords des surfaces sont réparés suivant leurs classement soit par une méthode de remplissage soit par une méthode d'épaississement. La fragilité de la géométrie est détectée et contrôlée.

The efficient creation of virtual 3D content is a major issue in Computer Graphics industry and research. This thesis addresses the modeling of sewed 3D objects such as clothes, shoes or accessories from 2D sketched inputs. While existing related approaches are either based on multi-view inputs or on character dependent interfaces, we propose in this thesis to start from an annotated single-view input in order to create 3D content satisfying geometric constraints that are specific to fabric, such as developability, or fold appearance and distribution. Our goal is to exploit the expressiveness user-drawn sketches to guide the modeling of plausible objects, using a priori geometric knowledge.We first present a single-view reconstruction approach for symmetric piece-wise developable objects from an annotated photo. Using the assumption of mirror-symmetry along with properties of smooth developable surfaces, we propose a system able to lift in 3 the silhouette, borders and seams drawn on the picture and reconstruct the surface of the object. Our method also provides topology information on the object, allowing the computation of 2D patterns for each piece of developable surface, which is necessary for manufacturing.While most of existing sketch-based modeling methods for garments aim at reconstructing border lines drawn on top of a view of the 3D virtual mannequin to be dressed, our approach uses a single 2D sketch as input. Our method first extracts generic features relative to the style of the sketched garment expressed as garment proportions, tight areas, silhouette shapes and folds. In particular, we propose a dedicated approach to extract robustly folds characteristics, even in the case of garment with deep folds leading to partially occluded garment borders. In a second step, we synthesize on a target virtual character a 3D garment surface exhibiting similar style, while adapting to the target pose and morphology that may be drastically different from the one depicted the sketch., Créer efficacement du contenu virtuel 3D est une problématique importante dans le domaine de l'Informatique Graphique. Cette thèse traite le sujet de la modélisation 3D d'objets cousus, tels que des vêtements, chaussures, ou accessoires à partir de croquis 2D. Des approches existantes parviennent à modéliser ces objets en utilisant plusieurs vues en entrée ou une interface de modélisation directement liée au personnage à habiller. Nous proposons ici d'utiliser un croquis unique annoté pour créer du contenu 3D satisfaisant des contraintes géométriques spécifiques aux tissus, comme la développabilité, ou l'apparition et la distribution de plis. Notre but est d'exploiter l'expressivité du dessin pour guider la modélisation d'objets plausibles, en utilisant des connaissances géométriques a priori.Dans un premier temps, nous présentons une méthode de reconstruction 3D d'objets symétriques et développables par morceaux, à partir d'une unique photo annotée. Nous exploitons l'hypothèse de symétrie et les propriétés géométriques liées aux surfaces développables lisses, afin de proposer un système capable de donner de la profondeur aux courbes représentant silhouettes, bords et coutures dessinées sur la photo. Notre approche retrouve aussi des informations topologiques sur l'objet, permettant de calculer la forme 2D des patrons de tissus associés à chaque morceau de surface développable, information nécessaire pour la fabrication réelle de l'objet.Dans un second temps, nous nous intéressons à la modélisation de vêtements virtuels, qui sont des objets cousus pouvant contenir des plis. La majorité des approches de modélisation de vêtement basées croquis reconstruisent en 3D des courbes de bord, silhouette et plis annotées dans une vue 2D du personnage à habiller. Notre approche, en revanche, utilise un unique croquis, et en extrait des caractéristiques liées aux style du vêtement : proportions, zones moulantes, silhouettes et plis. En particulier, nous proposons une méthode pour extraire une représentation générique de plis à partir du croquis, même dans le cas où de plis profonds qui entrainerait une représentation partielle de la courbe de bord sur le dessin.Nous synthétisons ensuite un vêtement 3D habillant un personnage virtuel cible et possédant les mêmes caractéristiques de style que celles extraites du dessin. Cette synthèse s'adapte aux cas où le personnage cible est dans une pose et/ou a une morphologie différente de celui représenté sur le dessin.

With the increasing power of consumer machines, Computer Graphics is offering us the opportunity to immerse ourselves in ever more detailed virtual worlds. The artists are thus tasked to model and animate these complex virtual scenes. This leads to a prohibitive authoring time, a bigger memory cost and difficulties to correctly and efficiently render this abundance of details. Many tools for procedural content generation have been proposed to resolve these issues. In this thesis, we focused our work on on-the-fly generation of mesoscopic details in order to easily add tiny details on 3D mesh surfaces. By focusing on procedural texture synthesis, we proposed some improvements in order to correctly render textures that modify not only the surface color but faking the surface meso-geometry in real-time. We have presented a methodology for rendering high quality textures without aliasing issues for controllable structured pattern synthesis. We also proposed an on-the-fly normal map generation to disturb the shading calculation and to add irregularites and relief to the textured surface., Dans le sillage de l'augmentation de la puissance graphique des machines grands publics, le domaine de la synthèse d'images réalistes nous propose de se plonger dans des mondes virtuels toujours plus détaillés. Les artistes sont alors sollicités pour remplir et animer ces scènes virtuelles complexes. Il en résulte un temps de création prohibitif, un coût mémoire grandissant et des difficultés pour rendre de manière correcte et efficace cette profusion de détails. De nombreux outils de génération procédurale de contenu ont alors été proposés pour aider les studios à gérer ces problèmes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la synthèse de détails mésoscopiques à la volée pour ajouter facilement du détail à la surface des modèles 3D. En se concentrant sur la synthèse procédurale de texture, nous avons proposé des améliorations pour rendre correctement des textures modifiant non seulement la couleur de la surface d'un objet mais feignant aussi le relief de la surface en temps réel. Nous avons travaillé sur la synthèse de motifs structurés contrôlables dans le but de proposer une méthodologie permettant de rendre des textures de grande qualité à la volée sans défauts d'aliassage. Nous avons étendu aussi la génération de texture à la synthèse de détails géométriques mésoscopiques, en synthétisant à la volée des cartes de normales venant perturber le calcul de l'éclairage de la surface pour y faire apparaître des aspérités.

Both man-made or natural objects contain repeated geometric elements that can be interpreted as primitive shapes. Plants, trees, living organisms or even crystals, showcase primitives that repeat themselves. Primitives are also commonly found in man-made environments because architects tend to reuse the same patterns over a building and typically employ simple shapes, such as rectangular windows and doors. During my PhD I studied geometric primitives from three points of view: their composition, simulation and autonomous discovery. In the first part I present a method to reverse-engineer the function by which some primitives are combined. Our system is based on a composition function template that is represented by a parametric surface. The parametric surface is deformed via a non-rigid alignment of a surface that, once converged, represents the desired operator. This enables the interactive modeling of operators via a simple sketch, solving a major usability gap of composition modeling. In the second part I introduce the use of a novel primitive for real-time physics simulations. This primitive is suitable to efficiently model volume-preserving deformations of rods but also of more complex structures such as muscles. One of the core advantages of our approach is that our primitive can serve as a unified representation to do collision detection, simulation, and surface skinning. In the third part I present an unsupervised deep learning framework to learn and detect primitives. In a signal containing a repetition of elements, the method is able to automatically identify the structure of these elements (i.e. primitives) with minimal supervision. In order to train the network that contains a non-differentiable operation, a novel multi-step training process is presented.; Les objets naturels ou artificiels contiennent des éléments géométriques répétés pouvantêtre interprétés comme des formes primitives. Les plantes, les arbres, les organismes vivants ou même les cristaux représentent des primitives qui se répètent. Les primitives se retrouvent aussi couramment dans les environnements créés par l'homme, car les architectes ont tendance à réutiliser les mêmes modèles sur un bâtiment et utilisent généralement des formes simples, telles que des fenêtres et des portes rectangulaires. Au cours de ma thèse, j'ai étudié les primitives géométriques sous trois angles: leur composition, leur simulation et leur découverte autonome. Dans la première partie, je présente une méthode pour retrouver la fonction par laquelle certaines primitives sont combinées. Notre système est basé sur un modèle de fonction de composition représenté par une surface paramétrique. La surface paramétrique est déformée via un alignement non rigide d'une surface qui, une fois convergée, représente l'opérateur souhaité. Cela permet de modéliser de manière interactive les opérateurs via une simple esquisse, ce qui résout un problème majeur de facilité de modélisation de la composition. Dans la deuxième partie, je présente l'utilisation d'une nouvelle primitive pour les simulations de physique en temps réel. Cette primitive convient pour modéliser efficacement les déformations des cordes préservant le volume, mais également celles de structures plus complexes telles que les muscles. L'un des principaux avantages de notre approche est que notre primitive peut servir de représentation unifiée pour la détection de collision, la simulation et la déformation de peau. Dans la troisième partie, je présente un cadre d'apprentissage en profondeur non supervisé pour apprendre et détecter les primitives. Dans un signal contenant une répétition d'éléments, le procédé est capable d'identifier automatiquement la structure de ces éléments (c'est-à-dire des primitives) avec une supervision minimale. Afin de former le réseau qui contient une opération non différenciable, un nouveau processus d'apprentissage en plusieurs étapes est présenté.

