Дисертації з теми "Simulation procédurale"

Dans cette thèse, nous abordons le problème de la génération automatique de contenu graphique avec un haut niveau de détails pour la génération de mondes. Dans cette quête du réalisme, les principaux verrous scientifiques et techniques sont : la gestion des masses de données géométriques nécessaires à la création de variétés d'objets naturels, la prise en compte des interactions en les différents objets et le contrôle utilisateur.Notre approche s'appuie sur un modèle volumique original et unificateur permettant de représenter les différents matériaux d'un terrain. Nous proposons un ensemble d'algorithmes de haut niveau, combinant des étapes de simulation pour assurer la plausibilité physique et le réalisme visuel à des techniques de génération procédurale permettant de gérer efficacement la complexité. Nos algorithmes permettent ainsi de sculpter des terrains complexes avec des grottes ou des surplombs et de générer des routes avec des tunnels et des ponts permettant le franchissement d'obstacles naturels.

La simulation procédurale est en pleine expansion en chirurgie orthopédique et traumatologique (COT) mais en France, son utilisation pour les étudiants de 3ème cycle n'a pas encore été répertoriée. L'amélioration de la formation des gestes techniques enseignés en simulation aux étudiants du 2ème cycle implique le développement de nouvelles méthodes d'enseignement et de simulateur procéduraux.Une enquête nationale sur le déploiement de la simulation procédurale a été réalisée auprès des enseignants universitaires et des étudiants de 3ème cycle en COT. Cet état des lieux a montré que le déploiement n'était pas encore à son maximum. Les principales raisons évoquées étaient un manque de financement et de temps. L'intérêt de la simulation était malgré tout reconnu par les enseignants et les étudiants. L'uniformisation et les collaborations à l'échelle régional et nationale pourrait améliorer cette situation.L'enseignement traditionnel d'une procédure implique une démonstration ininterrompue de l'ensemble de la procédure à l'apprenant qui doit ensuite être capable de la réaliser. La décomposition de la procédure en plusieurs étapes clés montrées séquentiellement à l'apprenant selon une méthode dite par « micro-tâches », pourrait améliorer l'apprentissage du geste technique. Parmi une population d'étudiants en médecine du 2ème cycle formés à la manchette plâtrée en simulation, immédiatement après la formation, la performance évaluée par des grilles d'évaluation était meilleure chez ceux formés par la technique par « micro-tâche » par comparaison à la méthode traditionnelle. Six mois après la formation, le niveau de performance était diminué et identique entre les deux groupes. L'unique facteur indépendant lié à une bonne performance était le fait d'avoir effectué un stage de COT. Pour être efficace, le processus de formation en simulation implique donc un enseignement qui doit être répété et poursuivi en pratique clinique.Le développement d'un simulateur physique procédural pourrait améliorer la formation à la pose et à l'ablation de la manchette plâtrée. Un membre supérieur en taille réelle a été modélisé et construit par impression en trois dimensions (3D). Afin d'enregistrer de manière objective les comportements de l'opérateur, différents capteurs ont été incorporés au simulateur (pression, mobilité articulaire et « fracturaire », température, vibrations de la lame de scie, contact scie-peau). Le simulateur a été utilisé par deux groupes de participants au niveau d'expertise différent (novices et experts). Bien que le réalisme ait été jugé satisfaisant dans les deux groupes, son aspect est encore relativement éloigné d'un humain, notamment au niveau des parties molles. Le simulateur a permis d'enregistrer les comportements des opérateurs en lien avec leur gestuelle et semble pouvoir différencier deux niveaux d'expertises. L'intérêt pédagogique du simulateur sera évalué dans un autre travail
Procedural simulation is expending in orthopaedic and trauma surgery (OT) but in France its implementation amongst residents has not yet been reported. To enhance procedural training for medical students implies development of new teaching methods and simulators.A national survey was conducted amongst academic teachers and residents in OT. Results showed maximal potential was not reached. Main reasons were lack of funding and time. Both teachers and residents acknowledged the advantages of simulation.The traditional method to teach a procedure implies a continuous and uninterrupted demonstration of the entire procedure to the learner who is then expected to replicate it. To deconstruct the procedure into several key steps showed sequentially (micro-task method) could enhance learning of technical skills. Amongst a population of medical students undergoing simulation training on below elbow cast, immediately after the training session students trained by micro-task method demonstrated higher performance than by traditional method according various grading scales. Six months after the training, performance was decreased and equal in both groups. The only independent factor linked to better performance was a rotation in OT. To be effective, simulation training requires repeated practice and bedside teaching.The development of a procedural simulator for below elbow cast application and removal could enhance this training. A real size upper limb was modelized and constructed through three-dimensional printing. To objectively monitor the operator's gesture, different captors (pression, fracture and wrist mobility, temperature, cast saw vibrations, cast saw skin touch) were integrated to the simulator. Participants with different levels of expertise (novices and experts) tested the simulator. Although realism was deemed satisfactory in both groups, it did not mimic human's aspect perfectly, notably the soft tissues. The simulator appropriately recorded the participants' gesture and seemed to differentiate different levels of expertise. Its pedagogical interest remains to be evaluated

La génération de mondes virtuels est un domaine de recherche très actif en informatique graphique : la modélisation de plantes, d’arbres, de bâtiments, de villes ou de terrains, et les simulations de vieillissement sont des domaines très explorés. Dans ce contexte, les changements d’apparences constituent également un domaine de recherche important, de part leur impact majeur dans le réalisme des scènes virtuelles produites. Ces travaux se concentrent sur la mise au point d’approches procédurales permettant de représenter les changements d’apparence sous la forme de décorations géométriques (accumulation de neige ou formation de glace, dépôt de feuilles mortes, etc.) à la fois à grande échelle et avec un très haut niveau de détail. Nous proposons d’abord un modèle d’organisation hiérarchique de scènes qui repose sur un arbre de construction dont les feuilles sont des objets environnementaux, des objets qui génèrent eux mêmes leurs décorations géométriques. Nous présentons ensuite un formalisme implicite pour définir l’environnement, qui contient l’ensemble des informations guidant la génération des décorations. Finalement, nous détaillons quatre méthodes de génération procédurale pour la création des décorations géométriques (neige, glace, herbes, feuilles) des objets environnementaux
Procedural modeling of virtual worlds is an active research field in computer science. A large amount of methods have been published in this field : modeling of plants, trees, buildings, cities or terrains, and aging and weathering simulations. In this context, changes of appearance are a very active research field too, due to the way they impact the realism of produced virtual scenes. This research focuses on a procedural method that can represent the changes of appearance as geometrical decorations (snowfall, ice growth, leaves deposits, etc.) on very big scenes with a high level of details. We first propose a hierarchical scene design based on a construction tree whose leaves are environmental objects, a new kind of objects that generate their own geometrical decorations. We then present an implicit formalism to define the environment that contains all the information needed to guide decorations generation. Finally, we detail four procedural methods for generating the geometrical decorations (snow, ice, grass, leaves) of the environmental objects

