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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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In this document I present a summary of some of my research and also my experience with administrative research management tasks. The research presentation is followed by the related significant publications and at the end of the document, I have included the complete list of my publications. I have conducted research over the last nine years and a unifying theme is the challenge of geometric modeling of complex shapes. Nowadays, images are becoming more and more important in our everyday life. Display devices such as screens, mobile phones, tablet-PCs, notebooks, are ubiquitous. Requests for the production of visual content are thus increasing and an efficient solution relies on the generation of virtual content. This requires the use of very efficient but intricate and complicated modeling software, only accessible to professionals or enthusiast users. One of the main reason is that no model for representing shape supports fast and immediate rendering, robust editing and simple implementation. Some methods suffer from numerical instability or do not currently support intuitive user interaction. In fact, there is no stable modeling methodology that enables the rapid development of models that is both efficient and intuitive to use for non-expert users. In the first chapter I present some of my research results on subdivision surfaces, a well-known and recognized surface representation for its flexibility and efficiency in geometric modeling applications. I discuss the advantages and weaknesses with respect to the problems mentioned above. This leads to my investigations into sketch based modeling, an efficient contour based technique with user-friendly interactions for shape modeling. This work demonstrates the usefulness of volumetric representations (implicit surfaces) and I present the recent research we have done for improving their control and enhancing their efficiency in modeling situations. We conclude with our perspectives and projects around volumetric shape representations.; Ce manuscrit présente principalement un ensemble de travaux de recherche, ainsi que les tâches administratives ou liées à la vie de la recherche, que j'ai effectuées. Il se termine par ma liste de publications. Les travaux présentés s'étalent sur ces neuf dernières années. Ils portent sur la modélisation géométrique de formes complexes et sont ceux pour lesquels ma participation a été la plus active, voire dont j'ai été l'instigateur. De nos jours, l'image prend de plus en plus d'importance. Parmi tous les facteurs à l'origine de ce phénomène, nous pouvons noter la prolifération des supports d'affichage (écrans, téléphones portables, tablettes PC, ordinateurs ultra-portables, etc). La demande en création de contenu visuel est croissante et une façon de répondre à cette demande efficacement et à moindre coût passe par la génération de contenu virtuel tridimensionnel. La génération de contenu virtuel s'appuie sur la modélisation géométrique d'objets complexes. Cette phase de création des objets tridimensionnels est encore longue et laborieuse et n'est accessible qu'aux professionnels ou aux passionnés. Ceci est dû, en partie, à la difficulté de définir des modèles de représentation de surfaces qui sont à la fois rapides à visualiser, robustes et accessibles quand on édite la surface (déformation, changement de topologie, etc), simples à implanter, numériquement stables, et permettant une interaction intuitive avec l'utilisateur. En fait, il n'existe pas vraiment de solution satisfaisante au développement rapide de logiciels de modélisation performants et faciles à prendre en main par un utilisateur non-expert; même s'ils sont contextualisés. Nous nous intéresserons, dans un premier temps, à l'un des modèles de représentation de surfaces les plus populaires et reconnus pour sa flexibilité et son efficacité dans des applications de modélisation d'objets de formes libres : les surfaces de subdivision. Nous verrons les travaux que j'ai effectués sur ces modèles et nous discuterons de leurs avantages et leurs inconvénients dans notre contexte. Ceci nous amènera à la présentation de travaux sur la modélisation par esquisses, une technique de modélisation basée sur le tracé de contours, reconnue pour son accessibilité d'un point de vue utilisateur. Ces travaux mettront en évidence l'intérêt que l'on peut avoir à développer les modèles volumiques (surfaces implicites) et nous verrons quels travaux ont été menés récemment sur ces modèles pour améliorer leur contrôle et leur efficacité en situation de modélisation. Nous finirons en mettant en perspective le potentiel des modèles volumiques en présentant des projets de recherche qui ont ou vont commencer.