3D printers use 3D models in the form of meshes to define the geometry and the appearance of objects to be printed. A 3D mesh must have some topological properties so that the geometry it represents could be printable and the geometry itself must respect certain conditions to be printable. These properties and conditions may vary depending on the 3D printing technologies in use.Many 3D meshes used for printing were not initially designed for this purpose application. The main primary use of these meshes is visualization, which does not require the same topological properties and geometric conditions. The subject of this thesis is the repair of these meshes to make them printable.A repair chain including several steps was designed for this purpose. Non-manifold conditions are repaired by extracting related components (surfaces). The boundaries of surfaces are detected and classified according to the best repair to be applied on each. The boundaries of surfaces are repaired according to their classification either by a filling method or by an offset method. The weakness of the geometry is detected and controlled., Les imprimantes 3D utilisent des modèles 3D sous la forme de maillages pour définir la géométrie et l'apparence des objets à imprimer. Un maillage 3D doit posséder certaines propriétés topologiques pour que la géométrie qu'il représente soit imprimable, et la géométrie elle même doit respecter certaines conditions pour être imprimable. Ces propriétés et conditions peuvent varier selon la technologie d'impression 3D utilisée.De nombreux maillages 3D utilisés pour l'impression n'ont dans un premier temps pas été conçus pour cette application. La principale utilisation première de ces maillages est la visualisation, qui ne nécessite pas les mêmes propriétés topologiques et conditions géométriques. Le sujet de cette thèse est la réparation de ces maillages afin de les rendre imprimables.Une chaîne de réparation comprenant plusieurs étapes a été conçue dans ce but. Les conditions de non-variété sont réparées en réalisant une extraction de composantes connexes (surfaces). Les bords des surfaces sont détectés et classés en fonction de la meilleure réparation à appliquer sur chaque. Les bords des surfaces sont réparés suivant leurs classement soit par une méthode de remplissage soit par une méthode d'épaississement. La fragilité de la géométrie est détectée et contrôlée.

Progressive mesh decimation by successively applying topological operators is a standard tool in geometry processing. A key element of such algorithms is the error metric, which allows to prioritize operators minimizing the decimation error. Most previous work focus on preserving local properties of the mesh during the decimation process, with the most notable being the Quadric Error Metric which uses the edge collapse operator. However, meshes obtained from CAD scenes and describing complex systems often require significant decimation for visualization and interaction on low-end terminals. Hence preserving the arrangement of objects is required in such cases, in order to maintain the overall system readability for applications such as on-site repair, inspection, training, serious games, etc. In this context, this thesis focuses on preserving the readability of proximity relations between meshes during decimation, by introducing a novel approach for the joint decimation of multiple triangular meshes with proximities. The works presented in this thesis consist in three contributions. First, we propose a mechanism for the simultaneous decimation of multiple meshes. Second, we introduce a proximity-aware error metric, combining the local edge error (i.e. Quadric Error Metric) with a proximity penalty function, which increases the error of edge collapses modifying the geometry where meshes are close to each other. Last, we devise an automatic detection of proximity areas. Finally, we demonstrate the performances of our approach on several models generated from CAD scenes., La décimation progressive de maillage par l'application successive d'opérateurs topologiques est un outil standard de traitement de la géométrie. Un élément clé de tels algorithmes est la métrique d'erreur, qui donne la priorité aux opérateurs minimisant l'erreur de décimation. La plupart des travaux précédents se concentrent sur la préservation des propriétés locales du maillage lors du processus de décimation, le plus notable étant la métrique d'erreur quadrique qui utilise l'opérateur d'effondrement d'arête. Toutefois, les maillages obtenus à partir de scènes issues de CAO et décrivant des systèmes complexes requièrent souvent une décimation significative pour la visualisation et l'interaction sur des terminaux bas de gamme. Par conséquent, la préservation de la disposition des objets est nécessaire dans de tels cas, afin de préserver la lisibilité globale du système pour des applications telles que la réparation sur site, l'inspection, la formation, les jeux sérieux, etc. Dans ce contexte, cette thèse a trait à préserver la lisibilité des relations de proximité entre maillages lors de la décimation, en introduisant une nouvelle approche pour la décimation conjointe de multiples maillages triangulaires présentant des proximités. Les travaux présentés dans cette thèse se décomposent en trois contributions. Tout d'abord, nous proposons un mécanisme pour la décimation simultanée de multiples maillages. Ensuite, nous introduisons une métrique d'erreur sensible à la proximité, combinant l'erreur locale de l'arête (i.e. la métrique d'erreur quadrique) avec une fonction pénalisant la proximité, ce qui augmente l'erreur des effondrements d'arête là où les maillages sont proches les uns des autres. Enfin, nous élaborons une détection automatique des zones de proximité. Pour finir, nous démontrons les performances de notre approche sur plusieurs modèles générés à partir de scènes issues de CAO.

National audience; Outils optiques et informatiques pour aller au-delà de l'imagerie traditionnelle. Ces 15 dernières années ont permis de revoir la manière dont on considère un capteur. Il n'est plus qu'une seule grille régulière de couleur, mais il permet d'aller chercher des informations radiométriques, et capturer des champs lumineux. Dans ce cours, nous présenterons un tour d'horizon rapide des techniques utilisées, mais aussi des réflexions que cela impose sur notre manière de voire la capture et la génération d'images dans notre domaine scientifique.

Drawing is the most common way to communicate about shapes.Thus, using sketching as a tool in the process of modeling 3D content is an attractive approach.However in the world of machines, drawings are still difficult to interpret as shape depictions.This has been the challenge tackled by many different research works since leveraging the little we know about perception is non trivial.My thesis focuses on pushing the limits of what can be inferred from single drawings of smooth shapes without any help from the user.In a first attempt we chose to select a category of shape namely animals and other creatures for which prior knowledge helps to solve the problem.Then we proposed to generalize parts of the solution to tackle the case of free form organic shapes.This manuscript thus presents the respective solutions we developed. The first one is able to infer plausible 3D models of animals from a single side-view sketch using anatomic principles to both interpret the drawing's elements and infer depth offsets between these elements.The second is an approach to decompose depictions of smooth shapes with non trivial cusp points into a set of structural parts' silhouettes ordered in depth, which can be used for editing and animation purposes.Many related ideas were explored on the way, and the ones presented in this manuscript leaves me confident about the future of this field of research.; Le dessin est la manière la plus courante de communiquer sur les formes.Ainsi, l'utilisation de l'esquisse comme outil dans le processus de modélisation de contenus 3D est une approche attrayante.Cependant, dans le monde des machines, les dessins sont encore difficiles à interpréter comme des représentations de formes 3D.Ce défi a été relevé par de nombreux travaux de recherche, car tirer parti du peu de connaissances que nous possédons sur la perception n’est pas anodin.Ma thèse se concentre sur les limites de ce qui peut être inféré à partir de dessins uniques de formes lisses sans aucune aide de l'utilisateur.Dans un premier temps, nous avons choisi une catégorie de forme, à savoir les animaux et autres créatures pour lesquels une connaissance préalable aide à résoudre le problème.Ensuite, nous avons proposé de généraliser certaines parties de la solution pour aborder le cas des formes organiques libres.Ce manuscrit présente donc les solutions respectives que nous avons développées.La première permet de déduire des modèles 3D plausibles d’animaux à partir d’une seule esquisse de vue latérale en utilisant des principes anatomiques pour interpréter les éléments du dessin et déduire des décalages de profondeur entre les éléments.La seconde est une approche qui consiste à décomposer les représentations de formes lisses avec des points de recouvrement non triviaux en un ensemble de silhouettes de parties structurelles ordonnées en profondeur, qui peuvent être utilisées à des fins d'édition et d'animation.Beaucoup d'idées connexes ont été explorées en parallèle, et celles présentées dans ce manuscrit me donnent confiance en l'avenir de ce domaine de recherche.

