UPThèses

L'étude de l'apparence de surfaces par analyse photométrique est un domaine de recherche actif, avec de nombreuses applications par exemple pour étudier de la qualité de surfaces, la rugosité des objets, leur apparence, etc. Le sujet de cette thèse concerne plus particulièrement l'étude de surfaces opaques, par l'acquisition de la géométrie et de la réflectance. Cela nous a conduit à une analyse des modèles mathématique de réflectance, permettant de représenter les matériaux. Afin d'offrir une description physiquement plausible des matériaux opaques, notre première contribution principale concerne la mise en oeuvre d'un modèle à base de microfacettes Lambertiennes interfacées. Il généralise différents modèles de la littérature incluant des surfaces planes diffuses ou spéculaires et rugueuses diffuses ou spéculaires grâce à trois paramètres physiques : couleur, rugosité et indice de réfraction. Il permet de prendre en compte la transmission des flux lumineux pénétrant sous la surface ainsi que les réflexions multiples entre microfacettes et de restituer les effets de rétrodiffusion lumineuse et d’anisotropie. Notre seconde contribution principale concerne la réalisation d'un système complet d'acquisition de la géométrie et de la réflectance d'objets à partir d'images HDR. Notre méthodologie correspond à une chaîne de reconstruction complète et automatique, uniquement à partir d'images, permettant d'obtenir un niveau de précision intéressant et un faible coût de mise en place et de temps de traitement comparé aux méthodes existantes. Notre méthode permet d'extraire des échantillons de réflectance suffisamment nombreux pour identifier les paramètres de modèles de réflectance avec les données acquises.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la reconnaissance des primitives discrètes multi-échelles. Nous considérons qu'une primitive discrète multi-échelles est une superposition de primitives discrètes de différentes échelles ; et nous proposons des approches qui permettent de déterminer les caractéristiques d'une primitive discrète ou d'une partie d'une primitive discrète. Nous proposons une nouvelle approche de reconnaissance de sous-segment discret qui se base sur des propriétés portant sur l'ordre des restes arithmétiques de la droite discrète. Nous établissons des liens entre les points d'appuis du sous-segment discret et les points ayant des restes arithmétiques minimaux et maximaux sur la droite discrète. D'après les résultats de nos comparaisons, cette approche se relève être plus efficace que des approches existantes. Nous nous intéressons ensuite à des approches de reconnaissance d'arcs et de cercles discrets par le centre généralisé. Nous étudions le dual de la médiatrice généralisée et proposons de calculer le centre généralisé par des calculs de visibilité dans l'espace dual afin de réduire son temps de calcul. Cette approche est valide aussi bien dans une grille régulière que dans une grille irrégulière isothétique. Finalement, nous nous intéressons à des approches de reconnaissance de droite discrète par la préimage généralisée. Nous utilisons la notion de frontière afin de diminuer le nombre d'éléments rentrant dans le calcul de la préimage généralisée ; ce qui simplifie le calcul et réduit le temps de calcul. Cette approche s'applique aussi dans une grille régulière comme dans une grille irrégulière isothétique.

Dans les réseaux sans fil ad hoc, les liens de communication sont sujets à un taux d'erreur important. Dans ce contexte, le routage joue un rôle stratégique pour augmenter les performances dans les transmissions. Dans nos études, par une approche cross-layer, nous prenons en compte la fiabilité des liens dans le choix des routes. Pour cela, dans un premier temps, nous construisons deux nouvelles métriques, l'une basée sur le taux d'erreur binaire (au niveau couche physique) et l'autre, plus adaptée à la mesure, sur le nombre de retransmissions (au niveau couche MAC). Ensuite, pour exploiter ces métriques lors du calcul de routes, nous adaptons les algorithmes à la base des protocoles de routage. Les trois familles de protocoles de routage ont été traitées : les protocoles pro-actifs où chaque noeud a une vision globale du réseau grâce aux échanges périodiques de messages de contrôle de topologie ; les protocoles réactifs où, avant de commencer ses transmissions de données, chaque noeud doit initier un processus de recherche de route ; les protocoles hybrides qui mixent les deux approches. Pour tester l'effectivité de nos améliorations, nous utilisons le simulateur NS2 enrichi par un modèle de propagation et un modèle de mobilité réalistes. Les paramètres de performance tels que le délai, le taux de livraison de paquets et la charge de routage sont mesurés dans plusieurs scénarios représentatifs des conditions d'utilisation. Les résultats obtenus montrent une amélioration significative des protocoles standards dans un contexte de qualité de service.