Avec le développement constant des technologies, les capacités de calcul et de fabrication augmentent, les méthodes de production évoluent et de nouvelles techniques apparaissent. Par conséquent, le besoin de nouveaux matériaux aux propriétés adaptées et optimisées pour différentes applications se fait sentir. Les composites périodiques avec une topologie de microstructure adaptée, appelés métamatériaux cellulaires, sont largement étudiés dans ce contexte. Ces structures sont connues pour leurs propriétés mécaniques remarquables, notamment une résistance élevée, un poids réduit et une absorption d'énergie accrue. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des propriétés physiques améliorées ou des caractéristiques fonctionnelles spécifiques et apporte un gain économique et un bénéfice écologique. Cette thèse est consacrée au développement et à l'analyse de méthodes de conception assistée par ordinateur de matériaux aux propriétés mécaniques adaptées. Les métamatériaux mécaniques ont été étudiés à travers deux approches différentes : la modélisation de structures périodiques par un modèle de croissance paramétré et des fonctions de bruit procédurales. Pour relever le défi d'obtenir des microstructures quasi régulières avec des propriétés variant progressivement, j'ai proposé et étudié un matériau cellulaire engendré par un processus de croissance. La croissance est paramétrée par un ensemble d'étoiles 3D à chaque point du réseau, définissant la géométrie qui apparaîtra autour. Des tuiles individuelles peuvent être calculées et utilisées dans un treillis périodique, ou une structure globale peut être produite par gradation spatiale, en changeant l'ensemble paramétrique en forme d'étoile à chaque emplacement du treillis. Au-delà de la gradation spatiale libre, un avantage important de cette approche est que les symétries élastiques peuvent être intrinsèquement renforcées. Nous montrons dans ce travail comment les symétries partagées entre le réseau et l'ensemble étoilé se traduisent directement en symétries de la réponse élastique des structures périodiques. Ainsi, l'approche permet de restreindre la symétrie des réponses élastiques - monoclinique, orthorhombique, trigonale, etc. - tout en explorant librement un large espace de géométries et de topologies possibles. Je fournis une étude complète de l'espace de symétries et de larges combinaisons de paramètres de processus de croissance. De plus, je démontre par des résultats numériques et expérimentaux les réponses attendues déclenchées par les structures obtenues. La deuxième contribution de cette thèse est une nouvelle technique de synthèse procédurale de motifs. Cette approche présente des propriétés souhaitables pour la modélisation de motifs très contrastés, qui sont bien adaptés pour produire des détails de surface et de microstructure. Cette approche définit un champ de phase lisse stochastique - un bruit de phase - qui est ensuite introduit dans une fonction périodique (par exemple une onde sinusoïdale), produisant un champ oscillant avec des fréquences principales prescrites et des oscillations de contraste préservées. Je présente dans cette thèse un modèle mathématique qui repose sur une reformulation du bruit de Gabor en termes de champ phasor qui permet une séparation claire entre l'intensité locale et la phase. En particulier, j'étudie le comportement du bruit phasor en termes de spectre de puissance. Ainsi, une étude théorique comparative du bruit en phase est réalisée afin de comprendre les liens entre ses propriétés et ses paramètres
With constant development of technologies, computational and manufacturing capabilities increase, production methods evolve, and new techniques appear. As a result, the need for new materials with tailored, optimized properties for different applications arises. Periodic composites with tailored microstructure topology, called cellular metamaterials are extensively studied in this context. These structures are known for their remarkable mechanical properties, including high strength, lower weight, and increased energy absorption. The use of these materials allows to achieve improved physical properties or specific functional features and provides economical gain and ecological benefit.This thesis is dedicated to the development and analysis of methods for computer-aided design of materials with tailored mechanical properties. The mechanical metamaterials were studied through two different approaches: modelling periodic structures through a parameterized growth model and procedural noise functions. To tackle the challenge of obtaining near-regular microstructures with progressively varying properties, I proposed and studied a cellular material spawned by a growth process. The growth is parameterized by a 3D star-shaped set at each lattice point, defining the geometry that will appear around it. Individual tiles may be computed and used in a periodic lattice, or a global structure may be produced under spatial gradations, changing the parametric star-shaped set at each lattice location. Beyond free spatial gradation, an important advantage of this approach is that elastic symmetries can be intrinsically enforced. It is shown in this work how shared symmetries between the lattice and the star-shaped set directly translate into symmetries of the periodic structures' elastic response. Thus, the approach enables restricting the symmetry of the elastic responses -- monoclinic, orthorhombic, trigonal, and so on -- while freely exploring a wide space of possible geometries and topologies. I provide a comprehensive study of the space of symmetries and broad combinations of growth process parameters. Furthermore, I demonstrate through numerical and experimental results the expected responses triggered by the obtained structures.The second contribution of this thesis is a novel procedural pattern synthesis technique. This approach exhibits desirable properties for modeling highly contrasted patterns, that are well suited to produce surface and microstructure details. This approach defines a stochastic smooth phase field –- a phasor noise –- that is then fed into a periodic function (e.g. a sine wave), producing an oscillating field with prescribed main frequencies and preserved contrast oscillations. I present in this thesis a mathematical model, that builds upon a reformulation of Gabor noise in terms of a phasor field that affords for a clear separation between local intensity and phase. In particular, I study the behavior of phasor noise in terms of its power spectrum. Hence, a comparative theoretical study of phasor noise was performed in order to gain understanding of links between its properties and parameters

Avec la construction et le développement de la ville intelligente, la façon de construire le modèle 3D réaliste des grands bâtiments de la ville rapidement et efficacement devient le hotspot de recherche. Dans cette thèse, une méthode procédurale de modélisation intelligente est proposée pour construire rapidement et efficacement un modèle de construction de ville 3D à grande échelle basé sur la modélisation de la forme de la façade et de la grammaire de forme. La technologie de l'information du bâtiment (BIM) est un moyen technique important pour améliorer l'industrie de la construction, pour la conception du bâtiment de la ville et la construction de la meilleure recherche et l'application de la technologie BIM est la clé, de gérer efficacement les informations du cycle de vie du bâtiment et de réaliser le partage et l'échange. Cette thèse a étudié l'acquisition et le traitement des données de modélisation. Google Earth et le logiciel ArcGIS sont principalement utilisés pour acquérir et traiter des données d'images-cartes et des données de cartes d'élévation de la zone cible, ces deux types de correspondance et de superposition de données, qui peuvent générer des données de terrain urbain 3D avec des informations de localisation géographique. Ensuite OpenStreetMap est utilisé pour acquérir les données routières de la zone cible, et il peut être optimisé pour le réseau routier nécessaire par le logiciel JOSM. La technologie de balayage laser 3D est utilisée pour collecter des images de texture de surface de bâtiment et pour créer le modèle de nuages de points de la modélisation d'architecture cible afin d'obtenir les dimensions de modélisation par mesure. Sur cette base, cette thèse a principalement étudié le principe et le processus de la règle CGA pour créer des modèles de construction, et étudié la méthode qui peut séparer les éléments architecturaux en utilisant la segmentation d'image pour générer automatiquement la règle CGA et de créer ensuite le modèle de construction. Ainsi, des modèles de construction 3D ont été établis dans le logiciel CityEngine en utilisant les règles CGA et la technologie de segmentation des façades. Cette thèse a construit le modèle d'information intégré au bâtiment urbain (CBIIM) basé sur BIM. L'information sur la construction de la ville est classée et intégrée, et le bâtiment et la composante ont été décrits avec la norme IFC, afin de gérer efficacement les informations du cycle de vie du bâtiment. Cette thèse étudie la technologie du modèle d'association d'information intégrée, qui permet de réaliser une conception standardisée des composants avec des caractéristiques associées et une conception intelligente des bâtiments avec des paramètres associés dans les règles de connaissances combinées avec l'IFC. La technologie de simulation de la construction de visualisation est étudiée. Les règles de connaissance dans le modèle d'information intégré fournissent une référence fiable pour la simulation de construction, et la scène de simulation est créée en invoquant le modèle d'information intégré, ainsi le processus de simulation est terminé. En prenant le campus Baoshan de l'Université de Shanghai comme exemple, le processus de modélisation de la scène entière est illustré, et les étapes de modélisation de toutes sortes d'objets 3D sont décrites en détail pour résoudre les problèmes spécifiques dans le processus de modélisation réelle. Ainsi, la faisabilité et la validité de la méthode de modélisation intelligente procédurale sont vérifiées. Prenant comme exemple le dortoir de l'Université de Shanghai, une simulation et le modèle de simulation ont été créés par les informations intégrées, combinées aux informations de construction pertinentes, la simulation de construction a été complétée par le programme. Ainsi, la faisabilité et la validité du CBIIM sont vérifiées
With the construction and development of the smart city, how to construct the realistic 3D model of the large-scale city buildings quickly and efficiently which becomes the research hotspot. In this thesis, a novel 3D modeling approach is proposed to quickly and efficiently build 3D model of large-scale city buildings based on shape grammar and facade rule modeling. Building Information Model (BIM) is an important technical means to enhance the construction industry, for the city building design and construction, how to better research and application of BIM technology which is the key, in this thesis City Building Integrated Information Model (CBIIM) is specified to manage the information of building lifecycle effectively and realize the information sharing and exchanging. This thesis has studied the acquisition and processing of the modeling data. Google Earth and ArcGIS software are mainly used to acquire and process image-maps data and elevation-maps data of the target area, these two kinds of data match and overlay, which can generate 3D city terrain data with geographic location information. Then OpenStreetMap is used to acquire road data of the target area, and it can be optimal processed to the necessary road network by JOSM software. 3D laser scanning technology is used to collect building surface texture images and create the point clouds model of the target architecture modeling so as to get the modeling dimensions by measurement. On this basis, this thesis mainly has studied the principle and the process of CGA rule to create building models, and studied the method that can separate architectural elements using image segmentation to generate CGA rule automatically and to create building model furtherly. Thus 3D building models have been established in the CityEngine software using CGA rules and facade modeling technology. This thesis has specified the City Building Integrated Information Model (CBIIM) based on BIM. The city building information are classified and integrated, and the building and component was described with the IFC standard, in order to manage the informations of building lifecycle effectively. This thesis studies the integrated information association model technology, that it can realize standardized component design with associated features and intelligent building design with associated parameters in knowledge rules combined with IFC. The construction simulation technology is studied. The knowledge rules in the integrated information model provide a reliable reference for the construction simulation, and the simulation scene is created through the invoking the integrated information model, thus the construction simulation process is completed by the program. Taking Baoshan Campus of Shanghai University as an example, the modeling process of the whole scene is illustrated, and the modeling steps of all kinds of 3D objects are described in detail to solve the specific problems in the actual modeling process. Thus the feasibility and validity of the procedural intelligent modeling approach are verified. Taking the dormitory of Shanghai University as an example, a simulation scene and the simulation model were created by the integrated informations, combined with the relevant construction information the construction simulation was completed by the program. Thus the feasibility and validity of the CBIIM are verified