In this document I present a summary of some of my research and also my experience with administrative research management tasks. The research presentation is followed by the related significant publications and at the end of the document, I have included the complete list of my publications. I have conducted research over the last nine years and a unifying theme is the challenge of geometric modeling of complex shapes. Nowadays, images are becoming more and more important in our everyday life. Display devices such as screens, mobile phones, tablet-PCs, notebooks, are ubiquitous. Requests for the production of visual content are thus increasing and an efficient solution relies on the generation of virtual content. This requires the use of very efficient but intricate and complicated modeling software, only accessible to professionals or enthusiast users. One of the main reason is that no model for representing shape supports fast and immediate rendering, robust editing and simple implementation. Some methods suffer from numerical instability or do not currently support intuitive user interaction. In fact, there is no stable modeling methodology that enables the rapid development of models that is both efficient and intuitive to use for non-expert users. In the first chapter I present some of my research results on subdivision surfaces, a well-known and recognized surface representation for its flexibility and efficiency in geometric modeling applications. I discuss the advantages and weaknesses with respect to the problems mentioned above. This leads to my investigations into sketch based modeling, an efficient contour based technique with user-friendly interactions for shape modeling. This work demonstrates the usefulness of volumetric representations (implicit surfaces) and I present the recent research we have done for improving their control and enhancing their efficiency in modeling situations. We conclude with our perspectives and projects around volumetric shape representations.; Ce manuscrit présente principalement un ensemble de travaux de recherche, ainsi que les tâches administratives ou liées à la vie de la recherche, que j'ai effectuées. Il se termine par ma liste de publications. Les travaux présentés s'étalent sur ces neuf dernières années. Ils portent sur la modélisation géométrique de formes complexes et sont ceux pour lesquels ma participation a été la plus active, voire dont j'ai été l'instigateur. De nos jours, l'image prend de plus en plus d'importance. Parmi tous les facteurs à l'origine de ce phénomène, nous pouvons noter la prolifération des supports d'affichage (écrans, téléphones portables, tablettes PC, ordinateurs ultra-portables, etc). La demande en création de contenu visuel est croissante et une façon de répondre à cette demande efficacement et à moindre coût passe par la génération de contenu virtuel tridimensionnel. La génération de contenu virtuel s'appuie sur la modélisation géométrique d'objets complexes. Cette phase de création des objets tridimensionnels est encore longue et laborieuse et n'est accessible qu'aux professionnels ou aux passionnés. Ceci est dû, en partie, à la difficulté de définir des modèles de représentation de surfaces qui sont à la fois rapides à visualiser, robustes et accessibles quand on édite la surface (déformation, changement de topologie, etc), simples à implanter, numériquement stables, et permettant une interaction intuitive avec l'utilisateur. En fait, il n'existe pas vraiment de solution satisfaisante au développement rapide de logiciels de modélisation performants et faciles à prendre en main par un utilisateur non-expert; même s'ils sont contextualisés. Nous nous intéresserons, dans un premier temps, à l'un des modèles de représentation de surfaces les plus populaires et reconnus pour sa flexibilité et son efficacité dans des applications de modélisation d'objets de formes libres : les surfaces de subdivision. Nous verrons les travaux que j'ai effectués sur ces modèles et nous discuterons de leurs avantages et leurs inconvénients dans notre contexte. Ceci nous amènera à la présentation de travaux sur la modélisation par esquisses, une technique de modélisation basée sur le tracé de contours, reconnue pour son accessibilité d'un point de vue utilisateur. Ces travaux mettront en évidence l'intérêt que l'on peut avoir à développer les modèles volumiques (surfaces implicites) et nous verrons quels travaux ont été menés récemment sur ces modèles pour améliorer leur contrôle et leur efficacité en situation de modélisation. Nous finirons en mettant en perspective le potentiel des modèles volumiques en présentant des projets de recherche qui ont ou vont commencer.