La simulation des réflexions lumineuses multiples à l'intérieur d'un environnement nécessite de résoudre une intégrale de premier ordre, récursive infinie, pour laquelle il n'existe pas de solution analytique dans le cas général. Certaines méthodes permettent de donner une solution théorique exacte, mais avec des temps de calcul trop important pour espérer produire plusieurs images par seconde dans un avenir proche. De nombreuses méthodes permettent de réaliser ces calculs de manière plus rapide, mais elles reposent sur des approximations dont les effets sont souvent visibles sur les images produites. Notre objectif est de proposer des solutions permettant de réduire les erreurs de calculs en exploitant deux approches complémentaires : (i) une homogénéisation des termes de l'équation de manière à la résoudre seulement à l'aide de quelques opérateurs simples ; (ii) la prise en compte précise des informations de visibilité pour réduire le biais des méthodes reposant sur une estimation de densité. A terme, notre objectif est de diminuer le coût des requêtes de visibilité de nos deux contributions. Pour cela nous envisageons notamment d'introduire des calculs hiérarchiques de visibilité de façon à amortir le coût global des requêtes.

Une image numérique peut être définie comme un ensemble de n-xels sur une grille constituée de n-cubes. La segmentation consiste à calculer une partition d'une image en régions. Les n-xels ayant des caractéristiques similaires (couleur, intensité, etc.) sont regroupés. Schématiquement, à chaque n-xel est attribuée une étiquette, et chaque région de l'image est constituée de n-xels de même étiquette. Les méthodes "de type" Marching cubes et Kenmochi et al. construisent des complexes représentant la topologie de la région d'intérêt d'une image numérique binaire de dimension 3. Dans la première méthode, l'algorithme construit un complexe simplicial, dont 0-cellules sont des points des arêtes de la grille duale. Dans la deuxième méthode, les auteurs construisent un complexe cellulaire sur une grille duale, c.a.d les 0-cellules du complexe sont des sommets de la grille duale. Afin de construire le complexe, Kenmochi et al. calculent (à rotations près) les différentes configurations de sommets blancs et noirs d'un cube, puis, ils construisent les enveloppes convexes des points noirs de ces configurations. Ces enveloppes convexes définissent les cellules du complexe, à rotations près. Le travail développé dans cette thèse étend la méthode de Kenmochi et al. en dimension 4. L'objectif est de construire un complexe cellulaire à partir d'une image numérique binaire définie sur une grille duale. Nous calculons d'abord les différentes configurations de sommets blancs et noirs d'un 4-cube (à isométries près), puis, nous construisons des enveloppes convexes définies par ces configurations. Ces enveloppes convexes sont construites par déformation du 4-cube d'origine, et nous distinguon