Drawing is the most common way to communicate about shapes.Thus, using sketching as a tool in the process of modeling 3D content is an attractive approach.However in the world of machines, drawings are still difficult to interpret as shape depictions.This has been the challenge tackled by many different research works since leveraging the little we know about perception is non trivial.My thesis focuses on pushing the limits of what can be inferred from single drawings of smooth shapes without any help from the user.In a first attempt we chose to select a category of shape namely animals and other creatures for which prior knowledge helps to solve the problem.Then we proposed to generalize parts of the solution to tackle the case of free form organic shapes.This manuscript thus presents the respective solutions we developed. The first one is able to infer plausible 3D models of animals from a single side-view sketch using anatomic principles to both interpret the drawing's elements and infer depth offsets between these elements.The second is an approach to decompose depictions of smooth shapes with non trivial cusp points into a set of structural parts' silhouettes ordered in depth, which can be used for editing and animation purposes.Many related ideas were explored on the way, and the ones presented in this manuscript leaves me confident about the future of this field of research.; Le dessin est la manière la plus courante de communiquer sur les formes.Ainsi, l'utilisation de l'esquisse comme outil dans le processus de modélisation de contenus 3D est une approche attrayante.Cependant, dans le monde des machines, les dessins sont encore difficiles à interpréter comme des représentations de formes 3D.Ce défi a été relevé par de nombreux travaux de recherche, car tirer parti du peu de connaissances que nous possédons sur la perception n’est pas anodin.Ma thèse se concentre sur les limites de ce qui peut être inféré à partir de dessins uniques de formes lisses sans aucune aide de l'utilisateur.Dans un premier temps, nous avons choisi une catégorie de forme, à savoir les animaux et autres créatures pour lesquels une connaissance préalable aide à résoudre le problème.Ensuite, nous avons proposé de généraliser certaines parties de la solution pour aborder le cas des formes organiques libres.Ce manuscrit présente donc les solutions respectives que nous avons développées.La première permet de déduire des modèles 3D plausibles d’animaux à partir d’une seule esquisse de vue latérale en utilisant des principes anatomiques pour interpréter les éléments du dessin et déduire des décalages de profondeur entre les éléments.La seconde est une approche qui consiste à décomposer les représentations de formes lisses avec des points de recouvrement non triviaux en un ensemble de silhouettes de parties structurelles ordonnées en profondeur, qui peuvent être utilisées à des fins d'édition et d'animation.Beaucoup d'idées connexes ont été explorées en parallèle, et celles présentées dans ce manuscrit me donnent confiance en l'avenir de ce domaine de recherche.

Surface deformation, or skinning is a crucial step in 3D character animation. Its role is to deform the surface representation of a character to be rendered in the succession of poses specified by an animator. The quality and plausiblity of the displayed results directly depends on the properties of the skinning method. However, speed and simplicity are also important criteria to enable their use in interactive editing sessions. Current skinning methods can be divided in three categories. Geometric methods are fast and simple to use, but their results lack plausibility. Example-based approaches produce realistic results, yet they require a large database of examples while remaining tedious to edit. Finally, physical simulations can model the most complex dynamical phenomena, but at a very high computational cost, making their interactive use impractical. The work presented in this thesis are based on, Implicit Skinning, is a corrective geometric approach using implicit surfaces to solve many issues of standard geometric skinning methods, while remaining fast enough for interactive use. The main contribution of this work is an animation model that adds anatomical plausibility to a character by representing muscle deformations and their interactions with other anatomical features, while benefiting from the advantages of Implicit Skinning. Muscles are represented by an extrusion surface along a central axis. These axes are driven by a simplified physics simulation method, introducing dynamic effects, such as jiggling. The muscle model guarantees volume conservation, a property of real-life muscles. This model adds plausibility and dynamics lacking in state-of-the-art geometric methods at a moderate computational cost, which enables its interactive use. In addition, it offers intuitive shape control to animators, enabling them to match the results with their artistic vision.; En animation de personnages 3D, la déformation de surface, ou skinning, est une étape cruciale. Son rôle est de déformer la représentation surfacique d'un personnage pour permettre son rendu dans une succession de poses spécifiées par un animateur. La plausibilité et la qualité visuelle du résultat dépendent directement de la méthode de skinning choisie. Sa rapidité d'exécution et sa simplicité d'utilisation sont également à prendre en compte pour rendre possible son usage interactif lors des sessions de production des artistes 3D. Les différentes méthodes de skinning actuelles se divisent en trois catégories. Les méthodes géométriques sont rapides et simples d'utilisation, mais leur résultats manquent de plausibilité. Les approches s'appuyant sur des exemples produisent des résultats réalistes, elles nécessitent en revanche une base de données d'exemples volumineuse, et le contrôle de leur résultat est fastidieux. Enfin, les algorithmes de simulation physique sont capables de modéliser les phénomènes dynamiques les plus complexes au prix d'un temps de calcul souvent prohibitif pour une utilisation interactive. Les travaux décrits dans cette thèse s'appuient sur Implicit Skinning, une méthode géométrique corrective utilisant une représentation implicite des surfaces, qui permet de résoudre de nombreux problèmes rencontrés avec les méthodes géométriques classiques, tout en gardant des performances permettant son usage interactif. La contribution principale de ces travaux est un modèle d'animation qui prend en compte les effets des muscles des personnages et de leur interactions avec d'autres éléments anatomiques, tout en bénéficiant des avantages apportés par Implicit Skinning. Les muscles sont représentés par une surface d'extrusion le long d'axes centraux. Les axes des muscles sont contrôlés par une méthode de simulation physique simplifiée. Cette représentation permet de modéliser les collisions des muscles entre eux et avec les os, d'introduire des effets dynamiques tels que rebonds et secousses, tout en garantissant la conservation du volume, afin de représenter le comportement réel des muscles. Ce modèle produit des déformations plus plausibles et dynamiques que les méthodes géométriques de l'état de l'art, tout en conservant des performances suffisantes pour permettre son usage dans une session d'édition interactive. Elle offre de plus aux infographistes un contrôle intuitif sur la forme des muscles pour que les déformations obtenues se conforment à leur vision artistique.

Surface deformation, or skinning is a crucial step in 3D character animation. Its role is to deform the surface representation of a character to be rendered in the succession of poses specified by an animator. The quality and plausiblity of the displayed results directly depends on the properties of the skinning method. However, speed and simplicity are also important criteria to enable their use in interactive editing sessions. Current skinning methods can be divided in three categories. Geometric methods are fast and simple to use, but their results lack plausibility. Example-based approaches produce realistic results, yet they require a large database of examples while remaining tedious to edit. Finally, physical simulations can model the most complex dynamical phenomena, but at a very high computational cost, making their interactive use impractical. The work presented in this thesis are based on, Implicit Skinning, is a corrective geometric approach using implicit surfaces to solve many issues of standard geometric skinning methods, while remaining fast enough for interactive use. The main contribution of this work is an animation model that adds anatomical plausibility to a character by representing muscle deformations and their interactions with other anatomical features, while benefiting from the advantages of Implicit Skinning. Muscles are represented by an extrusion surface along a central axis. These axes are driven by a simplified physics simulation method, introducing dynamic effects, such as jiggling. The muscle model guarantees volume conservation, a property of real-life muscles. This model adds plausibility and dynamics lacking in state-of-the-art geometric methods at a moderate computational cost, which enables its interactive use. In addition, it offers intuitive shape control to animators, enabling them to match the results with their artistic vision.; En animation de personnages 3D, la déformation de surface, ou skinning, est une étape cruciale. Son rôle est de déformer la représentation surfacique d'un personnage pour permettre son rendu dans une succession de poses spécifiées par un animateur. La plausibilité et la qualité visuelle du résultat dépendent directement de la méthode de skinning choisie. Sa rapidité d'exécution et sa simplicité d'utilisation sont également à prendre en compte pour rendre possible son usage interactif lors des sessions de production des artistes 3D. Les différentes méthodes de skinning actuelles se divisent en trois catégories. Les méthodes géométriques sont rapides et simples d'utilisation, mais leur résultats manquent de plausibilité. Les approches s'appuyant sur des exemples produisent des résultats réalistes, elles nécessitent en revanche une base de données d'exemples volumineuse, et le contrôle de leur résultat est fastidieux. Enfin, les algorithmes de simulation physique sont capables de modéliser les phénomènes dynamiques les plus complexes au prix d'un temps de calcul souvent prohibitif pour une utilisation interactive. Les travaux décrits dans cette thèse s'appuient sur Implicit Skinning, une méthode géométrique corrective utilisant une représentation implicite des surfaces, qui permet de résoudre de nombreux problèmes rencontrés avec les méthodes géométriques classiques, tout en gardant des performances permettant son usage interactif. La contribution principale de ces travaux est un modèle d'animation qui prend en compte les effets des muscles des personnages et de leur interactions avec d'autres éléments anatomiques, tout en bénéficiant des avantages apportés par Implicit Skinning. Les muscles sont représentés par une surface d'extrusion le long d'axes centraux. Les axes des muscles sont contrôlés par une méthode de simulation physique simplifiée. Cette représentation permet de modéliser les collisions des muscles entre eux et avec les os, d'introduire des effets dynamiques tels que rebonds et secousses, tout en garantissant la conservation du volume, afin de représenter le comportement réel des muscles. Ce modèle produit des déformations plus plausibles et dynamiques que les méthodes géométriques de l'état de l'art, tout en conservant des performances suffisantes pour permettre son usage dans une session d'édition interactive. Elle offre de plus aux infographistes un contrôle intuitif sur la forme des muscles pour que les déformations obtenues se conforment à leur vision artistique.