In this thesis we analyse the behaviour of subdivision schemes, tool used to modelise smooth and multi-resolution surfaces. Firstly, our work aimed to study the geometric behaviour of these surfaces on the neighbourhood of the extraordinary vertices in the control mesh. The geometry of a subdivision surface is complex on the neighborhood of an extraordinary vertex, some of the unpleasant behaviours are obscure. We have proposed an evaluation framework for subdivision surfaces throughout an suitable measure : the absolute curvature gradient. Then we have proposed an interrogation span suitable to the analysis of an extraordinary vertex neighborhood. It is independent of the subdivision scheme used to synthesize the surface, thus we can compared several schemes. Then our work engaged in the polar spectral analysis of these geometric behaviours, taking into account there radial and angular characteristics regarding the topology of an extraordinary vertex neighbourhood. Our analysis extends the existing works for the interrogation of this modelisation tool. Secondly, we have proposed a description framework for the topological step of a subdivision scheme. Our system takes the form of a compact and flexible coding, it generalizes the existent descriptions. This coding allows the description of the topological step of all the known subdivision schemes, and many others., L'objet de ce mémoire est l'analyse des schémas de subdivision, outil de modélisation de surface lisse multi-résolution. Nos travaux se sont tout d'abord consacrés à l'étude du comportement géométrique de ces surfaces au voisinage des sommets extraordinaires du maillage de contrôle. La géométrie d'une surface de subdivision présente un comportement complexe au voisinage de ces sommets, et ces effets parfois néfastes sont pour certains encore mal connus. Nous avons proposé un cadre d'évaluation du comportement géométrique d'une surface de subdivision à travers une mesure de qualité adaptée : le gradient de courbure absolue. Nous avons ensuite proposé un espace de visualisation adapté à l'analyse du voisinage d'un sommet extraordinaire.Celui-ci étant indépendant du schéma de subdivision utilisé, ce cadre d'analyse nous permet de les comparer. Nos travaux se sont alors portés sur une analyse fréquentielle polaire des comportements géométriques, en tenant compte de leurs caractéristiques radiales et angulaires par rapport à la topologie du voisinage d'un sommet extraordinaire. Notre analyse étend les études existantes pour l'évaluation des comportements géométriques de cet outil de modélisation. De plus, nous avons proposé un systàme de description de la phase de subdivision topologique d'un schéma de subdivision. Notre systàme prend la forme d'un codage compact et flexible, il généralise les descriptions existantes. Ce codage permet la description des phases topologiques de tous les schémas de subdivision connus, ainsi que de nombreuses autres.

In this thesis we analyse the behaviour of subdivision schemes, tool used to modelise smooth and multi-resolution surfaces. Firstly, our work aimed to study the geometric behaviour of these surfaces on the neighbourhood of the extraordinary vertices in the control mesh. The geometry of a subdivision surface is complex on the neighborhood of an extraordinary vertex, some of the unpleasant behaviours are obscure. We have proposed an evaluation framework for subdivision surfaces throughout an suitable measure : the absolute curvature gradient. Then we have proposed an interrogation span suitable to the analysis of an extraordinary vertex neighborhood. It is independent of the subdivision scheme used to synthesize the surface, thus we can compared several schemes. Then our work engaged in the polar spectral analysis of these geometric behaviours, taking into account there radial and angular characteristics regarding the topology of an extraordinary vertex neighbourhood. Our analysis extends the existing works for the interrogation of this modelisation tool. Secondly, we have proposed a description framework for the topological step of a subdivision scheme. Our system takes the form of a compact and flexible coding, it generalizes the existent descriptions. This coding allows the description of the topological step of all the known subdivision schemes, and many others.; L'objet de ce mémoire est l'analyse des schémas de subdivision, outil de modélisation de surface lisse multi-résolution. Nos travaux se sont tout d'abord consacrés à l'étude du comportement géométrique de ces surfaces au voisinage des sommets extraordinaires du maillage de contrôle. La géométrie d'une surface de subdivision présente un comportement complexe au voisinage de ces sommets, et ces effets parfois néfastes sont pour certains encore mal connus. Nous avons proposé un cadre d'évaluation du comportement géométrique d'une surface de subdivision à travers une mesure de qualité adaptée : le gradient de courbure absolue. Nous avons ensuite proposé un espace de visualisation adapté à l'analyse du voisinage d'un sommet extraordinaire.Celui-ci étant indépendant du schéma de subdivision utilisé, ce cadre d'analyse nous permet de les comparer. Nos travaux se sont alors portés sur une analyse fréquentielle polaire des comportements géométriques, en tenant compte de leurs caractéristiques radiales et angulaires par rapport à la topologie du voisinage d'un sommet extraordinaire. Notre analyse étend les études existantes pour l'évaluation des comportements géométriques de cet outil de modélisation. De plus, nous avons proposé un systàme de description de la phase de subdivision topologique d'un schéma de subdivision. Notre systàme prend la forme d'un codage compact et flexible, il généralise les descriptions existantes. Ce codage permet la description des phases topologiques de tous les schémas de subdivision connus, ainsi que de nombreuses autres.

