Institut de Recherche de l’École Navale
EA 3634
BCRM Brest, Lanvéoc-Poulmic, CC 600, 29240 BREST Cedex 9, FRANCE
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base (c.-à-d. le « quadtree »), une carte d’élévation et une texture pour chacun
des nœuds de l’arbre. L’architecture géné...
maillage à la frontière de nœuds voisins dans le « quadtree ». Pour cela, Thanh
Vu LÊ propose une méthode originale de dép...
informatique a été développé en C++ et Java et permet la visualisation
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Pour conclure,
Sur la forme
Le manuscrit présenté par Thanh Vu LÊ est bien structuré et de lecture aisée.
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Rapport de these Thanh Vu LE - Eric SAUX

  1. 1. Institut de Recherche de l’École Navale EA 3634 BCRM Brest, Lanvéoc-Poulmic, CC 600, 29240 BREST Cedex 9, FRANCE Téléphone : +33 (0)2.98.23.41.41 Télécopie : +33 (0)2.98.23.38.57 Site internet : http://www.ecole-navale.fr Rapport de Éric SAUX, Maître de conférences, habilité à diriger des recherches en informatique (École navale), sur le mémoire présenté par Monsieur Thanh Vu LÊ en vue d'obtenir le grade de Docteur de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour Spécialité « Informatique » Le manuscrit présenté par Thanh Vu LÊ s’intitule « Visualisation interactive 3D pour un ensemble de données géographiques de très grande taille ». Le manuscrit est composé de trois chapitres, auxquels s’ajoutent l’introduction et la conclusion générales. La recherche développée s’inscrit dans la problématique générale de la visualisation interactive de modèle numérique de terrain défini à partir d’un nombre important de données (de l’ordre du Tera-octet) que l’on rencontre fréquemment dans les systèmes d’information géographique actuels. De façon plus précise, à partir de données géographiquement référencées, cette recherche propose une méthode de visualisation fondée sur l’interactivité et la qualité du rendu. Dans ce contexte, elle s’intéresse à proposer les meilleures solutions pour répondre à ces deux critères par l’utilisation d’une structure de type « quadtree » pour la représentation des données et par l’optimisation des processus de visualisation pour l’affichage des différents niveaux de détail. Des développements informatiques conséquents accompagnent ces propositions afin de comparer et évaluer la solution privilégiée. Une introduction générale plaisante, faisant notamment référence à la représentation des objets et des terrains au sein des systèmes d’information géographique et à l’évolution matérielle des cartes graphiques, définit les objectifs et la motivation de la recherche ainsi que l’organisation du manuscrit. Le premier chapitre s’intéresse à la visualisation de terrain à différentes résolutions et par conséquent à la gestion des niveaux de détail. Il constitue un état de l’art concernant la problématique générale de la recherche. Dans un premier temps, sont étudiées les principales méthodes de gestion des niveaux de détail dédiées à la visualisation d’images de grande taille. L’organisation des données « raster » repose alors sur des hiérarchies de type « mip mapping », « clip mapping » ou « quadtree ». Dans un second temps, la visualisation de terrain de très grande taille est étudiée plus en détail en s’intéressant, dans une première partie, à la gestion des niveaux de détail des 1/6
  2. 2. données de terrain en mode vecteur et structurées par des clusters de triangles. Dans cette partie est abordée la visualisation continue et statique de données de terrain. L’approche continue repose sur l’utilisation d’une structure hiérarchique (arbre binaire ou « quadtree ») pour l’organisation des primitives graphiques (points, arêtes et triangles) dont la taille croît avec l’évolution des performances des cartes graphiques alors que l’approche statique repose sur un principe hiérarchique identique mais dans lequel la primitive graphique est un maillage appelé « tuile ». Cette dernière exploite pleinement les capacités actuelles des cartes graphiques en matière d’affichage, de puissance de calcul, de mémoire de stockage et de programmation. Dans une seconde partie, l’auteur étudie les méthodes pour optimiser la gestion des données en mémoire puis les méthodes pour améliorer le rendu du terrain. En ce qui concerne la gestion des données en mémoire, l’objectif est d’optimiser la vitesse de transmission des données pour l’affichage. Est tout d’abord étudiée la gestion des données hors mémoire centrale. On retrouve ici l’étude des différentes méthodes de gestion de la mémoire pour une visualisation de terrain construit à partir de tuiles ou d’une triangulation, ce qui fait bien le lien avec la partie précédente. Vient ensuite un exposé des techniques récentes qui exploitent la mémoire cache de la carte graphique afin de limiter les transferts de données entre le