Being able to capture and synthesize realistic materials is an important research topic in Computer Graphics. In order to render realistic images it is not enough to represent materials reliably, but we also need to represent its temporal component. Simulation of weathering effects is the research area that pursues the incorporation of decay to virtual models. After studying the previous work, we have found that there is a lack of estimation methods for some important environmental parameters and a need of global models that consider the interactions of the environmental factors in big scenes. Moreover, we have observed that the improvement of current techniques need to incorporate real effects characteristics to avoid the current disconnection from the real processes. But, this need to be first analyzed and understood. In this thesis, we aim to improve weathering simulation in Computer Graphics in these three fronts. Concerning weathering factors estimation, we first propose to deal with an undervalued factor in weathering literature which is very important in aging processes: the sun. More specifically, we propose an interactive technique that estimates solar exposure on detailed urban scenes. Given a directional exposure map computed over a given time period, we estimate the sky visibility factor that serves to evaluate the final exposure at each visible point. This is done using a screen-space method based on a two-scale approach, which is geometry independent and has low storage costs. Our method results in an interesting technique not only in weathering simulations, but also in architecture, in sustainable building design and in the estimation of buildings’ energy performance. After that, we introduce a global model to simulate the changes of appearance of buildings due to pollution deposition. This process is very noticeable on urban scenes and, so far, no technique has dealt with it using a global approach. We propose a physically-based technique that considers pollution effects to depend on three main factors: wind, rain and sun exposure, and that takes into account three intervening steps: deposition, reaction and washing. With a low-cost pre-computation step, we evaluate the pollution distribution through the city. Based on this distribution and the use of screen-space operators, our method results in an efficient approach that generate realistic images of polluted surfaces at interactive rates. In addition, the pre-computation demands a reduced amount of memory to store the pollution map and, as it is independent from scene complexity, it can suit large and complex models adapting its resolution. Finally, in order to improve the understanding of weathering processes, we present a method to identify and map “scaling” weathering effects on stone monuments with very little user interaction.; Etre capable de capturer et de synthétiser des comportements réalistes est un sujet de recherche important en Informatique Graphique. Mais, pour produire des images réalistes, il ne suffit pas de représenter les matériaux de manière fiable, il faut également prendre en compte leurs évolutions dans le temps. La simulation des effets de vieillissement est le domaine de la recherche qui s’intéresse à la prise en compte de la détérioration des modèles virtuels. Après avoir étudié les travaux précédents dans ce domaine, nous avons constaté qu’il y a un manque d’estimation pour certains paramètres environnementaux importants ainsi qu’un besoin de modèles globaux qui tiennent compte des interactions des facteurs intervenants dans les grandes scènes. De plus, nous avons observées que l’amélioration des techniques actuelles nécessite intégrer les caractéristiques physiques réelles pour éviter la déconnection des processus réels, ce qui doit donc être analysés et compris. Dans cette thèse, nous visons à améliorer la simulation du vieillissement en Informatique Graphique sous les trois angles suivants. Concernant l’estimation des facteurs de vieillissement, nous proposons d’abord de traiter un facteur sous-estimé dans la littérature mais qui est très important dans les processus de vieillissement : le soleil. Plus spécifiquement, nous proposons une technique interactive qui estime l’exposition solaire sur des scènes urbaines détaillées. Compte tenu d’une carte d’exposition directionnelle calculée sur une période donnée, nous estimons le facteur de visibilité du ciel qui sert à évaluer l’exposition finale à chaque point visible. Ceci est fait en utilisant une méthode espace-écran basée sur une approche à deux échelles, qui est indépendante de la géométrie et qui a un coût bas en stockage. Notre méthode aboutit à une technique intéressante non seulement pour les simulations de vieillissement, mais également en architecture, dans la conception de bâtiments durables et dans l’estimation de la performance énergétique des bâtiments. Ensuite, nous introduisons un modèle global permettant de simuler les changements d’apparence des bâtiments liés aux dépôts de pollution. Ce processus est très visible sur les scènes urbaines et, jusqu’à présent, aucune technique n’a été proposée en utilisant une approche globale (sur une ville entière). Nous proposons ici une technique basée sur la physique considérant que les effets de la pollution dépendent de trois facteurs principaux : l’exposition au vent, à la pluie et au soleil. Cette approche prend en compte trois étapes : le dépôt, la réaction et le lavage. Avec un pré-calcul à bas coût, nous évaluons la distribution de la pollution dans la ville. Puis, par le biais d’opérateurs espace-écran, nous proposons une méthode efficace capable de générer des images réalistes en temps interactifs. De plus, le pré-calcul n’exige qu’une quantité réduite de mémoire pour stocker la carte de pollution et, comme la méthode utilisée est indépendante de la complexité de la scène, elle peut s’adapter à des modèles complexes et de grande taille en ajustant la résolution de la carte. Finalement, afin de mieux appréhender les processus de vieillissement, nous présentons une méthode permettant de prendre en compte l’effet d’écaillage sur les monuments en pierre avec très peu d’interaction de l’utilisateur.

3D virtual models are ubiquitous, notably spread to the general public by entertainment applications such as animation cinema and video games, and more recently, through virtual and augmented reality, or personalized 3D design. Thus 3D modeling evolves towards the need for increasingly complex 3D content that must remain visually plausible, and further be interactively created and deformed through efficient approaches allowing high-level control.In this context, various 3D models fulfilling these requirements through the integration of a priori knowledge are introduced. These models use high level geometrical constraints, potentially interleaved with underlying lower level models based on simulation or procedural generation, leading to hybrid approaches. Two axes of contributions are presented. First, 3D shape creation, applied to developable surface design, hierarchical shape deformation, and medical applications. Secondly, 3D animation, applied to articulated characters, interactive crumpled paper model, and fluid animation sculpting.; L'utilisation des modèles virtuels 3D est aujourd'hui généralisée dans les domaines du loisir tels que le cinéma d'animation et les jeux vidéos, ainsi que, plus récemment, par le biais de la réalité virtuelle et augmentée, ou encore le prototypage 3D s'ouvrant au grand public. Ces évolutions génèrent des besoins de création de contenus virtuels 3D de complexité croissante qui doivent être à la fois plausibles visuellement, mais également pouvoir être générés et déformés interactivement à l'aide d'approches rapides offrant un contrôle de haut niveau.Dans ce contexte, nous proposons différents modèles virtuels satisfaisants à ces critères en intégrant des "a priori" sous forme de contraintes géométriques de haut niveau, et s'interfaçant potentiellement de manière hybride sur des modèles sous-jacents de plus bas niveau basés sur une simulation ou une génération procédurale. Deux axes de contributions sont présentés. Premièrement l'application de ces modèles pour la création de contenu 3D par le biais du design de surface développable, la déformation de formes hiérarchiques, et la modélisation du développement embryonnaire. Et deuxièmement, en animation 3D, s'appliquant aux personnages virtuels articulés, à l'interaction de papier virtuel froissé, ainsi qu'à la sculpture d'animation de fluide.