De nombreux domaines comme le jeu vidéo, l’architecture, l’ingénierie ou l’archéologie font désormais appel à la modélisation géométrique. Les objets à représenter sont de natures diverses, et leurs opérations de manipulation sont spécifiques. Ainsi, les modeleurs sont nombreux car tous spécialisés à leur domaine d’application. Or ils sont à la fois chers à développer, souvent peu robustes, et difficilement extensibles. Nous avons proposé dans la thèse l’approche alternative suivante : – fournir un langage dédié à la modélisation qui permet de définir les opérations quelque soit le domaine d’application ; dans ce langage, les objets sont représentés avec le modèle topologique des cartes généralisées, dont nous avons étendu la définition aux plongements ; les opérations sont elles définies par des règles de transformation de graphes, issues de la théorie des catégorie ; – garantir les opérations définies dans le langage à l’aide de conditions de cohérence ; une opération dont la définition vérifie ces conditions ne produit pas d’anomalie ; – développer un noyau de modeleur générique qui interprète ce langage ; les opérations définies sont directement appliquées dans le modeleur, sans implantation dans un langage de programmation ; l’outil assure également la vérification automatique des conditions du langage pour prévenir un utilisateur lorsqu’il propose une opération incohérente. Le langage et le modeleur développés se sont révélés performants à la fois en termes de temps de développement et en termes de temps machine. L’implantation d’une nouvelle opération par une règle ne prend que quelques minutes à l’aide des conditions du langage, au contraire de l’approche classi

Cette thèse se place dans le cadre de l'imagerie informatique et plus particulièrement celui de la géométrie discrète. Nous nous intéressons à la reconstruction, c'est-à-dire, l'opération qui transforme un objet discret en objet euclidien. Les méthodes de reconstruction que nous utilisons se déroulent en deux étapes ; la première consiste à reconnaître des primitives discrères (droites, cercles, etc) et la seconde à les transformer en primitives euclidiennes. La présence de bruit dans les objets manipulés perturbe considérablement la reconnaissance de primitives, nous avons proposé un moyen simple et efficace de lui accorder une marge d'erreur : le redimensionnement adaptatif. Le redimensionnement est dit adaptatif car chaque pixel est redimensionné indépendamment des autres selon des critères locaux. Pour la reconnaissance de droites, nous avons utilisé la méthode de J. Vittone basée sur les espaces de paramètres. En la combinant avec le redimensionnement adaptatif, nous avons défini des opérations telles que le lissage de courbes et le débruitage. Nous avons amélioré ces opérations grâce à deux méthodes permettant d'éviter dans la plupart des cas une modification de la topologie de l'objet. Pour la reconnaissance de cercles discrets, nous avons généralisé les notions de médiatrices et de centre des cercles circonscrits aux espaces discrets. Cette méthode de reconstruction de cercles se combine très bien avec le redimensionnement adaptatif.

Cette thèse est basée sur deux axes principaux : la décomposition des rotations nD et le processus d'arithmétisation des cercles. D'une part, estimer les paramètres des rotations est utile dans de nombreux domaines d'applications. Les méthodes existantes ne peuvent pas être étendues à la dimension n et/ou ne sont pas robustes au bruit. Dans cette thèse, nous étudions les rotations nD bruitées et nous proposons des algorithmes permettant de les décomposer et d'estimer leurs paramètres. Les deux premières méthodes utilisent respectivement l'algèbre géométrique et la décomposition de Schur des matrices. Elles estiment les paramètres (plans et angles) des rotations à partir de n vecteurs et leurs images par cette rotation. Notre troisième algorithme décompose les rotations en rotations planes de même angle (rotations isoclines). D'autre part, le processus d'arithmétisation par des schémas numériques est souvent utilisé en géométrie discrète car il permet de donner un équivalent discret à une courbe continue. Nous étudions l'application de ce processus à l'équation différentielle du cercle dans le cas du schéma de Heun. Nous présentons notamment des résultats sur la connexité des arcs de cercles générés par cette méthode. Des résultats sur l'ordre de l'erreur de la méthode sont finalement proposés.