CPU et le GPU. Enfin, l’auteur aborde la problématique d’amélioration du rendu du terrain selon trois points : la gestion des jointures entre les blocs de maillage à différentes résolutions, la gestion des transitions entre deux résolutions successives et la gestion de l’illumination. Le problème de la gestion des jointures entre blocs de maillage apparaît essentiellement lors de la gestion des niveaux de détail par une approche statique et non continue. L’auteur montre bien les différents cas possibles de discontinuité (« crack ») et de sommet non relié à des sommets adjacents (entre les différentes résolutions) ainsi que les méthodes permettant de supprimer de tels artefacts. Le problème de la gestion de la transition entre deux résolutions ou « geomorphing » revient à traiter un problème similaire à celui évoqué précédemment. La transition entre deux niveaux de résolution se fait de façon continue par la génération de maillages intermédiaires respectant les conditions de jointure. L’auteur montre bien les différentes techniques utilisées dans le cas de maillages irrégulier, régulier ou semi-régulier. Enfin, les techniques d’illumination statique, par utilisation de texture simulant l’effet d’ombrage, et d’illumination dynamique, par utilisation de cartes de normales (« normal mapping »), sont présentées. Ce chapitre, présentant les grands principes de la visualisation de données spatialisées, est bien structuré, clair et bien rédigé. Il introduit bien la problématique générale de recherche, en s’appuyant sur de nombreuses références bibliographiques. On notera les efforts de l’auteur à synthétiser les différentes méthodes ou techniques présentées et à extraire les avantages et inconvénients de chacune d’entre elles. L’auteur conclut ce chapitre en faisant une bonne synthèse des différentes techniques présentées dans ce chapitre par l’intermédiaire de tableaux comparatifs. Le chapitre deux propose une méthode de rendu interactif de terrain de grande taille, et constitue la contribution majeure du manuscrit. L’auteur restreint son étude au traitement de données de terrain de type « raster ». Les données stockées et associées à ce terrain sont un fichier contenant la structure de 2/6
  3. 3. base (c.-à-d. le « quadtree »), une carte d’élévation et une texture pour chacun des nœuds de l’arbre. L’architecture générale de la méthode est tout d’abord présentée dans sa globalité pour ensuite être détaillée par élément constitutif dans les différentes parties qui composent ce chapitre. Cette architecture est fondée sur une séparation de la gestion des données sur le CPU et l’affichage des blocs de terrain (ou nœud du « quadtree ») sur la carte graphique qui font l’objet de deux parties distinctes. La première partie contribue à améliorer la gestion des données et par conséquent la gestion des niveaux de détail hors mémoire centrale. Les données de terrain « raster » sont modélisées par une structure « quadtree » associée à un « quadtree » d’erreur qui représente l’erreur géométrique en un nœud et son nœud parent correspondant à une version simplifiée du maillage. Ce « quadtree » d’erreur est utilisé pour préserver une précision suffisamment élevée du rendu au niveau des pixels de l’écran. Thanh Vu LÊ démontre bien que la taille d’un tel « quadtree » d’erreur est négligeable vis-à-vis de la quantité des données de terrain. Une opération de marquage des nœuds du « quadtree » (ou niveaux de détail), qui vise à sélectionner les nœuds visibles lors de l’affichage, est ensuite étudiée. Cette sélection est réalisée par l’intermédiaire d’une technique de « frustum culling » et l’application de deux critères de subdivision en fonction de la taille des nœuds et de l’erreur métrique projetées dans l’espace de l’écran pour en déduire une précision au niveau du pixel. L’utilisation de ces critères de subdivision permet d’adapter la résolution du terrain et par conséquent d’optimiser la visualisation en fonction de l’angle de vue, soit la position de la caméra. A l’issue de cette étape de sélection et de la création d’une liste de nœuds marqués (« list_marked_nodes »), les données d’élévations et les textures sont chargées en parallèle depuis la mémoire externe par un « thread ». Afin d’accélérer la vitesse de chargement des données, l’auteur modifie les propriétés de la mémoire cache de type LRU (« Least Recent Used ») afin de mieux exploiter la cohérence spatiale des données présentes dans le « quadtree » : les textures basses résolutions ne sont pas stockées mais calculées. Il en résulte alors un gain de stockage en mémoire. On suppose alors, à l’inverse, des temps de traitement supplémentaires. Cette approche d’optimisation de la mémoire cache est novatrice est constitue un apport majeur dans la méthode proposée. Enfin, du fait que le chargement des données en parallèle ne garantit pas la disponibilité des données pour