3D virtual models are ubiquitous, notably spread to the general public by entertainment applications such as animation cinema and video games, and more recently, through virtual and augmented reality, or personalized 3D design. Thus 3D modeling evolves towards the need for increasingly complex 3D content that must remain visually plausible, and further be interactively created and deformed through efficient approaches allowing high-level control.In this context, various 3D models fulfilling these requirements through the integration of a priori knowledge are introduced. These models use high level geometrical constraints, potentially interleaved with underlying lower level models based on simulation or procedural generation, leading to hybrid approaches. Two axes of contributions are presented. First, 3D shape creation, applied to developable surface design, hierarchical shape deformation, and medical applications. Secondly, 3D animation, applied to articulated characters, interactive crumpled paper model, and fluid animation sculpting.; L'utilisation des modèles virtuels 3D est aujourd'hui généralisée dans les domaines du loisir tels que le cinéma d'animation et les jeux vidéos, ainsi que, plus récemment, par le biais de la réalité virtuelle et augmentée, ou encore le prototypage 3D s'ouvrant au grand public. Ces évolutions génèrent des besoins de création de contenus virtuels 3D de complexité croissante qui doivent être à la fois plausibles visuellement, mais également pouvoir être générés et déformés interactivement à l'aide d'approches rapides offrant un contrôle de haut niveau.Dans ce contexte, nous proposons différents modèles virtuels satisfaisants à ces critères en intégrant des "a priori" sous forme de contraintes géométriques de haut niveau, et s'interfaçant potentiellement de manière hybride sur des modèles sous-jacents de plus bas niveau basés sur une simulation ou une génération procédurale. Deux axes de contributions sont présentés. Premièrement l'application de ces modèles pour la création de contenu 3D par le biais du design de surface développable, la déformation de formes hiérarchiques, et la modélisation du développement embryonnaire. Et deuxièmement, en animation 3D, s'appliquant aux personnages virtuels articulés, à l'interaction de papier virtuel froissé, ainsi qu'à la sculpture d'animation de fluide.

National audience; Le transport optimal est une théorie mathématique qui permet de comparer deux histogrammes. Ceci dit, pourquoi s'intéresser aux histogrammes ?

Over the last twenty years, the main signal processing concepts have been adapted for digital geometry, in particular for 3D polygonal meshes. However, the processing time required for large models is significant. This computational load becomes an obstacle in the current context, where the massive amounts of data that are generated every second may need to be processed with several operators. The ability to run geometry processing operators with strong time constraints is a critical challenge in dynamic 3D systems. In this context, we seek to speed up some of the current algorithms by several orders of magnitude, and to reformulate or approximate them in order to reduce their complexity or make them parallel. In this thesis, we are building on a compact and effective object to analyze 3D surfaces at different scales : error quadrics. In particular, we propose new high performance algorithms that maintain error quadrics on the surface to represent the geometry. One of the main challenges lies in the effective generation of the right structures for parallel processing, in order to take advantage of the GPU., Au cours des vingt dernières années, les principaux concepts du traitement du signal ont trouvé leur homologue pour le cas de la géométrie numérique, et en particulier des modèles polygonaux de surfaces 3D. Ces traitements requièrent néanmoins un temps de calcul non négligeable lorsqu’on les applique sur des modèles de taille conséquente. Cette charge de calcul devient un frein important dans le contexte actuel, où les quantités massives de données 3D générées à chaque seconde peuvent potentiellement nécessiter l’application d’un sous-ensemble de ces opérateurs. La capacité à exécuter des opérateurs de traitement géométrique en un temps très court représente alors un verrou important pour les systèmes de conception, capture et restitution 3D dynamiques. Dans ce contexte, on cherche à accélérer de plusieurs ordres de grandeur certains algorithmes de traitement géométrique actuels, et à reformuler ou approcher ces algorithmes afin de diminuer leur complexité ou de les adapter à un environnement parallèle. Dans cette thèse, nous nous appuyons sur un objet compact et efficace permettant d’analyser les surfaces 3D à plusieurs échelles : les quadriques d’erreurs. En particulier, nous proposons de nouveaux algorithmes haute performance, maintenant à la surface des quadriques d’erreur représentatives de la géométrie. Un des principaux défis tient ici à la génération des structures adaptées en parallèle, afin d’exploiter les processeurs parallèles à grain fin que sont les GPU, la principale source de puissance disponible dans un ordinateur moderne.

Maîtriser la création de formes, qu’elles soient inspirées par le réel ou sorties de notre imagination, est un défi tant pour l’artiste que pour le scientifique. Comment mettre la création en 3D à la portée de tous et permettre à chacun de « façonner l’imaginaire » plus facilement qu’avec un papier et un crayon ? De la modélisation géométrique des formes à l’assemblage d’une scène complexe et à son animation, Marie-Paule Cani nous présente une nouvelle méthodologie pour rendre la création numérique 3D plus expressive, en s’appuyant sur des exemples concrets : comment concevoir et animer des vêtements, des chevelures, une prairie arborée ou une cascade ?

La chaire annuelle d’Informatique et sciences numériques, créée en partenariat avec l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria), accueille depuis six ans au Collège de France un ou une spécialiste venant nous parler d’un aspect de cette science qui joue un rôle de plus en plus important dans notre vie. Depuis la création en 2012 de la chaire permanente « Algorithmes, machines et langages », occupée par Gérard Berry (qui fut également titulaire de cette chaire an...

Monsieur l’Administrateur,Mes chers collègues,Chers amis, Le numérique est un espace qui nous est purement réservé : l’être humain y règne en maître, créant les contenus ou orchestrant leur génération à partir de données ou d’algorithmes. Mais il est parfois frustrant de ne créer que de l’immatériel – que l’on peut difficilement voir et encore moins toucher... C’est sans doute pour cela que la création numérique 3D fait tant rêver. Elle permet d’ébaucher des formes en quelques gestes, puis de...

The growing power of graphics processing units (GPU) in mainstream computers creates a need for a higher quality and complexity of virtual scenes. Managing this complexity for natural objects such as trees or grass fields or even animals is painstaking, due to the large amount of small objects decorating their surface. The diversity of such details, mandatory for realistic rendering of natural objects, translates in a longer authoring time, a higher memory requirement and a more complex evaluation. We review in this thesis the related works on data representations and on-the-fly generation methods used for the creation and real-time rendering of details over large surfaces. We focus our study on the particular case of grass fields and fur : the fuzzy visual appearance of those surfaces is obtained by the distribution of many self-similar blades or strands, creating a pattern closely related to a noise with structural features. We first present a procedural noise that aims at spatial modeling of self-similar elements and their distribution. The elliptical Gaussian function used as a modeling primitive and the controlled non-uniform distribution of elements allows for various type of patterns to be modeled, from stochastic to near-regular one, while including structural features. The by-example analysis process based on an ellipse fitting method allows a fast configuration of the noise for patterns reproduction. We further introduce an extension of this noise model for the authoring of procedural shell textures of strand-based or more complex volumetric details. For interactive authoring of such volumetric pattern, an image-order and an object-order rendering methods are proposed, both methods being optimized for an implementation on the GPU. Our rendering methods allow for interactive visualization of a visually-convincing result.; L’augmentation de la puissance graphique des ordinateurs grands publics entraîne avec elle une demande croissante de qualité et de complexité des scènes virtuelles. La gestion de cette complexité est particulièrement difficile pour les objets naturels tels les arbres et les champs d’herbe ou encore pour les animaux, pour lesquels de très nombreux petits objets très similaires viennent décorer les surfaces. La diversité de ces détails de surfaces, nécessaire à un rendu réaliste dans le cas des objets naturels, se traduit par une augmentation du temps de modélisation, du coût en stockage et de la complexité d’évaluation. Nous nous sommes intéressés aux différentes représentations et méthodes de génération à la volée pouvant être utilisées pour la création et le rendu temps réel de ces détails sur de vastes surfaces. Nous avons concentré notre étude sur le cas particulier des champs d’herbe et des fourrures : De nombreux brins quasi-similaires, distribués aléatoirement sur la surface, forment une apparence visuelle très proche d’un motif de bruit incluant des éléments de structure. Nous présentons dans un premier temps un bruit procédural axé sur la modélisation spatiale interactive d’éléments quasi-similaires et de leur distribution. L’utilisation de fonctions gaussiennes elliptiques comme primitive de modélisation, et la distribution non-uniforme contrôlée des éléments créés, permet de produire des motifs aléatoires ou quasi-réguliers incluant des caractéristiques structurelles. Une méthode d’analyse par décomposition en ellipses permet de préconfigurer ce bruit pour une reproduction rapide d’un motif donné. Nous présentons ensuite une extension de ce bruit pour la modélisation procédurale d’une surcouche volumique composée de détails de surfaces tels que des brins ou des objets volumiques plus complexes. Pour conserver une modélisation interactive du motif, une première méthode de rendu d’ordre image et une seconde méthode d’ordre objet sont proposées pour une évaluation optimisée du bruit par une carte graphique. Ces deux méthodes permettent une visualisation interactive et visuellement convaincante du résultat.