Différents modes d'acquisition permettent d'obtenir des images de plusieurs gigaoctets. L'analyse de ces grandes images doit faire face à deux problèmes majeurs. Premièrement, le volume de données à traiter ne permet pas une analyse globale de l'image, d'où la difficulté d'en construire une partition. Deuxièmement, une approche multi-résolution est nécessaire pour distinguer les structures globales à faible résolution. Par exemple, dans le cadre des images d'histologie, les récentes améliorations des scanners permettent d'observer les structures cellulaires sur l'ensemble de la lame. En contrepartie, les images produites représentent jusqu'à 18 Go de données. De plus, l'agencement de ces cellules en tissus correspond à une information globale qui ne peut être observée qu'à faible résolution. Ces images combinent donc un aspect multi-échelle et multi-résolution. Dans ce manuscrit, nous définissons un modèle topologique et hiérarchique adapté à la segmentation de grandes images. Nos travaux sont fondés sur les modèles existants de carte topologique et de pyramide combinatoire. Nous présentons le modèle de carte tuilée pour la représentation de grandes partitions ainsi qu'une extension hiérarchique, la pyramide descendante tuilée, qui représente la dualité des informations multi-échelle et multi-résolution. Enfin, nous utilisons notre modèle pour la segmentation de grandes images en histologie.

Au début des années 60, les systèmes de modélisation géométrique sont apparus. D'abord cantonnés à de simples outils d'esquisse, ils ont su, au fil des années, se doter de modèles géométriques plus élaborés (tant sur l'aspect plongement avec les courbes et surfaces paramétriques ou les surfaces implicites que sur l'aspect topologie avec des modèles à base combinatoire) et des informations additionnelles permettant la gestion de divers aspects du processus de modélisation industrielle. Les modèles géométriques permettent de décrire des formes géométriques en s'appuyant sur des structures topologiques très variées. Cependant, les opérations de modèlisation menant à ces descriptions ne prennent pas en compte les intentions de l'utilisateur du fait qu'elles n'utilisent ni son langage, ni ses gestes et moins encore son expérience métier. C'est pourquoi on a associé aux modèles géométriques initiaux des informations supplémentaires connues sous le terme de caractéristiques (features) et en particulier les caractéristiques de formes (rainure, bossage, arrondi, etc.). Si la description par caractéristiques (géométrie, paramètres des opérations de modèlisation de haut niveau, contraintes) est enregistrée pour être exploitée dans la perspective d'être réutilisée (réévaluée en faisant varier les paramètres), on parle alors de modèlisation paramétrique basée historique (ou history-based en terminologie anglo-saxonne). Aussi, un modèle paramétrique, de par sa structure duale, pose le problème de la nomination persistante qui dérive de la nécessité de maintenir un lien entre la géométrie et sa représentation implicite en termes de script de modèlisation. Dans ce contexte, plusieurs solutions ont été proposées. Chacune d'entre elles s'efforce de caractériser (de façon unique et non ambigüe) puis apparier (c'est-à-dire mettre en correspondance) les entités des modèles initial et réévalué. Dans un environnement 3D extrêmement variant, les approches actuelles s'appuient sur des éléments invariants -les faces- pour mettre en oeuvre différents procédés de caractérisation. En les étudiant de plus près, on constate d'une part que ces procédés ne proposent pas de caractérisation homogène pour les entités ou les agrégats d'entités de dimension supèrieure ou égale à 3. Cela limite la généralisation en toute dimension des mécanismes de nomination (caractérisation et appariement). D'autre part, ces méthodes pêchent de façon plus ou moins importante lorsqu'il s'agit de manipuler des objets dans un contexte non-planaire. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à la nomination persistante et homogène des entités de toute dimension (sommets, arêtes, agrégats d'arêtes, faces, agrégats de faces (" coques "), volumes, agrégats de volumes, etc.) et celles résultant de l'interaction d'objets non-planaires. Pour ce faire, nous proposons une plate-forme hiérarchique mettant en scène, par des relations d'agrégations, des entités de n'importe quelle dimension. Notre idée est alors de commencer par nommer, c'est-à-dire caractériser et apparier, les entités de la plus petite dimension exploitable : les arêtes. La gestion des noms au niveau des arêtes s'effectue principalement via un graphe traçant l'évolution de ces entités au cours du processus de modèlisation paramétrique. Ensuite, nous faisons en sorte d'exploiter l'appariement calculé entre ces arêtes, en parcourant la structure hiérarchique et agrègative, afin d'en déduire celui entre les entités de dimension supèrieure. Notre solution est implantée sur un noyau géométrique basé sur le modèle des cartes généralisées.