La population mondiale augmente rapidement, et avec elle, le nombre de citadins, ce qui rend d'autant plus importantes la planification et la gestion des villes.La gestion "intelligente" de ces villes et les nombreuses applications (gestion, tourisme virtuel, simulation de trafic, etc.) nécessitent plus de données réunies dans des modèles virtuels de villes.En milieu urbain, les rues et routes sont essentielles par leur rôle d'interface entre les espaces publics et privés, et entre ces différents usages.Il est difficile de modéliser les rues (ou de les reconstruire virtuellement) car celles-ci sont très diverses (de par leur forme, fonction, morphologie), et contiennent des objets très divers (mobilier, marquages, panneaux).Ce travail de thèse propose une méthode (semi-) automatique pour reconstruire des rues en utilisant le paradigme de la modélisation procédurale inverse dont le principe est de générer un modèle procéduralement, puis de l'adapter à des observations de la réalité.Notre méthode génère un premier modèle approximatif - à partir de très peu d'informations (un réseau d'axes routiers + attributs associés) - assez largement disponible.Ce modèle est ensuite adapté à des observations de façon interactive (interaction en base compatible avec les logiciels SIG communs) et (semi-) automatique (optimisation).L'adaptation (semi-) automatique déforme le modèle de route de façon à ce qu'il corresponde à des observations (bords de trottoir, objets urbains) extraites d'images et de nuages de points.La génération (StreetGen) et l'édition interactive se font dans un serveur de base de données ; de même que la gestion des milliards de points Lidar (Point Cloud Server).La génération de toutes les rues de la ville de Paris prends quelques minutes, l'édition multi-utilisateurs est interactive (<0.3 s). Les premiers résultats de l'adaptation (semi-) automatique (qq minute) sont prometteurs (la distance moyenne à la vérité terrain passe de 2.0 m à 0.5 m).Cette méthode, combinée avec d'autres telles que la reconstruction de bâtiment, de végétation, etc., pourrait permettre rapidement et semi automatiquement la création de modèles précis et à jour de ville
World urban population is growing fast, and so are cities, inducing an urgent need for city planning and management.Increasing amounts of data are required as cities are becoming larger, "Smarter", and as more related applications necessitate those data (planning, virtual tourism, traffic simulation, etc.).Data related to cities then become larger and are integrated into more complex city model.Roads and streets are an essential part of the city, being the interface between public and private space, and between urban usages.Modelling streets (or street reconstruction) is difficult because streets can be very different from each other (in layout, functions, morphology) and contain widely varying urban features (furniture, markings, traffic signs), at different scales.In this thesis, we propose an automatic and semi-automatic framework to model and reconstruct streets using the inverse procedural modelling paradigm.The main guiding principle is to generate a procedural generic model and then to adapt it to reality using observations.In our framework, a "best guess" road model is first generated from very little information (road axis network and associated attributes), that is available in most of national databases.This road model is then fitted to observations by combining in-base interactive user edition (using common GIS software as graphical interface) with semi-automated optimisation.The optimisation approach adapts the road model so it fits observations of urban features extracted from diverse sensing data.Both street generation (StreetGen) and interactions happen in a database server, as well as the management of large amount of street Lidar data (sensing data) as the observations using a Point Cloud Server.We test our methods on the entire Paris city, whose streets are generated in a few minutes, can be edited interactively (<0.3 s) by several concurrent users.Automatic fitting (few m) shows promising results (average distance to ground truth reduced from 2.0 m to 0.5m).In the future, this method could be mixed with others dedicated to reconstruction of buildings, vegetation, etc., so an affordable, precise, and up to date City model can be obtained quickly and semi-automatically.This will also allow to such models to be used in other application areas.Indeed, the possibility to have common, more generic, city models is an important challenge given the cost an complexity of their construction

Les créatures à n-pattes, comme les quadrupèdes, les arachnides ou les reptiles, sont une partie essentielle de n’importe quelle simulation et ils participent à rendre les mondes virtuels plus crédibles et réalistes. Ces créatures à n-pattes doivent être capables de se déplacer librement vers les points d’intérêt de façon réaliste, afin d’offrir une meilleure expérience immersive aux utilisateurs. Ces animations de locomotion sont complexes en raison d’une grande variété de morphologies et de modes de déplacement. Il convient d’ajouter à cette problématique la complexité des environnements où ils naviguent. Un autre défi lors de la modélisation de tels mouvements vient de la difficulté à obtenir des données sources. Dans cette thèse nous présentons un système capable de générer de manière procédurale des animations de locomotion pour des dizaines de créatures à n-pattes, en temps réel, sans aucune donnée de mouvement préexistante. Notre système est générique et contrôlable. Il est capable d’animer des morphologies différentes, tout en adaptant les animations générées à un environnement dynamique complexe, en temps réel, ce qui donne une grande liberté de déplacement aux créatures à n-pattes simulées. De plus, notre système permet à l’utilisateur de contrôler totalement l’animation produite et donc le style de locomotion
Multi-legged characters like quadrupeds, arachnids, reptiles, etc. are an essential part of any simulation and they greatly participate in making virtual worlds more life-like. These multi-legged characters should be capable of moving freely and in a believable way in order to convey a better immersive experience for the users. But these locomotion animations are quite rich due to the complexity of the navigated environments and the variety of the animated morphologies, gaits, body sizes and proportions, etc. Another challenge when modeling such animations arises from the lack of motion data inherent to either the difficulty to obtain them or the impossibility to capture them.This thesis addresses these challenges by presenting a system capable of procedurally generating locomotion animations fordozens of multi-legged characters in real-time and without anymotion data. Our system is quite generic thanks to the chosen Procedural-Based techniques and it is capable of animating different multi-legged morphologies. On top of that, the simulated characters have more freedom while moving, as we adapt the generated animations to the dynamic complex environments in real-time. Themain focus is plausible movements that are, at the same time,believable and fully controllable. This controllability is one of the forces of our system as it gives the user the possibility to control all aspects of the generated animation thus producing the needed style of locomotion

Nous proposons une approche du problème de la navigation d'un agent autonome fondée sur une architecture connexionniste inspirée de données biologiques concernant le cortex cérébral et l'hippocampe, une sous-structure corticale. Notre approche se fonde sur la distinction des mémoires, le cortex cérébral étant fortement impliqué dans la mémoire procédurale, permettant l'apprentissage de procédures, alors que l'hippocampe est impliqué dans la mémoire déclarative, permettant la mémorisation explicite de faits et d'événements. Notre travail concerne la modé- lisation de ces mémoires dans le contexte du comportement autonome. L'étude des dfférentes mémoires met en évidence l'importance de cette dichotomie procédurale/déclarative dans les tâches cognitives et l'étude de la navigation autonome met en exergue la notion de carte cognitive topologique ainsi que la nécessité de disposer de systèmes de mémoires adéquats. Notre travail de modélisation s'articule alors en deux temps. Les données concernant le cortex humain ont permis de modéliser une mémoire procédurale pour la construction des liens reliant les différents lieux d'un environnement simulé permettant une recherche guidée par le but ainsi que le ralliement à tout instant d'un lieu visité auparavant. Par ailleurs, les différentes données concernant la structure de l'hippocampe ont permis de proposer un modèle de mémoire de type déclaratif. L'architecture de ce modèle ainsi que les mécanismes originaux participant à son fonctionnement lui assurent une efficacité et une robustesse aussi bien sur des données simulées que sur des données réelles. Ce modèle permet alors de caractériser de façon adéquate les différents lieux d'un environnement donné.

La protection des gaines de combustible de réacteur nucléaire contre l’oxydation à haute température en conditions accidentelles est essentielle pour garantir leur intégrité, c’est-à-dire celle de la première barrière de confinement. Celle-ci peut s’effectuer par le dépôt d’un revêtement sur leur paroi interne et ce sont les procédés CVD qui sont les plus à même de le faire. Il s’agit plus précisément du procédé DLI-MOCVD qui a été utilisé ici pour déposer des revêtements à base de chrome (chrome métallique Cr(S) cristallisé) et de carbures de chrome (carbures de chrome CrxCy amorphes non recyclés, recyclés et CrxSizCy dopés au Si), réputés pour leur bonne résistance à l’oxydation. Afin d’améliorer la qualité des revêtements, le procédé de dépôt a été optimisé à l’aide de simulations numériques. Après une réflexion sur le mécanisme chimique, un modèle cinétique réactionnel du dépôt d’un revêtement CrxCy amorphe a pu être ajusté et validé. Il a aussi été montré que la solution utilisée de précurseur organométallique bis(arène)chrome et de solvant toluène pouvait être directement recyclée, augmentant ainsi le potentiel d’industrialisation du procédé. Les propriétés physico-chimiques et structurales des revêtements déposés avec ce procédé ont été caractérisées. Une étude des propriétés mécaniques de ces revêtements a par ailleurs été entreprise. Il en ressort que, comparés à des revêtements apparentés déposés par d’autres procédés, ceux déposés par DLIMOCVD possèdent notamment une dureté élevée (jusqu’à une trentaine de GPa), des contraintes résiduelles en compression, une bonne adhérence avec leur substrat et enfin une résistance à l’usure abrasive différente suivant la température. L’évaluation de leur résistance à l’oxydation à 1200 °C a révélé les excellentes performances des revêtements en carbures de chrome amorphes, qui permettent de retarder l’oxydation catastrophique de plus de deux heures pour une épaisseur de 10 µm. Tous les autres revêtements augmentent la tenue en température des substrats en zircaloy mais ne retardent pas autant l’oxydation catastrophique
Nuclear fuel cladding tubes resistance against high temperature oxidation during accident conditions is crucial because it means protecting the first containment barrier. This can be done by coating the inner wall of the cladding tube with CVD processes, which are most likely to do so. More specifically, we used DLI-MOCVD to grow chromium based (Cr(S), metallic crystalline chromium) and chromium carbides based (amorphous chromium carbides CrxCy, recycled CrxCy, silicon doped CrxSizCy) coatings, known for their good oxidation resistance. The coating process was optimized using numerical modelling to improve coatings performance. A reaction kinetics model of the deposition process of amorphous CrxCy coatings was adjusted and validated after the identification of the chemical mechanism. It was also shown that the liquid solution containing organometallic precursor (bis(arene)chromium) and solvent (toluene) could be directly recycled, thereby increasing the industrialization potential of such process. Physical, chemical and structural properties of coatings deposited with this process were characterized. A study of the coatings mechanical properties has also been undertaken. It shows that compared to related coatings grown with other processes, those deposited by DLI-MOCVD exhibit a particularly high hardness (up to 30 GPa), compressive residual stresses, good adhesion with the substrate and finally a different abrasive wear resistance depending on the temperature. The assessment of their oxidation resistance at 1200 °C revealed excellent performances of amorphous chromium carbides coatings, which can delay catastrophic oxidation up to two hours with only a 10 µm thickness. All the other coatings only increase the thermal resistance of zircaloy substrates