The work presented in this manuscript is focused on the modeling and simulation of soft tissue. I proposed an original discrete biomechanical model which is able to simulate interactions between biological ormedical objects. I also developed a software environment, including two XML languages and a toolkit, in order to build a framework for comparing and validating physical models. This environment was used to compare my model with other approaches.The proposed model was applied in different clinical and biological domains. In Computer Assisted Medical Intervention, the model is used to help the surgeon or clinician in the diagnosis stage (respiratory movements simulation) and during the intervention (prostate biopsy and brachytherapy simulation). In cellular biology,the model is used to study phenomenons at the cellular level for simulating micro-manipulations experiments, where classical approaches could can only give a partial representation.This manuscript is developed in three parts : chapter 1 presents a general introduction on soft tissue modeing for Computer Assisted Medical Intervention and cellular biology ; chapters 2 to 5 present the model, its validation and its different applications ; and the last chapter, chapter 6, presents some prospect for this work.Appendix A is a synthesis of my activities (short CV). This work has leed to the supervision of Master andPhD students (see list in appendix B) ; and to scientific and clinical collaborations (see list in appendix C). Mypublication list is given in appendix D and the most significant/recent articles are given in appendix E., Ces travaux de recherche sont axés sur la modélisation et la simulation des tissus mous pour le vivant.Nous avons proposé un nouveau modèle mécanique discret qui permet de simuler des interactions entre objets biologiques ou médicaux, et développé un environnement et des outils logiciels afin de fournir un cadre pour la comparaison et la validation de modèles physiques.Cet environnement a ainsi permis de comparer mon modèle à d'autres approches.Le modèle développé a été utilisé dans différentes problématiques applicatives cliniques et de biologie.En GMCAO il s'agit d'aider le chirurgien ou le praticien dans son diagnostic (étude et simulation des mouvements respiratoires) ou dans son geste (modélisation de la prostate et des gestes de biopsie et de curiethérapie). En biologie cellulaire, il s'agit d'étudier des phénomènes au niveau cellulaire ou de reproduire des expériences de micro-manipulations dont les modèles classiquement utilisés dans ce contexte ne rendent pas bien compte.Ce mémoire peut se décomposer en trois parties : le chapitre 1 présente une introduction générale au sujet de la modélisation des tissus mous pour les GMCAO et la biologie cellulaire ; les chapitres 2 à 5 présentent mes travaux de modélisation et de validation et leurs applications ; enfin, le chapitre 6 présente mes perspectives de recherche.On trouvera en annexe A une synthèse de mes activités dans un CV court.Ces travaux ont donné lieu à des encadrements d'étudiants (annexe B) et à des collaborations scientifiques et cliniques (annexe C).Un résumé de mes contributions ainsi que les publications scientifiques et cliniques les plus significatives sont présentés en annexes D et E.