l’affichage, l’auteur construit une liste cohérente de nœuds (« list_drawable_nodes ») visant à représenter une version simplifiée du terrain. La second partie de ce chapitre contribue à améliorer l’affichage des données et par conséquent la gestion et le traitement des nœuds du « quadtree » au niveau de la carte graphique. Les trois étapes présentées dans le premier chapitre, à savoir i) la gestion des jointures entre les blocs de maillage à différentes résolutions, ii) la gestion de l’illumination et iii) la gestion des transitions entre deux résolutions successives (« geomorphing »), font l’objet d’optimisation. Dans l’étape initiale de transformation des données en 2D vers un maillage continu en 2.5D, les opérations de création du maillage sur la carte graphique et de gestion de jointures entre les blocs de terrain de résolutions différentes sont améliorées. Dans un premier temps, la création du maillage est optimisée par l’utilisation d’une technique proposée par Ignacio Castaño qui consiste à décomposer le terrain en différents sous maillages dont la taille coïncide avec la taille de la mémoire cache de la carte graphique. Dans un second temps, la gestion des jointures est traitée par la modification du 3/6
  4. 4. maillage à la frontière de nœuds voisins dans le « quadtree ». Pour cela, Thanh Vu LÊ propose une méthode originale de déplacement des sommets situés sur le bloc de plus grande résolution, et ne coïncidant pas avec les sommets du bloc de résolution inférieure, vers les sommets voisins les plus proches. La création des arêtes entre sommets de blocs différents introduit la problématique de recherche de voisins dans un « quadtree » qui est résolue par l’utilisation d’un codage binaire pour représenter la localisation des nœuds du « quadtree » (méthode issue de la thèse de Bhattacharya). Même si cette méthode n’altère pas le rendu final, cette solution génère des micro polygones néfastes à des processus d’analyse spatiale ultérieurs. Dans une deuxième étape, l’auteur s’intéresse au processus d’illumination et propose d’augmenter la qualité du rendu par un couplage entre un ombrage statique obtenu à l’aide de textures de même résolution que les cartes d’élévation et un ombrage dynamique. Pour gérer cet ombrage dynamique, l’auteur propose de calculer les vecteurs normaux directement sur la carte graphique afin d’éviter tout stockage. Cette solution a l’avantage de ne pas nécessiter de stockage supplémentaire mais introduit des opérations coûteuses en calcul, ce qui influence les performances d’affichage. Dans une dernière étape, l’auteur aborde le problème du « geomorphing » de terrain composé de différents blocs ayant des résolutions différentes. La proposition faite par l’auteur est de générer un maillage intermédiaire continu entre les blocs puis de déplacer les coordonnées de hauteur. Dans un premier temps, l’auteur utilise la technique de gestion de jointure précédemment proposée pour assurer la continuité du maillage en 2D. Dans un second temps, le processus de « geomorphing » modifie la troisième coordonnée (c.-à-d. l’élévation) pour déplacer les maillages intermédiaires. Ces derniers sont générés sur le « vertex shader » en modifiant seulement la valeur d’élévation grâce aux coefficients de morphose. Thanh Vu LÊ propose l’application de coefficients de morphose différents sur les sommets intérieurs du maillage et sur les sommets frontières afin de lisser les élévations entre les blocs. Enfin, une solution d’implémentation sur carte graphique est proposée. Ce chapitre est très intéressant, la solution proposée visant à optimiser l’interactivité et le rendu de terrain de grande taille m’apparaît pertinente, solide et originale. Elle me semble constituer une contribution significative pour le domaine considéré. J’ai été assez séduit par l’architecture globale pour traiter cette problématique et par les méthodes proposées afin de garantir un certain degré de précision du terrain et d’assurer la jointure entre les blocs de terrain. Même si certaines propositions (notamment sur le « geomorphing ») pourraient être mieux explicitées, la démarche scientifique est intéressante et justifiée. Thanh Vu LÊ propose des solutions en accord avec son objectif initial, à savoir optimiser la mémoire et la vitesse d’affichage. Comme le souligne l’auteur, cette orientation tend parfois à dégrader les maillages avec l’apparition de triangles « non homogènes ». Il me semble que certains critères spatiaux sur la morphologie du terrain, toujours très importants dans les processus de traitement et d’analyse de données spatiales présents dans les systèmes d’information géographique, auraient pu être d’avantage abordés et peut être même exploités à des fins d’optimisation de la visualisation. Le chapitre trois du manuscrit s’intéresse à l’implémentation et à l’évaluation des performances de la solution proposée au chapitre deux. Un prototype 4/6