L'objectif de cette thèse est la recherche de nouvelles techniques de génération de contenu numérique pour des applications de jeu vidéo. Le manque de variété de terrains, d'objets et de détails affecte fortement le réalisme des paysages de synthèse.Dans ce contexte, un des principaux goulots d'étranglements est la modélisation des ressources graphiques permettant de créer les scènes. Afin de simplifier et d'accélérer cette tâche, nous présentons des méthodes permettant de générer automatiquement du contenu graphique pour créer de grands paysages à la fois complexes et originaux.Notre première approche permet de créer et d'éditer rapidement des variétés d'objets à partir d'un modèle initial fourni par un graphiste, sous la contrainte d'une représentation avec très peu de triangles. Nous présentons également une méthode de génération procédurale des variétés d'objets. Ensemble, ces méthodes permettent de créer aussi bien des variétés de formes naturelles que des ouvrages d'arts tels que des routes, des ponts et des tunnels capables de s'adapter automatiquement au relief d'un paysage.Nous proposons une autre méthode, s'appuyant sur une simulation physique et thermique, pour créer des paysages hivernaux évoluant au cours du temps en fonction des conditions climatiques. Cette approche permet de suivre l'évolution du manteau neigeux ainsi que l'épaisseur de la glace qui se forme en surface d'un lac.

Cette thèse porte sur un des problèmes majeurs issus du domaine de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) à savoir celui de l'intersection. On aborde cette problèmatique avec une approche novatrice passant par une nouvelle forme de représentation des surfaces dites \og procédurales \fg{}. Cette dernière se base sur des approximants plus fins que les triangles habituellement utilisés, il s'agit de carreaux de surfaces paramétrées polynomiales de bas degré. L'approximation ainsi obtenue possède des caractères intéressants en termes de qualité et de représentation. Cependant, la mise en oeuvre d'une telle stratégie nécessite l'élaboration d'outils adaptés. En particulier, pour le problème d'intersection, il faut savoir intersecter efficacement les approximants. Pour cela, une méthode algorithmique permet de se focaliser uniquement sur des configurations d'intersection \og pertinentes \fg{}. Plusieurs méthodes sur l'intersection des surfaces paramétrées polynomiales sont ensuite exposées de manière effective. Enfin, les aspects d'implémentation sont également abordés à travers l'intégration des algorithmes développés dans un modeleur algébrique géométrique.

Depuis plus de vingt ans, les effets spéciaux cinématographiques ont été profondément transformés par le développement d’outils technologiques de pointe dédiés à l’image numérique (image de synthèse et traitement de l’image). Ces techniques permettent de simuler avec précision des matières telles que du feu, de la fumée ou encore de l'eau. Cette étude explore le potentiel créatif des techniques procédurales pour peindre avec des matières dynamiques. Autour de créations et d'expérimentations, je crée mes propres matières, je les utilise tout en les contrôlant pour proposer de nouveaux horizons graphiques et narratifs. À travers de nombreuses études de cas rencontrés en production cinématographique, j'analyse le fonctionnement de ces techniques pour proposer aux artistes des moyens pratiques de contrôler ces matières dans un but de création, en allant au-delà d'une simulation physique et réaliste. Je développe alors des créations et des expérimentations autour de quatre axes de recherche. Sur le thème du portrait, je cherche à peindre avec des matières dynamiques et à représenter le visage en mouvement. Il s'agit d'interpréter une scène 3D et de contrôler ces matières en interagissant avec elles par la mise en place de workflow spécifiques. Je m’intéresse ensuite au dialogue possible entre ces systèmes dynamiques et la musique pour proposer de véritables chorégraphies abstraites. De la même manière, je cherche à peindre le mouvement, à représenter l'invisible, en le capturant et en proposant différentes interprétations de ces données. Enfin, je propose de jouer avec la matière procédurale sans contraintes en la plaçant au cœur de l’œuvre
For over twenty years, special effects in film drastically changed with the ever increasing tools dealing with digital images (image synthesis and image processing). The latter accurately simulate materials such as fire, smoke or even water. This study investigates the innovative potential of procedural techniques to paint with dynamic materials. Through creations and experiments, I created my own materials which I used and adapted to propose new graphics and narratives alternatives. Through the study of many film productions, I analyze how the state-of-the-art techniques work. Beyond physical and realistic simulations I provide the artists with adequate ways to play with these dynamic materials for any creative purpose. I propose new creations and experimentations following various research topics. Firstly, I investigate the portraits using dynamic materials to picture the face in motion. The point is to analyze the 3D scene and then to control the materials through interactions that follow dedicated workflows. Secondly, I study how these dynamics systems could be linked to music in order to produce novel creative choreographies. Following these studies, I attempt to paint the motion recorded from data acquisition using new analysis processes I proposed. Finally, I play freely with this procedural material setting it at the very heart of the process

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent le développement d‘une approche originale permettant la détermination de plusieurs composés (principalement aflatoxines et pesticides organophosphorés), à l‘aide de biocapteurs électrochimiques basés sur l‘inhibition de l‘acétylcholinestérase. Dans un premier temps, un nouveau biocapteur potentiométrique utilisant des transistors à effet de champ sensibles au pH (pH-FETs) comme transducteurs a été développé pour la détermination de l‘aflatoxine B1 (AFB1) et différent paramètres d‘élaboration et de fonctionnement du biocapteur ont été optimisés. Le biocapteur proposé est caractérisé par une stabilité opérationnelle élevée and bonne reproductibilité du signal en cours d‘utilisation et de stockage. Le biocapteur a ensuite été évalué pour l‘analyse d‘échantillons réels (blé, sésame, noix et pois) et une simulation mathématique de la réponse du biocapteur potentiométrique à l‘AFB1 a été proposée pour la première fois et validée. Dans un deuxième temps, un biocapteur conductimétrique utilisant des microélectrodes interdigitées en or a été développé. La sensibilité de ce biocapteur aux aflatoxines ainsi qu‘à d‘autres classes de substances toxiques, tels que les pesticides organophosphorés, les métaux lourds, les glycoalkaloïdes, et les surfactants, a été déterminée. Une nouvelle procédure originale, permettant la détermination sélective de toxines multiclasses par application successive de solutions de réactivation visant spécifiquement des inhibiteurs irréversibles ou réversibles, a été finalement proposée. En utilisant cette méthode, il a été montré que les biocapteurs enzymatiques pouvaient être appliqués à l‘analyse des aflatoxines et des pesticides organophosphorés, ainsi qu‘à la détermination de la toxicité globale des échantillons
Investigations reported in this manuscript are focused on the development of an original approach for the detection of several toxic compounds, mainly aflatoxins and organophosphorus pesticides, using acetylcholinesterase (AChE)-based inhibitory electrochemical biosensors. In a first step, a new potentiometric biosensor using pH Sensitive Field-Effect Transistors (pH-FETs) as transducers was investigated for aflatoxin B1 (AFB1) determination and different elaboration and working parameters were optimized. The proposed biosensor was characterized by high operational stability and reproducibility of the signal during the work as well as during the storage. The biosensor was further evaluated for real samples analysis (wheat, sesame, walnuts and peas) and a mathematical simulation of the potentiometric biosensor response to aflatoxin B1 was proposed for the first time and validated. In a second step, a conductometric biosensor using interdigitated gold microelectrodes was developed. The sensitivity of the biosensor to aflatoxins and other classes of toxic substances, such as organophosphorus pesticides, heavy metals ions, glycoalkaloids, and surfactants, was determined. A new and original procedure, enabling the selective determination of multiclass toxins by applying successive reactivation solutions targeting either irreversible or reversible inhibitors, was finally proposed. Using this method, the electrochemical enzyme inhibitory biosensors could be applied to the analysis of aflatoxins and organophosphorus pesticides, as well as for the determination of total toxicity of the samples