To compute shadows in computer graphics, it is common to be interested in the view of a geometric scene by an observer. Particularly, it is important to characterize the structural changes, called visual events, taking place in the view when the observer moves. Based on the combinatorial definition of view introduced by Gigus and Malik and the associated classification of visual events, many studies suffer from time and space complexity problems. For example, it is the case of discontinuity meshing. Thus, we suggest a new approach which relies on a questionning about this notion of view. For a set of pairwise disjoint convex objects, we propose a topological definition of view emphasizing the visible silhouettes of objects in the scene and we geometrically characterize the locus where those visual events take place. We use this characterization to propose a method to extract boundaries between full light and penumbra and between penumbra and umbra in a scene lit by area light sources. We manage to strongly reduce the size of intermediate objects in use to build the limits between those regions.Furthermore, we prove the first non trivial theoretical bounds on the complexity of the limits between full-light and penumbra and between penumbra and umbra.; Pour le calcul d'ombres en informatique graphique, il est courant de s'intéresser à la vue qu'un observateur a d'une scène géométrique. En particulier, il est important de caractériser les changements structurels, appelés événements visuels, qui se produisent dans cette vue lorsque l'observateur se déplace. En se basant sur la définition combinatoire de la vue proposée par Gigus et Malik et la classification des événements visuels qui en découle, de nombreux travaux se heurtent à des problèmes de complexité en temps et en espace. C'est notamment le cas de la méthode du maillage de discontinuités. Nous suggérons donc une approche nouvelle qui repose sur la remise en cause de cette notion de vue.Pour un ensemble d'objets convexes disjoints, nous proposons une définition topologique de la vue qui fait la part belle aux silhouettes visibles des objets de la scène et nous caractérisons géométriquement les lieux où se produisent les événements visuels. Nous utilisons cette caractérisation pour proposer une méthode qui permet d'extraire les limites entre lumière et pénombre et entre ombre et pénombre dans une scène éclairée par des sources surfaciques. Nous arrivons ainsi à réduire considérablement la taille des objets intermédiaires utilisés pour la construction des limites entre les régions.De plus, nous démontrons les premières bornes théoriques non triviales sur la complexité des limites entre lumière et pénombre ainsi qu'entre ombre et pénombre.

To compute shadows in computer graphics, it is common to be interested in the view of a geometric scene by an observer. Particularly, it is important to characterize the structural changes, called visual events, taking place in the view when the observer moves. Based on the combinatorial definition of view introduced by Gigus and Malik and the associated classification of visual events, many studies suffer from time and space complexity problems. For example, it is the case of discontinuity meshing. Thus, we suggest a new approach which relies on a questionning about this notion of view. For a set of pairwise disjoint convex objects, we propose a topological definition of view emphasizing the visible silhouettes of objects in the scene and we geometrically characterize the locus where those visual events take place. We use this characterization to propose a method to extract boundaries between full light and penumbra and between penumbra and umbra in a scene lit by area light sources. We manage to strongly reduce the size of intermediate objects in use to build the limits between those regions.Furthermore, we prove the first non trivial theoretical bounds on the complexity of the limits between full-light and penumbra and between penumbra and umbra.; Pour le calcul d'ombres en informatique graphique, il est courant de s'intéresser à la vue qu'un observateur a d'une scène géométrique. En particulier, il est important de caractériser les changements structurels, appelés événements visuels, qui se produisent dans cette vue lorsque l'observateur se déplace. En se basant sur la définition combinatoire de la vue proposée par Gigus et Malik et la classification des événements visuels qui en découle, de nombreux travaux se heurtent à des problèmes de complexité en temps et en espace. C'est notamment le cas de la méthode du maillage de discontinuités. Nous suggérons donc une approche nouvelle qui repose sur la remise en cause de cette notion de vue.Pour un ensemble d'objets convexes disjoints, nous proposons une définition topologique de la vue qui fait la part belle aux silhouettes visibles des objets de la scène et nous caractérisons géométriquement les lieux où se produisent les événements visuels. Nous utilisons cette caractérisation pour proposer une méthode qui permet d'extraire les limites entre lumière et pénombre et entre ombre et pénombre dans une scène éclairée par des sources surfaciques. Nous arrivons ainsi à réduire considérablement la taille des objets intermédiaires utilisés pour la construction des limites entre les régions.De plus, nous démontrons les premières bornes théoriques non triviales sur la complexité des limites entre lumière et pénombre ainsi qu'entre ombre et pénombre.