In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software.; En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés.

In computer graphics, the physical phenomena simulated for the creation of animations, video games or the design of objects are found to be more and more complex:First, in terms of the computational cost, the scale of the simulations is more and more important;Then, in terms of the complexity of the phenomena themselves, which require the models to be able to change their state and shape.This growing complexity introduces new challenges in order to offer control on these large scale simulations to the user.In many cases, this control is reduced to a trial-and-error process in order to determine the parameters of the simulation which best meet the objectives of the user.In this thesis, we propose three techniques to tackle these challenges.First, we introduce a new adaptive model which allows to reduce the computational cost in Lagrangian simulations of particles.In contrast with re-sampling strategies, the number of degrees of freedom remains constant throughout the simulation.Therefore, the method is simpler to integrate into an existing simulator and the memory consumption remains constant, which can be an advantage in an interactive context.Then, we propose an algorithm which allows the detailed cutting of thin deformable objects.Our method relies on a dynamic update of the shape functions associated to the degrees of freedom, which therefore allows to keep a very low number of degrees of freedom while performing detailed topological changes.Finally, we focus on the control of the fluid animations and take inspiration from interactive methods of shape editing in the field of 3D modeling.We introduce a system where the user directly edits the result of the simulation, i.e. a sequence of meshes representing the surface of the fluid.We propose selection and editing spatio-temporal tools inspired from static shapes sculpting software., En informatique graphique les phénomènes physiques simulés pour la création d'animations, de jeux vidéos ou la conception d'objets sont de plus en plus complexes:Tout d'abord en terme de coût de calcul, l'échelle des simulations étant de plus en plus importante;Ensuite en terme de complexité phénomènes eux-mêmes qui requièrent des modèles permettant de changer d'état et de forme.Cette complexité grandissante introduit de nouveaux défis quand il s'agit d'offrir à un utilisateur un contrôle sur ces simulations à grande échelle.Dans de nombreux cas, ce contrôle est réduit à un cycle d'essais et d'erreurs pour déterminer les paramètres de la simulation qui satisferont au mieux les objectifs de l'utilisateur.Dans cette thèse, nous proposons trois techniques pour répondre en partie à ces défis.Tout d'abord nous introduisons un nouveau modèle adaptatif permettant de réduire le temps de calcul dans des simulations Lagrangiennes de particules.À l'inverse des méthodes de ré-échantillonnage, le nombre de degrés de liberté reste constant au cours de la simulation.La méthode est ainsi plus simple à intégrer dans un simulateur existant et la charge mémoire est constante ce qui peut être un avantage dans un contexte interactif.Ensuite, nous proposons un algorithme permettant de réaliser la découpe détaillée d'objets fins et déformables.Notre méthode s'appuie sur une mise à jour dynamique des fonctions de forme associées à chaque degré de liberté, permettant ainsi de conserver un nombre de degré de liberté très faible tout en réalisant des changements topologiques détaillés.Enfin, nous nous intéressons au contrôle d'animations de fluide en s'inspirant des méthodes d'édition intéractive de formes en modélisation 3D.Dans ce système, l'utilisateur travaille directement avec le résultat d'une simulation, c'est à dire une suite de maillages représentant la surface du fluide.Des outils de sélection et d'édition spatio-temporelle inspirés des logiciels de sculpture de formes statiques lui sont proposés.

In computer graphics, material appearance is a fundamental component of the final image quality. Many models have contributed to improve material appearance. Today, some materials remains hard to represent because of their complexity. Among them, anisotopic materials are especially complex and little studied. In this thesis, we propose a better comprehension of anisotropic materials providing a representation model and an editing tool to control their appearance. Our scratched material model is based on a light transport simulation in the micro-geometry of a scratch, preserves all the details and keeps an interactive rendering time. Our anisotropic reflections edition tool uses BRDF orientation fields to give the user the impression to draw or deform reflections directly on the surface., En informatique graphique, le rendu des matériaux occupe une place très importante dans la qualité de l’image finale. De nombreux modèles ont contribué à améliorer l’apparence des matériaux. Aujourd’hui, certains matériaux restent encore difficiles à représenter à cause de leur complexité. Parmi ceux ci,la famille des matériaux anisotropes reste peu étudiée et complexe. Dans cette thèse nous proposons une meilleure compréhension des matériaux anisotropes au travers d’un modèle pour les représenter ainsi qu’un outil permettant de mieux en contrôler l’apparence. Notre modèle de matériaux brossés ou rayés se base sur la simulation du transport lumineux au sein de la micro-géométrie d’une rayure pour restituer tous les détails en conservant des temps de rendus suffisamment courts pour rendre la scène de manière interactive.Notre outil d’édition des reflets anisotropes utilise le champ d’orientation des BRDF pour donner à l’utilisateur l’impression de dessiner ou de déformer des reflets directement sur l’objet.

Field functions are a powerful mathematical tool for surface representation in computer graphics. Despite the volume information they provide, combined with the composition models accompanying them, field functions are still used in only a few number of applications due to their limitations such as slow user interactions and a difficult shape control.In this thesis we study these composition models in order to develop and improve them and make them efficient and relevant for computer graphics. We do so through two applications.The first one is geometric modelling, where field functions represent object compounds that are combined pairwisely in an iterative creation process to design complex objects. We propose to unify and make consistent both the field function representation and the composition model to provide a more stable and artefact-free modelling process.The second one is fluid simulation and reconstruction based on particles. Here, field functions represent contributions of the particles sampling the fluid volume. These contributions are then combined in a row to build the fluid surface. In this application, we propose to take the topology of the reconstructed surface into account when running the fluid simulation, thus avoiding an inappropriate behavior of the particles, and then of the simulated fluid.; Les fonctions de champ scalaire sont un outil mathématique puissant pour la représentation de surfaces en informatique graphique. Malgré l'information de volume qu'elles offrent, combiné aux modèles de composition qui les accompagnent, les fonctions de champ scalaire ne sont encore utilisées que dans très peu d'applications en raison de leurs limitations, telles qu'une interaction utilisateur lente et un contrôle de la forme de la surface difficile.Dans cette thèse, nous étudions ces modèles de composition dans le but de les développer, de les améliorer et de faire en sorte qu'ils soient efficaces et pertinents pour l'informatique graphique. Pour cela, nous nous intéressons à deux applications.La première est la modélisation géométrique, où les fonctions de champ scalaire représentent des composants d'objets qui sont assemblés par paires dans un processus de création incrémental pour construire des objets complexes. Nous proposons une représentation unifiée des fonctions de champ scalaire et du modèle de composition afin d'obtenir un processus de modélisation plus stable et sans artefacts.La deuxième application à laquelle nous nous intéressons est la simulation et la reconstruction de fluides basées particules. Ici, les fonctions de champ scalaire représentent les contributions des particules qui échantillonnent le volume du fluide. Ces contributions sont alors combinées d'un coup pour reconstruire la surface du fluide. Nous proposons dans ce cadre de prendre en compte la topologie de la surface reconstruite dans la simulation, évitant ainsi un comportement inapproprié des particules, et donc du fluide ainsi simulé.