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures
This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements

Dans le souci constant de diminuer les émissions polluantes, l’analyse de la technologie de réduction sélective non catalytique (SNCR) des oxydes d’azote (NOx) et de son application à un incinérateur industriel est effectuée par la simulation numérique. Un schéma cinétique réduit pour modéliser la SNCR à l’ammoniaque est proposé. L’analyse du procédé est effectuée pour déterminer l’influence de paramètres clés, tels que le mélange et les fluctuations de température, sur la réduction des NOx. Une procédure de maquette numérique est ensuite développée pour permettre la simulation du système réel de grande taille. Des simulations aux grandes échelles (LES) sont effectuées pour observer l’efficacité de la DeNOx dans l’incinérateur, en incluant les mécanismes d’évaporation multi-composants. Des solutions technologiques sont proposées et testées pour optimiser la réduction des NOx. Enfin, un modèle 1D est proposé pour modéliser l’incinérateur de façon simplifiée, et permettre le contrôle actif du procédé en situation opérationnelle
To guarantee the reduction of pollutant emissions, the analysis of the Selective Non Catalytic Reduction (SNCR) of Nitrous Oxides (NOx) and its application to an industrial incinerator is carried out by numerical simulation. First, a reduced kinetic scheme is proposed for SNCR with ammonia. The process is analysed to determine the key parameters, such as mixing and temperature fluctuations, acting on NOx reduction. Then, a downsizing procedure is developed to enable the simulation of the full size real system. Afterwards, Large Eddy Simulations (LES) of the incinerator are performed, including multicomponent evaporation, to appreciate the DeNOx efficiency. Optimization techniques are suggested and evaluated to strengthen the NOx reduction. Finally, a low order model of the incinerator response is proposed, thus enabling its use in an active process control loop

La simulation numérique de la combustion, qui constitue un outil puissant pour le développement de nombreuses applications industrielles, est rendue difficile par la grande diversité des échelles caractéristiques de la turbulence et par la finesse des zones de réaction. Les méthodes aux grandes échelles ou LES, qui sont étudiées dans ce travail, permettent de s’affranchir des limitations des simulations directes, tout en permettant, notamment au niveau des phénomènes instationnaires, une meilleure description de l’écoulement que la résolution des équations moyennées. Le principal problème de l’application des méthodes aux grandes échelles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée réside dans le fait que l’épaisseur de flamme est généralement très inférieure au pas du maillage du calcul. Afin de se défaire de ce problème de résolution numérique, deux méthodes ont été ici étudiées : l’épaississement artificiel du front de flamme (TP-LES), et l’approche filtrée, pour laquelle une taille de filtre supérieure au pas du maillage a été utilisée. Des expressions analytiques ou basés sur une bibliothèque de flammelettes permettent la fermeture de la partie laminaire de l’approche filtrée. Des tests simples de propagation de flamme attestent du bon contrôle de l’épaisseur de la flamme par l’approche TF-LES et par l’approche filtrée. Pour la propagation turbulente, trois modèles ont été étudiés au cours de ce travail : un modèle algébrique de type Bray-Moss-Libby, un modèle à une équation proposé pour le plissement, et un modèle à fonction d’efficacité avec une loi en puissance. Des résultats de simulations tridimensionnelles d’interaction entre une flamme prémélangée et une turbulence homogène isotrope temporellement décroissante montrent que les trois modèles sont relativement peu dépendants des paramètres numériques des calculs (résolution, facteur d’épaississement, taille du filtre). Par comparaison avec des données expérimentales et de simulation directe, le modèle de plissement de flamme qui suit une loi en puissance à la meilleure estimation de la vitesse de flamme turbulente globale. Pour ce modèle une procédure de détermination dynamique de l’exposant est également proposée et testée avec succès dans la même configuration d’interaction flamme/turbulence.

Cette thèse porte sur l’estimation d'une fonction de régression fournissant la meilleure relation entredes variables pour lesquelles on possède un certain nombre d’observations. Une première partie portesur une étude par simulation de deux méthodes automatiques de sélection du paramètre de laprocédure d'estimation ridge. D'un point de vue plus théorique, on présente et compare ensuite deuxméthodes de sélection d'un multiparamètre intervenant dans une procédure d'estimation d'unefonction de régression sur l'intervalle [0,1]. Dans une deuxième partie, on étudie la qualité del'estimateur PLS1, d'un point de vue théorique, à travers son risque quadratique et, plus précisément,le terme de variance dans la décomposition biais/variance de ce risque. Enfin, dans une troisièmepartie, une étude statistique sur données réelles est menée afin de mieux comprendre la signaturegénique de cellules cancéreuses à partir de la signature génique des sous-types cellulaires constituantle stroma tumoral associé
This thesis deals with the estimation of a regression function providing the best relationship betweenvariables for which we have some observations. In a first part, we complete a simulation study fortwo automatic selection methods of the ridge parameter. From a more theoretical point of view, wethen present and compare two selection methods of a multiparameter, that is used in an estimationprocedure of a regression function on [0,1]. In a second part, we study the quality of the PLS1estimator through its quadratic risk and, more precisely, the variance term in its bias/variancedecomposition. In a third part, a statistical study is carried out in order to explain the geneticsignature of cancer cells thanks to the genetic signatures of cellular subtypes which compose theassociated tumor stroma

Le but de cette thèse est la construction de schémas numériques pour la simulation de phénomènes de propagation d'ondes acoustiques et électromagnétiques basés sur des discrétisations en espace par éléments finis conformes, ces schémas ayant pour vocation à être d'ordre arbitrairement élevé et aussi efficaces que possible. Dans le cadre de l'équation des ondes scalaire nous reprenons le problème de la condensation de la matrice de masse issue des éléments finis de Lagrange (cf. Cohen-Joly-Tordjmann) pour en décrire un algorithme de construction général. Cet algorithme nous a permis de déterminer un nouvel élément fini avec condensation de masse de type $P_6$. Nous présentons aussi une nouvelle approche permettant une condensation partielle de la matrice de masse. Dans le cadre de la propagation d'ondes électromagnétiques modélisée par les équations de Maxwell, nous présentons une méthode de couplage conforme d'éléments finis d'arête rectangulaires (avec condensation de la matrice de masse) et triangulaires, permettant d'optimiser le profil de la matrice de masse (et donc d'en optimiser l'inversion) pour les simulations dans des domaines à géométrie complexe. Nous présentons aussi une discrétisation en temps d'ordre arbitrairement élevé, basée sur une procédure de type Cauchy-Kowalewski, que l'on a stabilisée. Toutes les discrétisations présentées ont été implémentées, testées de manière exhaustive et leur efficacité a été comparée, dans une série de tests numériques, à celle des discrétisations couramment utilisées pour ce type d'applications telles que les discrétisations en espace par éléments finis de Lagrange standards, et les discrétisations symplectiques ou de Runge-Kutta en temps

Le traitement, le transport, la maniabilité et le stockage des matériaux granulaires sont à l’origine de nombreuses opérations industrielles. Il est donc essentiel de prévoir de manière fiable la dynamique des matériaux granulaires pour un bon fonctionnement et une optimisation du processus. Les matériaux granulaires sont des systèmes complexes qui peuvent se présenter sous différents états statiques, quasi-statiques et dynamiques. La manifestation des phénomènes de ségrégation et de blocage (formation de voûtes) peuvent être problématiques pour les industriels. La prédiction du comportement en vrac des milieux granulaires nécessite une bonne compréhension des mécanismes dominants impliqués à l’échelle des grains. Il est donc essentiel de réaliser des simulations numériques pour pouvoir prédire avec précision la dynamique granulaire quel que soit le régime de sollicitation. Dans la méthode des éléments discrets (DEM), il existe des modèles constitutifs qui décrivent les réponses des matériaux pour différentes conditions de chargement mécanique. Cependant, des ressources de calcul informatiques importantes sont nécessaires pour simuler un grand nombre de particules, ce qui rend souvent les simulations à grande échelle difficilement réalisables.Dans cette étude, nous utilisons le code BlazeDEM3D-GPU basé sur des calculs sous GPU (Graphic Processing Unit), permettant d’augmenter considérablement l’efficacité des calculs. Cela crée de nouvelles opportunités dans la DEM et rend possible la résolution des problèmes qui étaient auparavant considérés comme trop exigeants en termes de calculs. L’utilité et la généralité du modèle à éléments discrets dépendent fortement de la qualité du processus de calibration du modèle. Le processus que nous proposons débute par la calibration virtuelle d’une expérience sur des matériaux en vrac utilisant les plans d’expériences, l’optimisation et la variation des paramètres pour identifier les valeurs optimales du problème virtuel. Cela garantit non seulement une meilleure correspondance entre les réponses du modèle expérimental et numérique, mais aussi l’unicité des paramètres du modèle eux-mêmes. En particulier, deux approches de calibration expérimentales et virtuelles distinctes sont étudiées pour vérifier la généralité des modèles DEM calibrés pour des applications à l’échelle du laboratoire et de futures applications virtuelles
The processing, transport, handling and storage of granular materials underlies the operations of numerous industries. Thus, reliably predicting the dynamics of granular materials is critical for successful process operation and sensible process optimization. Granular materials are complex systems that can display solid, liquid and gas phases that are often characterized by nonfrivolous transitions between static, quasi-static and dynamic states. Needless to say, the manifestation of segregation, arching and jamming can have dire consequences for manufacturers. Predicting the bulk behavior of granular media requires a good understanding of the dominant mechanisms involved at grain or particle level. It is therefore essential to numerically simulate at the grain or particle scale to accurately predict granular dynamics over all regimes. In the discrete element method (DEM) there are constitutive models that describe the material responses for different mechanical loading conditions. However, significant computational resources are required to simulate large number of particles often making bulk and industrial scale simulations intractable.In this study, we use the BlazeDEM3D-GPU simulation framework that uses GPU (Graphic Processing Unit) compute, allowing DEM simulations to be conducted tens to hundreds times faster. This tremendous increases in compute efficiency creates new opportunities in DEM to solve problems that previously were thought to be too computationally demanding. The usefulness and generality of the discrete element model strongly depends on the quality of the calibration process of the model. The process we proposed first conducts a virtual calibration of a bulk experiment that uses design of experiments, optimization and variation maps over the parameter domain to identify known optima in the virtual problem. This not only ensures a better match between the experimental and numerical model responses but also the uniqueness of the model parameters themselves. In particular, two distinct experimental and virtual calibration approaches are investigated to verify the generality of the calibrated DEM models for laboratory scale applications and future industrial applications