Modeling virtual urban environments remains a complex problem. The main issues to model such environments are related to the great complexity and huge amount of data they represent. In fact, this amount of data is hard to store and manipulate, but also to visualize and update. In this thesis, we propose a better usage of a priori knowledge on urban environments. First, we present an original rewriting system, FL-systems, as a functional extension of L-systems, mainly used for biologically based modeling. Terminal elements being functions, FL-systems allow the real-timegeneration of geometric objects. Furthermore, we propose a new cache mechanism for FL-systems in order to reuse previously rewritten modules. Finally, we define a new modeling method for urban environments using abstraction hierarchies and simple polygon subdivision algorithms, which allows to focus the modeling attention on each level of detail of the city separately., Le problème de la modélisation des environnements urbains virtuels reste complexe. Les principaux obstacles à cette modélisation sont liés à la complexité et à la grande quantité de données que les environnements urbains représentent. En effet, le volume et la complexité de ces données pose d’une part des problèmes de stockage et de manipulation, et complexifie d’autre part leur visualisation et leur mise à jour. Dans cette thèse, nous proposons une meilleure utilisation des connaissances a priori disponibles sur les environnements urbains. Tout d’abord, nous présentonsun système de réécriture original, les FL-systems, comme une nouvelle extension fonctionelle des L-systems, qui sont principalement utilisés pour la modélisation de processus biologiques. Les FL-systems, grâce à l’utilisation de fonctions comme terminaux du langage, permettent une génération en temps-réel d’objets géométriques. Par ailleurs, nous proposons un mécanisme de gestion de cache pour la réécriture des FL-systems afin de réutiliser de façon intelligente les modules déjà réécrits. Pour finir, nous définissons une nouvelle méthode de modélisation des environnements urbains à l’aide de hiérarchies d’abstraction, qui permettent de focaliser la modélisation sur chaque niveau de détail de la ville, et d’algorithmes de subdivision de polygones simples.

Numerical simulations generate large amounts of data that is far greater than the available resources on a workstation and it is unlikely that future developments of resource technology will be able to keep up with the growing demand. The finite element meshes supporting these simulations are normally composed of several millions of volumetric cells having embedded sub-structures of varying dimensions (surfaces and linear features) such as thin material-boundary layers. Postprocessing this large data in order to reduce the required amount of data needed to represent it allows a user to visualize and manipulate the data interactively on a single workstation. However, existing tools in scientific visualization do not allow or only partially reach the interactive exploration goals for this type of data (i.e., large number of cells, sub-structures, thin layers . . .). The dissertation presents two main steps for interactively rendering large data ; a postprocessing and visualization step. The postprocessing step uses an approach having hierarchical organization of data in order to construct a multiresolution representation allowing subsequent interactive visualization. This step is based on a mesh simplification algorithm that uses iterative edge collapses while preserving both mesh topology and the topology of all embedded sub-structures. The robust topological criteria introduced in this work are derived from theoretical notions in algebraic topology. The visualization step uses the multiresolution representation produced in the first step to speed up rendering time of the data. In a progressive, invertible and local way, the method adapts dynamically to the required resolution, specified by the user, and the hardware resources available. This dissertation illustrates the application of these techniques of hierarchical organization and visualization on data from various fields, particularly on data obtained from electromagnetic simulations by the CEA/CESTA., Les simulations numériques génèrent une quantité de résultats disproportionnée par rapport aux moyens d'exploitation, sans espoir d'atténuation à terme. Les maillages supportant ces simulations, sont composés de plusieurs dizaines de millions de cellules volumiques avec, plus spécifiquement, des sous-structures imbriquées de différentes dimensions (surfaciques et linéiques) et des couches minces de matériaux. En phase de post-traitement, un utilisateur devrait être capable de visualiser et de manipuler ces données, à temps interactif, sur sa propre machine d'exploitation. Cependant, les outils existants en visualisation scientifique ne permettent pas ou que partiellement d'atteindre les objectifs souhaités avec ce type de données (grand nombre de mailles, sous-structures, couches minces, . . .).Dans cette thèse, une approche par hiérarchisation des données est proposée afin de construire une représentation multirésolution autorisant la visualisation interactive d'une grande quantité d'information. L'étape de hiérarchisation est basée sur un algorithme de simplification de maillages, par contractions itératives d'arêtes, préservant à la fois la topologie du maillage et celle de toutes les sous-structures imbriquées. Les critères topologiques robustes introduits dans ces travaux, s'appuient sur des notions théoriques en topologie algébrique. L'étape de visualisation utilise la représentation multirésolution pour accélérer l'affichage des résultats. De façon progressive, inversible et locale, l'utilisateur modifie dynamiquement la résolution selon ses besoins et les ressources matérielles dont il dispose.Cette thèse illustre la mise en oeuvre de ces techniques de hiérarchisation et de visualisation dans de nombreux domaines d'applications notamment dans le cadre d'exploitation de résultats issus de simulations en électromagnétismedu CEA/CESTA.