  5. 5. informatique a été développé en C++ et Java et permet la visualisation interactive de données de terrain de grande taille à partir des choix techniques proposés par l’auteur. La première partie de ce chapitre résume ces choix et présente la structure informatique du prototype, alors que la seconde est dédiée à l’évaluation des performances d’affichage. Initialement, un critère fondé sur le nombre de triangles affichés par seconde positionne la méthode par rapport à certaines techniques exposées dans le premier chapitre. La méthode est comparée favorablement à la méthode de Dick et Al., fondée sur des triangulations, et aux techniques de lancer de rayon. A l’inverse, la méthode est moins performante en vitesse d’affichage vis-à-vis des méthodes de type « geometry clipmaps » utilisant ou non une structure « quadtree » pour gérer les niveaux de détail mais offre des performances supérieures en précision géométrique grâce à son mécanisme de gestion des erreurs. Enfin, l’auteur se restreint à la méthode qu’il propose et quantifie l’influence des différents paramètres sur les performances d’affichage. A partir de jeux de données de dimensions, précisions et morphologies différentes, plusieurs mesures permettent de caractériser l’influence de la résolution du terrain, de la résolution de l’écran d’affichage, de l’erreur géométrique ainsi que l’impact de l’opération de « geomorphing ». Ce chapitre complète bien les chapitres précédents et en est une suite logique. J’ai particulièrement apprécié l’évaluation à deux niveaux, avec une étude comparative de la solution proposée par rapport à différentes techniques détaillées dans le premier chapitre, puis une étude sur la sensibilité des différents paramètres intrinsèques à la méthode. Les résultats, illustrés par des graphiques, sont bien interprétés et commentés par l’auteur qui montre ici une bonne connaissance scientifique. Ces résultats expérimentaux pourraient être complétés par une étude plus fine des différents processus, notamment l’influence des techniques de jointure et d’illumination proposées. Enfin, et en se plaçant du côté des sciences de l’information géographique, des critères liés à l’analyse spatiale de terrain auraient pu être mis en place afin de montrer l’intérêt de l’approche pour le traitement de données spatiales, notamment à partir de la gestion originale des erreurs mise en place dans cette recherche. L’évaluation proposée dans ce chapitre est rendue possible grâce à une mise en œuvre informatique conséquente, intégrant de façon judicieuse, divers outils et bibliothèques logiciels. Enfin, Thanh Vu LÊ conclut son manuscrit en faisant tout d’abord un bilan synthétique de son travail de recherche. Ensuite, il présente trois extensions possibles à ses travaux : i) la représentation d’un même terrain à partir de plusieurs « quadtrees » pour en optimiser le parcours, ii) la gestion de plusieurs profils de terrain pour des applications en géophysique avec des objectifs d’optimisation du rendu à partir de tests d’occlusion et iii) la visualisation de données vectorielles thématiques sur modèle numérique de terrain. Ces extensions, qui m’apparaissent judicieuses, sont bien argumentées, notamment la dernière qui fait l’objet d’une étude plus approfondie et débouche sur des propositions de visualisation de données de type ligne et polygone. Même si le choix de travailler avec des grilles régulières n’est pas remis en cause du fait des objectifs de cette recherche, les « Triangulated Irregular Networks » auraient pu faire l’objet d’une discussion voire peut-être de perspectives. 5/6
  6. 6. Pour conclure, Sur la forme Le manuscrit présenté par Thanh Vu LÊ est bien structuré et de lecture aisée. Le fil directeur est clair, la bibliographie m’apparaît pertinente. De nombreux schémas illustrent le texte et contribuent à sa bonne compréhension. Sur le fond La recherche réalisée par Thanh Vu LÊ m’apparaît très originale et de grande qualité. Ses contributions m’apparaissent originales et significatives pour le domaine de l’informatique. Ces contributions sont de plus accompagnées d’une mise en œuvre informatique conséquente, contribuant à les intégrer et à les valider. Les extensions possibles, évoquées en conclusion, m’apparaissent toutes judicieuses et démontrent de la maîtrise et du recul que Thanh Vu LÊ a sur son travail de recherche. Pour toutes ses raisons, je donne un avis très favorable à la soutenance de ce mémoire, en vue d'obtenir le grade de Docteur de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, Spécialité « Informatique ». Lanvéoc-Poulmic le 26 mai 2011, Éric SAUX Maître de conférences, habilité à diriger des recherches (27e section) Téléphone : +33 (0)2 98 23 38 64 Télécopie : +33 (0)2 98 23 38 57 Courriel : eric.saux@ecole-navale.fr 6/6

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