Ce travail est une contribution à la simulation numérique d'écoulements turbulents dans un but d'application industrielle. Nous nous intéressons dans un premier temps à une nouvelle combinaison "VMS-LES/procédure dynamique" pour la simulation d'écoulements autour de cylindres circulaire et carré. L'approche VMS-LES mise en œuvre a pour originalité d'utiliser une procédure de moyennage sur des volumes finis agglomérés dans le but de séparer les échelles, l'approche dynamique étant celle introduite par Germano en LES. Une approche hybride RANS/VMS-LES est ensuite évaluée sur le problème du cylindre circulaire à des nombres de Reynolds élevés. Cette approche introduit un paramètre d'hybridation qui selon la résolution locale de grille privilège le modèle RANS ou celui VMS-LES. Enfin, les performances d'un algorithme de Schwarz deux-niveau, qui utilise les méthodes de déflation et de balancing, sont examinées d'un point de vue efficacité et scalabilité dans le cas de simulations VMS-LES
This work is a contribution to the numerical simulation of turbulent flows with the aim of industrial application. At first, we focus on a new combination "VMS-LES/dynamic procedure" for the simulation of flows around circular and square cylinders. The VMS-LES approach adopted in this work is original in using an averaging procedure over agglomerated finite volumes in order to separate the scales, the dynamic approach being the one introduced by Germano in LES. A RANS/VMS-LES hybrid approach is then evaluated on the circular cylinder test case at high Reynolds numbers. This approach introduces a hybridization parameter which privileges the RANS model or the VMS-LES model according to the grid resolution. Finally, the performance of a two-level Schwarz algorithm, which uses the deflation and balancing methods, are examined in terms of efficiency and scalability in the context of VMS-LES simulations

Les méthodes d’amélioration des procédures de cryoconservation sont traditionnellement basées sur l’empirisme. Pour s’en démarquer, nous sommes repartis des modèles biophysiques développés pour décrire les procédures en s’appuyant sur 2 méthodes. La 1ère méthode a consisté au développement de techniques de simulation des procédures en caractérisant l’utilisation du Snomax dans l’appareil DSC. Nous avons montré que le contrôle de la température de nucléation (Tn) est possible en choisissant les conditions expérimentales (volume d’échantillon et concentration en Snomax) qui influencent les probabilités de présence de 3 sous-populations d’INA des protéines de P. syringae. La possibilité d’effectuer des simulations a pu être validée pour certaines plages de surfusion dans les solutions de cryoconservation. Ceci a permis la caractérisation des effets physiques influencés par Tn et qui interviennent au cours des procédures et d’alimenter les modèles biophysiques de cryoconservation. La 2ème méthode a consisté à la modification de la composition des solutions afin de réduire le recours au DMSO (cytotoxique) en utilisant des composés de type oligosaccharides : les COS. Après vérification de la biocompatibilité des COS avec des cellules embryonnaires, la caractérisation de l’influence thermodynamique des COS a été effectuée. Il a été montré que les COS sont des cryostabilisateurs qui se lient à une petite quantité de molécule d’eau et n’en affecte pas les propriétés physicochimiques. Les COS peuvent donc être introduits dans le milieu extracellulaire sans risque d’accélérer la déshydratation cellulaire. De plus, il a été montré qu’ils favorisent la gélification du milieu extracellulaire, laquelle est fonction de la proportion massique d’eau en solution résiduelle. Cette gélification fige une partie du système ce qui favorise sa stabilisation au passage des zones de températures à risques de recristallisation
We wished to move aside classical cryopreservation procedure improvements that are based on empiricism and to focus on existing biophysical models in order to describe procedures. We based our study on two methods. The first method consisted in developing the methods for the simulations of procedures, by characterizing the use of Snomax in a DSC device. This study highlighted that the nucleation temperature (Tn) control is possible under precise experimental conditions (sample volume and Snomax concentration) that influence the presence probability of 3 INA subpopulations of the P. syringae protein aggregates. The possibility to simulate the cryopreservation procedures has been achieved for some supercooling ranges within complex cryopreservation solutions. Consequently, it has been possible to characterize the physical effects influenced by Tn and involved within procedures. These results will participate in supplying cryopreservation biophysical models. The second method aimed to modify the composition of cryopreservative solutions in order to reduce the DMSO use (because of its cytotoxicity), using extracellular CPA components: the chitooligosaccharides COS. Subsequent to the biocompatibility verification of the COS with embryonic cells, the thermodynamic influence of the COS has been characterized. Therefore, it has been demonstrated that COS are cryostabilizers that link themselves to a small number of water molecules and does not influence its physicochemical properties. Consequently, COS can be added within the extracellular space without any risk to accelerate the cell dehydration. It has been demonstrated that COS favor the gelation of the extracellular space and that this gelation relies on the mass proportion of water in the residual solution. This gelation immobilizes a part of the system and therefore favor its stabilization when the temperature reaches the risky recrystallization range

L’apprentissage de gestes chirurgicaux, est un élément majeur de la formation des professions médicales. Un impératif éthique impose désormais que l’apprentissage de ces gestes s’effectue en simulation. Le but de cette thèse était de déterminer les facteurs psychologiques et pédagogiques permettant d’optimiser l’apprentissage procédural chez des étudiants en Médecine en combinant e-learning et simulation. Pour répondre à cet objectif nous avons mis en place 5 études. La première cherchait à vérifier que les apprenants réalisaient une atomisation de l’action en début d’apprentissage. La deuxième comparait l’utilisation d’un paradigme permettant l’atomisation de l’action et d’un paradigme de réalisation différée. Les deux études suivantes s’intéressaient à l’ergonomie des instructions et plus particulièrement au point de vue de présentation, en tenant compte des aptitudes visuo-spatiales des apprenants. La dernière étude visait à vérifier la validité d’une situation d’apprentissage en blended learning, en comparant deux organisations pédagogiques. Les apports de cette thèse se situent à 3 niveaux. Au plan du déroulement de l'apprentissage procédural, les apprenants réalisent une atomisation de l’action lors de la première phase de l’apprentissage. Au plan méthodologique, il est donc essentiel que le paradigme d’étude utilisé prenne en compte ce processus, ainsi que les nombreuses répétitions nécessaires à l’apprentissage procédural. Au plan pédagogique, le point de vue égocentré serait le plus profitable, quelles que soient les aptitudes des apprenants. Enfin, l’utilisation d’une combinaison de e-learning et de simulation semble efficace pour l’apprentissage de procédures
Learning surgical gestures is an important part of training for medical profession. An ethical imperative now requires that these gestures must be learned in a simulation situation. The objective of this thesis was to determine the psychological and pedagogical factors for optimizing procedural learning among medical students by combining e-learning and simulation. To meet this objective, we have implemented 5 studies. The first study sought to confirm that learners did realize an action atomization process at the beginning of learning. The second study compared the use of a methodological paradigm allowing action atomization and a paradigm of delayed execution. The next two studies were concerned with the instructions design and more particularly with their perspective, taking into account the visuospatial abilities of the learners.The last study investigated the validity of a blended learning course by comparing two educational organizations. The contributions of this thesis fall into 3 areas. In terms of the procedural learning process, the learners atomize the action during the first phase of procedural learning. Methodologically, it is therefore essential that the study paradigm takes into account this process, as well as the many repetitions necessary for procedural learning. From an educational point of view, the self-centered point of view would be the most profitable, whatever the visuo-spatial abilities of the learners. Finally, using a combination of e-learning and face-to-face simulation seems to be effective for procedural learning