Numerical simulations generate large amounts of data that is far greater than the available resources on a workstation and it is unlikely that future developments of resource technology will be able to keep up with the growing demand. The finite element meshes supporting these simulations are normally composed of several millions of volumetric cells having embedded sub-structures of varying dimensions (surfaces and linear features) such as thin material-boundary layers. Postprocessing this large data in order to reduce the required amount of data needed to represent it allows a user to visualize and manipulate the data interactively on a single workstation. However, existing tools in scientific visualization do not allow or only partially reach the interactive exploration goals for this type of data (i.e., large number of cells, sub-structures, thin layers . . .). The dissertation presents two main steps for interactively rendering large data ; a postprocessing and visualization step. The postprocessing step uses an approach having hierarchical organization of data in order to construct a multiresolution representation allowing subsequent interactive visualization. This step is based on a mesh simplification algorithm that uses iterative edge collapses while preserving both mesh topology and the topology of all embedded sub-structures. The robust topological criteria introduced in this work are derived from theoretical notions in algebraic topology. The visualization step uses the multiresolution representation produced in the first step to speed up rendering time of the data. In a progressive, invertible and local way, the method adapts dynamically to the required resolution, specified by the user, and the hardware resources available. This dissertation illustrates the application of these techniques of hierarchical organization and visualization on data from various fields, particularly on data obtained from electromagnetic simulations by the CEA/CESTA.; Les simulations numériques génèrent une quantité de résultats disproportionnée par rapport aux moyens d'exploitation, sans espoir d'atténuation à terme. Les maillages supportant ces simulations, sont composés de plusieurs dizaines de millions de cellules volumiques avec, plus spécifiquement, des sous-structures imbriquées de différentes dimensions (surfaciques et linéiques) et des couches minces de matériaux. En phase de post-traitement, un utilisateur devrait être capable de visualiser et de manipuler ces données, à temps interactif, sur sa propre machine d'exploitation. Cependant, les outils existants en visualisation scientifique ne permettent pas ou que partiellement d'atteindre les objectifs souhaités avec ce type de données (grand nombre de mailles, sous-structures, couches minces, . . .).Dans cette thèse, une approche par hiérarchisation des données est proposée afin de construire une représentation multirésolution autorisant la visualisation interactive d'une grande quantité d'information. L'étape de hiérarchisation est basée sur un algorithme de simplification de maillages, par contractions itératives d'arêtes, préservant à la fois la topologie du maillage et celle de toutes les sous-structures imbriquées. Les critères topologiques robustes introduits dans ces travaux, s'appuient sur des notions théoriques en topologie algébrique. L'étape de visualisation utilise la représentation multirésolution pour accélérer l'affichage des résultats. De façon progressive, inversible et locale, l'utilisateur modifie dynamiquement la résolution selon ses besoins et les ressources matérielles dont il dispose.Cette thèse illustre la mise en oeuvre de ces techniques de hiérarchisation et de visualisation dans de nombreux domaines d'applications notamment dans le cadre d'exploitation de résultats issus de simulations en électromagnétismedu CEA/CESTA.