International audience; Les outils de modélisation et de simulation en trois dimensions (3D) permettent de matérialiser la ville sous de nombreux aspects, pour répondre à des objectifs multiples (scientifique, prospectif, ludique, etc.). Cependant, au-delà de leurs différences, ces simulations sont autant de déclinaisons possibles d’un même modèle géographique de la ville, passées par le filtre de l’analogisme, qui caractérise la représentation fidèle et exhaustive d’un cadre urbain autant que la qualité visuelle avec laquelle il est matérialisé. Cette manière de représenter la ville en 3D s’intègre dans la continuité du processus incrémental de l’évolution de l’informatique graphique. Néanmoins, il est nécessaire de s’interroger sur les possibilités de dépasser ce tropisme de l’analogisme afin de faire de la ville virtuelle en 3D un outil de conception pour penser et concevoir la ville, plus qu’un simple outil de représentation.

National audience; La synthèse d'images photoréalistes est un processus de simulation du transport de la lumière dans une scène tridimensionnelle qui est extrêmement coûteux en temps de calcul. En particulier, l'émergence du rendu basé physique dans l'industrie, principalement effectué à l'aide de la méthode du lancer de rayons de Monte Carlo, impose l'utilisation de fermes de calcul dédiées toujours plus puissantes, et ne s'accommode de scènes au contenu complexe qu'au prix de temps d'exécution souvent prohibitifs dans un contexte industriel. L'architecture de ces fermes passe de plus difficilement à l'échelle à chaque évolution majeure du critère de qualité attendu en production. Dans ce contexte, l'exploitation de ressources de calculs différentes, non dédiées mais massive, apparait comme une piste sérieuse pour la génération d'images de synthèse toujours plus précises et riches de contenu. Dans cet article, nous ébauchons un système de rendu conçu pour exploiter les grands flottes de machines hétérogênes, telles que celles présentes dans les grandes infrastructures informatiques publiques ou privées, avec pour but d'exploiter au maximum le temps de calcul disponible en conservant la généricité de déploiement du cloud computing. Ces flottes ont souvent pour particularité de représenter des clusters de taille importante mais composés de machines de puissances trés variables et exploitant des réseaux disposant d'une faible bande passante et d'une forte latence. Certaines, notamment dans l'industrie du web, prennent la forme de clusters principalements conçus pour effectuer de l'apprentissage automatique sur de grande masses de données et leur architecture matérielle n'est pas adaptée, en général, au calcul en synthèse d'image. Nous présentons ici une méthode permettant d'exploiter efficacement la puissance de ces deux types d'architectures matérielles.

International audience; Designing objects requires frequent transitions from a 2D representation, the sketch, to a 3D one. Because 3D modeling is time consuming, it is made only during late phases of the design process. Our long term goal is to allow designers to automatically generate 3D models from their sketches. In this paper, we address the preliminary step of recovering the viewpoint under which the object is drawn. We adopt a data-driven approach where we build correspondences between the sketch and 3D objects of the same class from a database. In particular, we relate the curvature lines and contours of the 3D objects to similar lines commonly drawn by designers. The 3D objects from the database are then used to vote for the best viewpoint. Our results on design sketches suggest that using both contours and curvature lines give higher precision than using either one. In particular, curvature information improves viewpoint retrieval when details of the objects are different from the sketch.; Le processus de design d'objet nécessite de passer fréquemment d'une représentation 2D, le croquis, à une représentation 3D. Parce que cette transformation est couteuse en temps, elle n'est pratiquée que lorsque le design est suffisamment avancé. Nous proposons donc un premier pas vers des méthodes permettant au designer de générer automatiquement une vue 3D à partir d'un croquis simple, en utilisant les spécificités du dessin de design. Dans cet article, nous souhaitons dans un premier temps retrouver le point de vue selon lequel est dessiné l'objet. Nous adoptons une approche basée donnée en mettant en correspondance le dessin avec des objets 3D de la même classe. En particulier, nous relions les lignes de courbure et contours des objets 3D à des lignes similaires dessinées par les designers. Nos résultats sur des dessins de design suggèrent que l'utilisation de ces deux informations donnent une meilleure précision comparativement à n'utiliser que l'une des deux. En particulier, l'information de courbure permet d'améliorer l'alignement du point de vue quand les détails de l'objet sont différents du dessin.

Between the first PhD in computer graphics (defended in 1968) and the first entirely synthetic advertisement broadcast on television (1983), computer-generated images became “new images”. The aim is not to assess these so-called new images according to their distinctive qualities of rupture or continuity, as the expression would suggest, but rather to study their mode of production and representation in order to determine what they show from the techniques employed, and the imaginative worlds that they convey at the time of the emergence of digital images, like so many creative suggestions but also ideological issues. Studied first from a technical, then from an aesthetic point of view, thanks to the cross-study of testimonies, grey literature and a formal analysis of the movies, these productions show a process of recovery of the medium, before and after the image. This PhD not only defines an “official” history of computer-generated images in France, replacing as precisely as possible the productions in their technical, political and cultural environment, but it also reveals when computer-generated images are innovating products, from their places of fabrication to their places of legitimacy. The conclusions question the different local circulations of people, tools and images, at a time when the cultural policies of the year 1981 promotes the bond between art and computer, and the indiscipline of creations.; Entre la première thèse en informatique graphique (soutenue en 1968) et la première publicité entièrement synthétique diffusée à la télévision (en 1983), les images de synthèse se transforment en “nouvelles images”. Il ne s’agit pas d’évaluer ces prétendues images nouvelles en fonction de leurs qualités distinctives de rupture ou de continuité que l’expression a tendance à appeler, mais d’étudier leur mode de production et de représentation afin de déterminer ce qu’elles montrent des techniques employées, et les imaginaires que ces dernières véhiculent au moment d’émergence de l’image numérique, comme autant de propositions créatives mais aussi d’enjeux idéologiques. Étudiées d’un point de vue technique puis esthétique, grâce à l’étude croisée de témoignages, de littérature grise, et de l’analyse formelle des films, ces productions donnent à voir un processus de réappropriation du médium, avant et après l’image. Si elle définit une histoire « officielle » des images de synthèse en France, en replaçant aussi précisément que possible les productions dans leur environnement technique, politique et culturel, cette thèse a finalement mis en évidence les temps des images de synthèse en tant que produit innovant, depuis leurs lieux de fabrication jusqu’à leurs lieux de légitimation. Ses conclusions mettent en jeu les différentes circulations locales des hommes, des outils et des images, au moment où la politique culturelle de 1981 favorise la jonction art-ordinateur, et l’indiscipline des créations.

Between the first PhD in computer graphics (defended in 1968) and the first entirely synthetic advertisement broadcast on television (1983), computer-generated images became “new images”. The aim is not to assess these so-called new images according to their distinctive qualities of rupture or continuity, as the expression would suggest, but rather to study their mode of production and representation in order to determine what they show from the techniques employed, and the imaginative worlds that they convey at the time of the emergence of digital images, like so many creative suggestions but also ideological issues. Studied first from a technical, then from an aesthetic point of view, thanks to the cross-study of testimonies, grey literature and a formal analysis of the movies, these productions show a process of recovery of the medium, before and after the image. This PhD not only defines an “official” history of computer-generated images in France, replacing as precisely as possible the productions in their technical, political and cultural environment, but it also reveals when computer-generated images are innovating products, from their places of fabrication to their places of legitimacy. The conclusions question the different local circulations of people, tools and images, at a time when the cultural policies of the year 1981 promotes the bond between art and computer, and the indiscipline of creations.; Entre la première thèse en informatique graphique (soutenue en 1968) et la première publicité entièrement synthétique diffusée à la télévision (en 1983), les images de synthèse se transforment en “nouvelles images”. Il ne s’agit pas d’évaluer ces prétendues images nouvelles en fonction de leurs qualités distinctives de rupture ou de continuité que l’expression a tendance à appeler, mais d’étudier leur mode de production et de représentation afin de déterminer ce qu’elles montrent des techniques employées, et les imaginaires que ces dernières véhiculent au moment d’émergence de l’image numérique, comme autant de propositions créatives mais aussi d’enjeux idéologiques. Étudiées d’un point de vue technique puis esthétique, grâce à l’étude croisée de témoignages, de littérature grise, et de l’analyse formelle des films, ces productions donnent à voir un processus de réappropriation du médium, avant et après l’image. Si elle définit une histoire « officielle » des images de synthèse en France, en replaçant aussi précisément que possible les productions dans leur environnement technique, politique et culturel, cette thèse a finalement mis en évidence les temps des images de synthèse en tant que produit innovant, depuis leurs lieux de fabrication jusqu’à leurs lieux de légitimation. Ses conclusions mettent en jeu les différentes circulations locales des hommes, des outils et des images, au moment où la politique culturelle de 1981 favorise la jonction art-ordinateur, et l’indiscipline des créations.