L'objectif principal de notre projet est de créer un modèle numérique complet du système pelvien de la femme enceinte prenant en compte l'intégralité des structures anatomiques de suspensions du pelvis, leurs propriétés biomécaniques et permettant la simulation d'accouchement eutocique et dystocique.Nous travaillons avec un modèle tridimensionel du pelvis de la femme enceinte créé à partir d'IRM réalisées chez une parturiente volontaire à différents âges gestationnels de la grossesse (16, 32 et 38SA) et en post-partum (2mois, 1an). Chaque organes, muscles et ligaments du pelvis ont été reconstruits numériquement permettant de générer un modèle géométrique complet représentatif du système pelvien. Nous avons effectué une analyse géométrique de ces structures, notamment musculaires et ligamentaires. Par la suite nous avons effectué des simulations numériques par méthode des Eléments Finis (EF), en intégrant notamment les propriétés biomécaniques des tissus et des trajectoires de tête imposées. Ce système permet d'analyser les déformations des structures périnéales lors d'un accouchement normal puis dystocique.L'étude approfondie au cours de la grossesse des ligaments utérosacrés et du muscle releveur de l'anus, met en évidence une modification géométrique de ces structures, jouant un rôle dans la statique pelvienne et ce dès le 2ème trimestre de grossesse. Cette reconstruction numérique en 3D a permis de réaliser un modèle d'enseignement (mannequin simple) et d'entraînement au geste de délivrance artificielle et de révision utérine. Cet outil a été testés auprès de gynécologue-obstétriciens, sages-femmes et internes afin d'élaborer un modèle final dont l'intérêt pédagogique a été validé. Par la suite, nous avons élaboré un modèle de simulation d'accouchement, paramétré, permettant de faire varier différents critères maternels et foetaux comme l'orientation, la taille et la flexion de la tête foetale. Dans un premier temps la simulation d'accouchement physiologique permet l'analyse de l'impact de l'accouchement sur ces mêmes structures pelviennes. Nous avons dans un second temps fait varier différents critères permettant d'aboutir à la dystocie. Nous travaillons également sur le développement de capteurs de pressions et mouvements, intégrés à des cuillères de forceps. Cet outil permet d'effectuer une analyse numérique du geste d'extraction par forceps.Cet outil paramétré de simulation numérique d'accouchement va permettre d'étudier les différents impacts de l'accouchement sur l'équilibre fragile des structures pelviennes. Ainsi il serait possible d'analyser la survenue de complications obstétricales maternelles et foetales. Ainsi il serait possible d'expliquer les lésions périnéales à court, moyen et long terme lié à l'accouchement. Cet outil permettrait également d'enseigner la mécanique et la gestuelle obstétricale parfois complexe
We aim at developing a complete 3D numerical model of a parturient pelvic system representing all the anatomical structures of the pelvis such as ligament, muscle and organs. Then we generate a parametric FE model that allows simulating normal and dystocic vaginal delivery.We have developed a parturient pelvic numerical model at different gestational ages, 16, 32 and 38 weeks of gestation, (WG) and in postpartum (2months and 1year) from MRI. The different organs, muscles and ligaments of the pelvic system were segmented in order to generate a complete anatomical 3D model. Starting from this numerical model we studied the changes the muscles and ligaments undergo during pregnancy. Then we performed a Finite Element (FE) model that allows simulation and analysis of the deformations of pelvic anatomical structures under the stress induce by normal and dystocic vaginal delivery. In particular, we investigated the influence of the head size, terms and cephalic orientation and flexion. We particularly studied the structures that play an important role in the stability of the pelvic system.ResultsThe analysis during pregnancy of the US ligaments and levator ani muscle (LAM) reveals some geometrical modification, even then at the beginning of the second pregnancy trimester. This 3D anatomical model help to develop a teaching model for manual removing of the placenta, that could be integrated in a simple physic mannequin. The proof of pedagogical interest of this tool was made by different series of tests, underwent by gynaecolog-obstetrician and midwives. Then we worked with FE simulation of the vaginal delivery. The model developed is parametric. Than mean we can then change different maternal and fetal criteria such as gestational age, fetal head size, orientation and flexion. First place we performed normal vaginal delivery to study the impact of the fetal head descent in the pelvic system, and his stress impact on the different anatomical structures. Then we introduce dystocic element. We can evaluate and localize the strain levels and the most injured areas. Posterior cephalic presentation presents higher injury risk than the anterior one. Maternal geometry at different terms brings equivalent results contrary to the fetal head sizes that have an influence on the strain level and the potential damage induced. We developed pressure and trajectories sensors integrated in a forceps. We can then record an ex-vivo forceps extraction and then integrate all the information in the FE model.ConclusionThis multi-parametric investigation allows us to have a customizable and predictive tool evaluating the potential damages on the pelvis during vaginal delivery. We could then explain, understand and maybe predict some maternal and fetal complications that could happen during vaginal delivery. We can in particular try to explain the perinea injuries during, after and long time after vaginal delivery. This tool can be used to teach the complexity of obstetric

Cette thèse porte sur la création interactive intuitive de formes 3D, justifié pour les artistes par un besoin d'efficacité et d'expressivité et pour le grand public par la démocratisation d'usages de la modélisation numérique pour les jeux vidéo ou pour les imprimantes 3D. Dans ce cadre, pour trouver des nouvelles formes d'interactions, nous avons développé des modeleurs et des techniques de modélisation : un modeleur de formes libres 3D par métaphore de peinture, un modeleur vectoriel temps réel de paysages ainsi qu'un modeleur de paysages par croquis vu de la première personne. Les contributions scientifiques vont d'un opérateur de mélange implicite qui garanti la localité du mélange, à l'utilisation qu'une formulation bi-harmonique pour la modélisation de terrains permettant une modélisation fine, intuitive et temps réel de terrains ; en passant par la modélisation de paysages à partir de croquis composé de silhouettes vus de la première personne.

Les propriétés magnétiques détaillées des solides peuvent être vu comme le résultat de l'interaction de plusieurs sous-systèmes: celui des spins effectifs, portant l'aimantation, celui des électrons et celui du réseau crystallin. Différents processus permettent à ces sous-systèmes d'échanger de l'énergie. Parmis ceux-ci, les phénomènes de relaxation jouent un rôle prépondérants. Cependant, la complexité de ces processus en rend leur modélisation ardue. Afin de prendre en compte ces interactions de façon abordable aux calculs, l'approche de Langevin est depuis longtemps appliquée à la dynamique d'aimantation, qui peut être vue comme la réponse collective des spins. Elle consiste à modéliser les interactions entre les trois sous-systèmes par des interactions effectives entre le sous-système d'intérêt, les spins, et un bain thermique, dont seulement la densité de probabilité constituerait une quantité pertinente. Après avoir présenté cette approche, nous verrons en quoi elle permet de bâtir une dynamique atomique de spin. Une fois son implémentation détaillée, cette méthodologie sera appliquée à un exemple tiré de la littérature et basé sur le superparamagnétisme de nanoaimants de fer
Detailed magnetic properties of solids can be regarded as the result of the interaction between three subsystems: the effective spins, that will be our focus in this thesis, the electrons and the crystalline lattice. These three subsystems exchange energy, in many ways, in particular, through relaxation processes. The nature of these processes remains extremely hard to understand, and even harder to simulate. A practical approach, for performing such simulations, involves adapting the description of random processes by Langevin to the collective dynamics of the spins, usually called the magnetization dynamics. It consists in describing the, complicated, interactions between the subsystems, by the effective interactions of the subsystem of interest, the spins, and a thermal bath, whose probability density is only of relevance. This approach allows us to interpret the results of atomistic spin dynamics simulations in appropriate macroscopic terms. After presenting the numerical implementation of this methodology, a typical study of a magnetic device based on superparamagnetic iron monolayers is presented, as an example. The results are compared to experimental data and allow us to validate the atomistic spin dynamics simulations