Medicine is a discipline where visualization is an essential component of learning. However, the three-dimensional, dynamic structure of the human body poses difficult teaching challenges. There is a need for truly interactive computer tools that will enable students to create and manipulate computer models, not just watch them. We propose different approaches with that goal in mind. We were first interested in interactive physically-based animation of anisotropic elastic materials. One possible application scenario is an anatomy course on heart physiology where students can build interactive samples of cardiac muscular tissue. To achieve this, our model exhibits two key features. The first one is a low computational cost that results in high frame rates; the second one is an intuitive \emph(system image) that ensures easy control by the user. Next, we were interested in interaction in three dimensions using two-dimensional input, either for annotating existing models, or for creating new models; taking advantage of the fact that drawing practice is still considered a fundamental learning method by some anatomy teachers in the French medical school curriculum. Our 3D drawing system has a stroke representation that enables drawing redisplay when the viewpoint changes. Moreover, this representation can be mixed freely with existing polygonal surfaces for annotation purposes. In contrast, our modeling by drawing tool uses information from both stroke geometry and the drawn image, to allow three-dimensional modeling without explicit depth specification., La compréhension et la mémorisation de données visuelles sont une part importante de l'apprentissage des étudiants en médecine. Cependant, la nature tridimensionnelle et dynamique du corps humain pose de nombreux problèmes. Leur solution nécessite de véritables outils informatiques interactifs pour permettre aux étudiants de créer et de manipuler des données complexes. Nous proposons dans ce but plusieurs approches. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'animation par modèles physiques de matériaux élastiques anisotropes. Son utilisation pendant un cours d'anatomie physiologique du myocarde offre la possibilité aux étudiants de construire des échantillons de tissu musculaire cardiaque. Pour atteindre cet objectif, notre modèle présente deux caractéristiques importantes : la première est un faible coût en temps de calcul afin atteindre un affichage interactif ; la seconde est une apparence intuitive qui facilite son contrôle par l'utilisateur. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'interaction en trois dimensions à l'aide d'interfaces bidimensionnelles, en vue de l'annotation de modèles existants, ou de la création de nouveaux modèles. Cette approche tire parti du fait que le dessin est encore considéré comme une importante méthode d'apprentissage par certains professeurs français d'anatomie. Notre système de dessin 3D possède une représentation des traits de l'utilisateur qui permet l'affichage d'un même dessin sous plusieurs points de vue. Cette représentation est d'ailleurs compatible avec celle de surfaces polygonales existantes, qui peuvent ainsi être annotées. De manière complètement différente, notre outil de modélisation par le dessin utilise conjointement les informations provenant de la géométrie des traits et de l'analyse de l'image produite, afin de créer des modèles en trois dimensions sans passer par une spécification explicite de la profondeur.

We show interest in nonrigid motion analysis in medical imaging. After a brief overview of the existing methods, we make use of an elastically-deformable model which evolves in the images under the action of external forces pulling the model towards the object edges. The model is governed by Lagrangian dynamics. It allows nonrigid motion tracking of the object contour : thus the model is a curve when we deal with twodimensional images, and a surface when we study three-dimensional images. In order to analyze and quantify the deformation of the model, we make use of the modal analysis technique. In this technique, a change of basis to the free vibration basis of the system is performed ; in the new modal basis, the governing equations are more simple, and also, a closed-form recovery is provided by discarding the high-frequency components of the motion. Modal analysis allows the spectral representation of deformations, and their comparison and classification for automatic diagnosis purposes. When coupled with Fourier analysis, it yields an efficient spatio-temporal analysis of deformable surfaces (e.g. heart wall motion), thus illustrating the power of the approach for nonrigid motion analysis and compression. Several examples of processing on medical images are presented.; Nous nous intéressons à l'analyse du mouvement des objets déformables dans les séquences d'images médicales. Après un rappel des méthodes existantes, nous adoptons un modèle élastique qui évolue dans les images en se déformant sous l'action de forces tendant à le rapprocher vers les contours de l'objet, et en obéissant aux équations de la dynamique. Ce modèle permet d'effectuer un suivi du mouvement de la frontière de l'objet déformable : il s'agit d'une courbe dans les séquences d'images bidimensionnelles et d'une surface dans les séquences d'images tridimensionnelles. Afin d'analyser et de quantifier le mouvement du modèle, nous utilisons la technique de l'analyse modale, qui consiste à se placer dans la base des modes propres du système. Non seulement les équations s'écrivent plus simplement dans la base modale, mais surtout, on peut effectuer une très bonne approximation en éliminant les composantes de haute fréquence du mouvement. L'analyse modale ouvre la voie à la représentation spectrale des déformations, qui permet leur comparaison et leur classification à des fins de diagnostic automatique. Couplée à l'analyse de Fourier, elle permet un traitement spatio-temporel très efficace du mouvement des surfaces déformables (notamment le mouvement de la paroi ventriculaire), prouvant ainsi l'intérêt de la méthode en analyse et en compression de mouvement. De nombreux exemples de traitement sur des images médicales sont présentés.