The wide availability of high-resolution 3D models and the facility to create new geometrical and animated content, using low-cost input devices, opens to many the possibility of becoming digital 3D storytellers. To date there is however a clear lack of accessible tools to easily create the cinematography (positioning and moving the cameras to create shots) and perform the editing of such stories (selecting appropriate cuts between the shots created by the cameras). Creating a movie requires the knowledge of a significant amount of empirical rules and established conventions. In particular continuity editing -- the creation of a sequence of shots ensuring visual continuity -- is a complex endeavor. Most 3D animation packages lack continuity editing tools, calling the need for automatic approaches that would, at least partially, support users in their creative process.In this thesis we address both challenges of automating cinematography and editing in virtual environments. In a first contribution we propose a system that relies on Reynolds' model of steering behaviors to control and locally coordinate a collection of camera agents in dynamic 3D environments. The second contribution consists of a novel optimization-based approach for automatically creating well-edited movies from a 3D animation. We propose an efficient solution through dynamic programming, by relying on a plausible semi-Markov assumption. The next contribution uses and extends our previous work to propose a novel importance-driven approach to cinematic replay that exploits both the narrative and geometric information in games to automatically compute camera paths and edits. Finally, our last contribution addresses camera control issues by constraining motion on camera rails to ensure realistic shots., La libre diffusion de modèles 3D de qualité ainsi que la mise à disposition de nombreux moyens facilitant la création de contenus animés ont permis de populariser la production d'oeuvres cinématographiques 3D. A l'heure actuelle, on peut cependant observer un manque important d'outils permettant de traiter la cinématographie (placement des caméras pour l'enregistrement des plans) et d'effectuer le montage de tels contenus (sélection des plans et transitions entre caméras). La création d'un film nécessite la connaissance d'un grand nombre de règles et de conventions. A travers cette thèse, nous proposons de nouvelles méthodes et de nouveaux outils permettant, au moins partiellement, d'aider les utilisateurs à réaliser la cinématographie et le montage de leurs productions.

One of the main goal in computer graphics is to generate an image that matches the user intent. To do that, the user has to go through several steps. The first step, named « Rendering engine », aims to precisely simulate light interactions with the objects of a 3D scene. At the end of this step, an image is generated. This image is represented by photometric values. Then, the user moves on to the second step, named « Post-production », where she/he applies several transformations to the computer generated images. To make the final image be in line with her/his expectations, the user can modify the 3D scene or change parameter values used throughout the different steps. Two main research avenues are investigated: acceleration of the generation of computer generated images and the development of user assistance tools allowing to satisfy the user's intent. First, we have developed computer graphics algorithms that generate high quality images. These techniques often rely on a stochastic process. They randomly construct light paths. However, in some particular setup, it turns out that these algorithms are inefficient. This is the case when rendering participating media for which a huge amount of light interactions is needed. These interactions entail a costly computing time. In order to reduce the rendering time, we have proposed a new discrete approach that runs on the GPU. However, there exist several limitations with this type of technique. To overcome these limitations, we have developed a second approach based on progressive photon mapping. Furthermore, in complex scenes, it is difficult to find valid light paths. This is why, our algorithm is based on Metropolis-Hasting. This type of technique allows to explore locally the path space but still have several drawbacks. The main drawback is that the algorithm does not distribute evenly the error over the image space. We have proposed a novel approach to address this issue. In the second part of this PhD, we are interested in the "post-production" step. A new technique has been developed to estimate the main illuminant in a scene. Knowing this main illuminant is crucial for color transformations. Moreover, we have developed a technique that optimizes automatically the lighting setup in a 3D scene to meet the user's expectations., L'un des buts principaux de la synthèse d'image est de générer une image en adéquation avec les attentes de l’utilisateur. Pour ce faire, l'utilisateur doit passer par plusieurs étapes. La première, dite « Moteur de rendu », a pour but de simuler de façon précise les différentes interactions lumineuses avec les objets d'une scène 3D. A l'issue de cette étape, l'utilisateur aura à sa disposition une image décrite par des grandeurs photométriques. Ensuite, l'utilisateur procède à une seconde étape, dite « Post-production », où l'utilisateur effectue différents traitements sur l’image générée. Afin que l’image finale soit en adéquation avec les attentes de l’utilisateur, ce dernier peut modifier la scène 3D ou les différents paramètres utilisés par chaque étape. Les travaux de recherche menés dans le cadre de la thèse se sont focalisés sur deux axes principaux : l’accélération de la génération d'images de synthèse et le développement d'outils, proposés à l'utilisateur, lui permettant de satisfaire ses attentes. Concernant le premier axe, nous avons travaillé sur les techniques de synthèse d'image permettant de générer des images de synthèse de haute qualité. Ces techniques s’appuient, le plus souvent, sur un processus stochastique qui construit de façon aléatoire des chemins de lumière. Cependant, dans certains cas de figure, il est difficile de construire de façon efficace ces chemins. C'est le cas des milieux participants (fumée, feu, etc.) pour lesquels un grand nombre d'interactions lumière/matière doit être pris en compte, ce qui est très coûteux en temps de calcul. Pour réduire ces temps de calcul, nous proposons une adaptation d'une approche de rendu discrète exploitant la puissance de calcul des cartes graphiques. Cependant, comme ce genre de techniques présentent de nombreuses limitations, nous avons développé une seconde technique basée sur le trace de photon. Par ailleurs, dans des scènes complexes, il est difficile de trouver des chemins contributifs. Pour cette raison, nous avons utilisé une approche, basée sur Metropolis-Hasting, qui permet d'explorer localement l'espace des chemins contributifs. En revanche, avec ce type d'approche, il est difficile de contrôler la répartition de l'erreur sur le plan image. C'est pourquoi, nous proposons une nouvelle approche permettant de mieux répartir l'erreur relative sur le plan image. Dans le second axe de travail, nous nous sommes intéressés à l’étape de « Post-production ». En effet, nous avons développé une nouvelle technique d'estimation de l'illuminant de référence. Connaître cet illuminant est important lors d’opérations manipulant l'espace couleur utilisé. Enfin, nous proposons une technique capable de déterminer automatiquement la configuration des sources de lumière dans le but de générer une image répondant aux attentes de l'utilisateur.

This paper delves into the problem of detecting the intersection of two convexpolyhedra.It does so through the lens of Minkowski sums and Gauss maps, and with a biastowards applications in computer graphics and robotics.In the first part, we show how Minkowski sums and Gauss maps come into play,give a brief survey of techniques for pairs of simple shapes and describe alow-level optimization of a naive algorithm for convex polyhedra, which isapplied to tetrahedra.Novel applications to the ray casting problem are also given.In the second part, we take a more abstract approach to the problem anddescribe a new and very efficient and robust algorithm for detecting theintersection of two convex shapes.The new technique works directly on the unit sphere, interpreted as the sphereof directions.In particular, it is compared favourably to the ubiquitous algorithm ofGilbert, Johnson and Keerthi.; Cet article discute du problème (décisionnel) de la détection de l'intersectionde deux polyèdres convexes. Il porte particulièrement sur les applications dece problème en informatique graphique et en robotique. La discussion s'y faitdu point de vue des sommes de Minkoswki et de l'application de Gauss.Dans la première partie, nous rappellons le rôle de ce point de vue dans lacompréhension de la géométrie du problème. Nous donnons un bref aperçu destechniques conçues pour certaines paires de formes simples, et nous proposonsun algorithme naïf mais optimisé, traitant des polyèdres convexes quelconques.Nous traitons en exemple une application aux paires de tétraèdres et uneapplication au problème du lancer de rayons.En deuxième partie, nous approchons le problème de manière plus abstraite etdécrivons un nouvel algorithme robuste et rapide pour la détection del'intersection de deux objets convexes (non nécessairement polyédrique).Ce nouvel algorithme travaille directement sur la sphère unité que nousinterprétons comme l'espace des directions. En particulier, notre nouvelletechnique est comparée favorablement à celle, fort répandue, de Gilbert,Johnson et Keerthi.