Cette thèse porte sur l'étude du comportement hydrodynamique d'un embryon lors de la procédure de transfert suivant la fécondation in-vitro. Un couple sur six fait l'expérience de problèmes d'infertilité. Aujourd'hui 5 millions de nourrissons sont nés depuis la première fécondation in-vitro en 1978. En 2009, 1.5 millions de cycles de Procréation Médicalement Assistée étaient débutés, donnant ainsi naissance à350 000 nourrissons de par le monde. Le nombre de cycle est en constante augmentation de 5 à 10 % par an et le nombre de cycle de PMA pourrait être proche de 4 millions à l'horizon 2020. Bien que l'étape de fertilisation soit maintenant bien maitrisée avec 80% de réussite, l'étape finale du transfert d'embryon dans la cavité intra-utérine reste une étape critique puisque seulement 25% des cycles mènent à une grossesse viable. Bien que chaque cycle soit couteux, aucun protocole spécifique, optimisé, et indépendant de l'opérateur n'a encore été mis au point. Dans cette thèse, nous nous proposons de démontrer dans un premier temps l'intérêt et la faisabilité d'une approche de bio ingénierie. En effet, bien que l'issue de transfert dépende de nombreux facteurs chimiques et physiologiques, cette étape cruciale peut aussi être étudiée d'un point de vue mécanique des fluides. Cette étape peut être décomposée en plusieurs sous-étapes : l'introduction du cathéter dans la cavité intra utérine, l'injection du fluide medium contenant un ou plusieurs embryons, et le retrait du cathéter. On peut dégager plusieurs paramètres d'importance comme la viscosité des fluides, la vitesse d'injection, la vitesse de retrait du cathéter, le schéma de chargement du cathéter, et les géométries de la cavité et du cathéter. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la structure des écoulements de fluides intra-uterins au moment de l'injection. L'influence des paramètres constitutifs d'importance est étudiée grâce à un code de calcul résolvant les équations de Navier-Stokes dans une géométrie tri-dimensionnelle idéalisée. Une étude des trajectographies potentielles des embryons est également réalisée et mis en relation directe avec les zones d'implantation optimales et à risques. A l'issue de ces calculs, nous sommes en mesure de proposer des recommandations à l'usage des cliniciens pratiquant le transfert d'embryon. La dernière partie de la thèse est une ouverture vers les méthodes numériquesnécessaires à l'appréhension des phénomènes d'interaction fluide/structure à l'échelle de l'embryon. L'embryon est en effet soumis à des contraintes potentiellement destructrices au moment du transfert qu'il ne nous est pas possible de définir précisément _à l'_échelle de l'utérus. Dans l'optique du développement d'un modèle mécanique d'un blastocyste pour déterminer les paramètres procéduraux minimisant les contraintes, nous présentons l'implémentation de deux méthodes numériques de type Eulerienne-Eulerienne. La première est une méthode level-set dans un code en volumes finis et bénéficiant de raffinement de maillage automatique. La seconde concerne une méthode phase-field basée sur un formalisme éléments finis de type Galerkin discontinu
This thesis focuses on the study of the hydrodynamic behavior of an embryo during the transfer process following the in vitro fertilization. Worldwide, one in six couples experiences infertility problems. Today, 5 millions babies are born from an in-vitro fertilization since the first one in 1978. In 2009, 1.5 millions Assisted Reproductive Technology cycles have been started, resulting in 350 000 births. The total number of cycles per year is constantly increasing (from 5 to 10 %), and the number of ART cycles is believed to reach 4 millions per year in 2020. Although the fertilization step is now fairly mastered with a 80% success rate, the final stage consisting in the embryo transfer into the uterine cavity remains a critical step, since only 25% of the cycles lead to a live birth. Even though every cycle is expensive, no specific, optimized and operator-independent protocol has been developed yet. In this thesis, we first demonstrate the interest and the feasibility of a bio-engineering approach. Indeed, although the issue of the transfer depends on numerous chemical and physiological factors, this crucial step can also be studied from a fluid mechanical point of view. This step can be divided in several sub-steps : introduction of the catheter in the intra-uterine cavity, injection of the medium fluid containing one or several embryos, and the withdrawal of the catheter. One can identify several important parameters such as fluids viscosity, injections speeds, catheter withdrawal speed, catheter loading scheme and the geometries of the uterine cavity and the catheter. In a second part, we focus on the fluid ow patterns inside the uterine cavity during the injection. The influence of the system parameters is studied thanks to a computational solving of the Navier-Stokes equations in an idealized three-dimensional uterine cavity. A study of the potential trajectories of the embryos is also conducted and confronted against the location of optimal implantation zones but also risky zones. As the outcome of these computations, we are able to propose recommendations for physicians practicing embryo transfers. In the last part of the thesis, we discuss numerical methods for the fluid{structure interaction study of embryo transfer. The embryo is indeed submitted to potentially destructive stress constraints at injection time that we are not capable of defining precisely at the scale of the uterine cavity. With the aim of developing a mechanical model for the blastocyst to determine system parameters minimizing the constraints, we present the implementation of two Eulerian numerical methods. The first one is a fluid-structure level set method in a finite volume code benefiting from an automatic mesh refinement feature. The second one addresses a phase field method based on a Discontinuous Galerkin finite element formalism

Les communications futures pour les applications civiles et militaires utilisent des signaux modulés complexes large bande qui seront émis à travers des amplificateurs de puissance multivoie de type DOHERTY qui devront avoir des performances en puissance, rendement, OBO et largeur de bande qui constituent aujourd’hui un véritable défi à relever. Pour ce faire les concepteurs ont besoin d’outils de caractérisation temporelle permettant la mesure normalisées et l’optimisation des tensions et courants aux accès des dispositifs non linéaires sous pointes ou connectorisés. Ce travail de thèse a permis de mettre en œuvre cet outil de caractérisation temporelle qui a été utilisé pour répondre à des besoins spécifiques pour la modélisation de transistor, pour l’optimisation de leur fonctionnement en termes de stabilité impulsion à impulsion, pour la recherche des conditions optimales de leur fonctionnement dans un amplificateur de type Doherty. Pour cette mise en œuvre une modélisation mathématique des échantillonneurs a été réalisée pour évaluer leurs performances et choisir le mieux adapté à la mesure temporelle RF. Des procédures d’étalonnages rigoureuses ont été développées pour obtenir simultanément des formes d’ondes temporelles calibrées à spectre très large (Basse fréquences jusqu’aux Hyperfréquences)
The future communications for civil and military applications will use complex wideband modulated signals to be transmitted through multi-channel DOHERTY power amplifiers which should have high performance in terms of power, efficiency, OBO, and bandwidth. In order to meet these stringent requirements, designers need time-domain characterization tools for calibrated measurements and for optimizing voltages and currents at both ports of non-linear connectorized or on-wafer devices. This work successfully implements time-domain characterization tools used to meet specific needs for transistor modeling, to optimize their operation in terms of pulse to pulse stability, and to search optimal conditions of their operation modes in a Doherty power amplifier. For this implementation, mathematical modeling is performed to evaluate sampler’s performances in terms of time-domain sampling efficiency in order to choose the best suited sampling architecture for RF time-domain measurements. Rigorous calibration procedures have been developed to obtain simultaneously full time-domain calibrated waveforms (from low Frequencies to Microwave frequencies)

La représentation symbolique des masques de circuits intégrés est connue depuis environ quinze ans, mais n'est développée que depuis quelques années. Presque tous les systèmes de CAO développés récemment font usage d'une représentation symbolique des masques de circuits afin de simplifier la conception. Dans cette thèse, un système symbolique hiérarchique de dessin des masques est décrit. Un langage de description et un environnement graphique sont présentés. L'environnement graphique est utilise pour l'édition de cellules et de blocs, hiérarchiquement. Le langage textuel peut être considéré comme le langage cible de tous les outils de synthèse ou de compilation qui sont développés dans le cadre d'un système intégré de CAO VLSI. Une représentation métrique des circuits est donnée, et un "assembleur de silicium" qui permet le dessin hiérarchique de cellules fonctionnelles en accord avec les structures d'interconnexions de base, est décrit. Par un programme Lisp le concepteur définit comment les cellules feuilles doivent être assemblées pour réaliser la fonction désirée. Ainsi des cellules fonctionnelles peuvent être générées, avec une représentation symbolique et une fonctionnalité déterminée.

Nous présentons un support d'exécution pour applications parallèles irrégulières. Par le terme irrégulier nous entendons des applications dont le comportement ne peut pas être prévu indépendamment du problème effectif à résoudre. En conséquence, le calcul d'un «bon» ordonnancement pour de telles applications est impossible. Il est alors nécessaire de permettre l'exécution dynamique et concurrente d'un grand nombre de calculs de grain éventuellement fin, et ce avec un coût minimum pour ne pas grever l'efficacité. L'approche retenue dans le cadre du projet APACHE consiste, pour assurer la portabilité efficace des applications, à exploiter le concept de polyalgorithme et à l'exprimer à l'aide d'une décomposition procédurale parallèle. L'opérateur de base de notre support d'exécution, l'appel de procédure à distance asynchrone, permet d'exprimer une telle décomposition procédurale. Cet opérateur est réalisé par le couplage lâche d'un noyau de multiprogrammation légère et d'un noyau de communication (PVM). Chaque calcul (exécution d'une procédure) est alors réalisé par un fil d'exécution différent. Nous décrivons le modèle de programmation que nous avons retenu, les choix de réalisation et l'implantation effectuée. Nous exposons en particulier le problème du couplage de la progression des calculs et de celle des communications, couplage réalisé à l'aide d'une opération «d'ordonnancement-scrutation». Cette réalisation est ensuite évaluée selon divers critères (portabilité, latence, débit, recouvrement, performances d'une application réelle). Nous présentons en dernier lieu 13 autres supports d'exécution de but semblable: utiliser la multiprogrammation légère pour améliorer le support des applications parallèles de grain variable. Nous tentons en particulier de dégager les grandes lignes de comparaison entre ces exécutifs, et présentons les diverses solutions retenues pour le couplage multiprogrammation légère/communications. Nous terminons par une indication d'un paradigme de programmation plus évolué, extension de la notion de décomposition procédurale parallèle

Présentation d'une infrastructure de représentation de connaissances centrée objet, développée pour la conception, la manipulation et le contrôle de l'intégrité des bases de données des environnements de conception assistée par ordinateur. Cette infrastructure intégré des concepts et des techniques développées dans les domaines des bases de données, de l'intelligence artificielle et des langages de programmation, tels que l'héritage de propriétés , l'attachement procédural et l'emploi de mécanismes d'abstraction