Test aléatoire de la navigation de robots dans des mondes virtuels

Un des défis majeurs pour le déploiement de systèmes autonomes dans des environnements variés, non structurés et à proximité de l'homme, est d'établir la confiance entre ces systèmes et leurs utilisateurs. En effet, les fautes internes du système, les incertitudes sur la perception, ou encore les situations non prévues, sont des menaces importantes qui pèsent sur cette confiance. Nos travaux se concentrent sur les robots autonomes qui font partis des systèmes autonomes. La validation du logiciel de navigation embarqué dans les robots est généralement centrée sur des tests sur le terrain, qui sont coûteux et potentiellement risqués pour le robot lui-même ou son environnement. De plus, il n'est possible de tester le système que dans un sous-ensemble restreint de situations. Une approche alternative consiste à effectuer des tests basés sur la simulation en immergeant le logiciel dans des mondes virtuels. L'objectif de cette thèse est d'étudier les possibilités et les limites qu'offre le test en simulation du logiciel embarqué dans les systèmes autonomes. Nos travaux traitent particulièrement du test en simulation de la couche de navigation de systèmes autonomes mobiles. Le premier chapitre présente les contextes de la sûreté de fonctionnement, des systèmes autonomes et de leur test, de la simulation et de la génération procédurale de mondes. Les problématiques liées au test des systèmes autonomes en simulation, telles que la définition et la génération des entrées ainsi que l'expression de l'oracle, sont identifiées et discutées. La génération procédurale de mondes utilisée dans les jeux vidéos est retenue comme piste pour répondre au problème de la générations des entrées de test (mondes et missions). Une première contribution est proposée dans le 2ème chapitre qui s'appuie sur la définition et l'implémentation d'une première plateforme expérimentale de test en simulation avec un robot mobile. Le logiciel de navigation utilisé est intégré dans le framework Genom et testé avec le simulateur MORSE. À travers cette expérimentation, des premières conclusions sont établies sur la pertinence de la génération procédurale de mondes, et sur l'oracle à considérer. Des mesures comme la tortuosité ou l'indéterminisme de la navigation sont définies. Ce premier travail mène également à proposer une approche permettant de définir des niveaux de difficulté de mondes. L'objectif du 3ème chapitre est d'identifier si les fautes connues et corrigées dans un logiciel de navigation auraient pu être détectées via la simulation. Près de 10 ans de commits du logiciel de navigation (dont le module P3D qui est une version académique d'un planificateur de trajectoire utilisé par la NASA) ont été ainsi analysés. Chaque faute relevée est étudiée pour déterminer si elle serait activable en simulation, et l'oracle nécessaire pour la détecter. De nombreuses recommandations sont extraites de cette étude, notamment sur les propriétés de l'oracle à mettre en place pour ce genre de système. Dans le quatrième chapitre, les enseignements tirés des deux chapitres précédents sont mis en œuvre dans une étude de cas d'un robot industriel. Le système considéré, fourni par notre partenaire industriel Naïo est celui du robot agricole bineur Oz. Les conclusions des chapitres précédents concernant la génération de monde et les oracles nécessaires sont validées par une campagne de test intensifs en simulation.One of the major challenges for the deployment of autonomous systems in diverse, unstructured and human shared environments, is the trust that can be placed in those systems. Indeed, internal faults in those systems, uncertainties on the perception, or even unforeseen situations, threat this confidence. Our work focus in autonomous robots, which are part of autonomous systems. The validation of the navigation software embedded in robots typically involves test campaigns in the field, which are expensive and potentially risky for the robot itself or its environment. These tests are able to test the system only in a small subset of situations. An alternative is to perform simulation-based testing, by immersing the software in virtual worlds. The aim of this thesis is to study the possibilities and limits offered by simulation-based testing of embedded software in autonomous systems. Our work deals particularly with simulation-based testing of the navigation layer of autonomous mobile robots. The first chapter introduce the contexts of dependability, autonomous systems and their testing, simulation and procedural generation of worlds. We identify and discuss the issues related to autonomous systems simulation-based testing, such as the definition and generation of inputs as well as the oracle. The procedural generation of worlds used in video games is retained as a way to answer the problem of the generation of test inputs (worlds and missions). A first contribution is presented in the second chapter, which is based on the definition and implementation of a first experimental simulation-based testing framework with a mobile robot. The navigation software used is integrated into the Genom framework and tested with the MORSE simulator. Through this experiment, first conclusions are drawn on the relevance of the procedural generation of worlds, and on the oracle to be considered. Measures such as tortuousness or indeterminism of navigation are defined. This first work also leads to propose an approach to define levels of difficulty of worlds. The purpose of the third chapter is to identify whether faults known and corrected in a academic navigation software could have been detected through simulation-based testing. Nearly 10 years of commits of the navigation software (including the P3D module which is an academic version of a trajectory planner used by NASA) were thus analyzed. Each fault detected is studied to determine the oracle necessary to detect it whether it could be activated in simulation. Many recommendations are extracted from this study, especially on the properties of the oracle to set up for this type of system. In the fourth chapter, lessons learned from the previous two chapters are implemented for the case of an industrial robot. The considered system, provided by our industrial partner Naïo is the agricultural robot Oz. The conclusions of the preceding chapters regarding the world generation and the oracles are validated by an intensive test campaign in simulation

Représentation, modélisation et génération procédurale de terrains

Slides disponiblesSoutenance oral (présentation + questions) disponible sur demandeThis PhD (entitled "Representation, modelisation and procedural generation of terrains") is related to movie and videogames digital content creation, especially natural scenes.Our work is dedicated to handle and to generate landscapes efficently. We propose a new model based on a construction tree inside which the user can handle parts of the terrain intuitively. We also present techniques to efficently visualize such model. Finally, we present a new algorithm for generating large-scale terrains exhibiting hierarchical structures based on their hydrographic networks: elevation is generated in a broad compliance to water-tansport principles without having to resort on costly hydraulic simulations.Cette thèse (qui a pour intitulé "Représentation, modélisation et génération procédurale de terrains") a pour cadre la génération de contenus numériques destinés aux films et aux jeux-vidéos, en particulier les scènes naturelles.Nos travaux visent à représenter et à générer des terrains. Nous proposons, en particulier, un nouveau modèle de représentation qui s'appuie sur un arbre de construction et qui va permettre à l'utilisateur de manipuler des morceaux de terrain de façon intuitive. Nous présentons également des techniques pour visualiser ce modèle avec un maximum d'efficacité. Enfin nous développons un nouvel algorithme de génération de terrains qui construit de très grands reliefs possédant des structures hiérarchiques découlant d'un réseau hydrographique : le relief généré est conforme aux grands principes d'écoulement des eaux sans avoir besoin d'utiliser de coûteuses simulations d'érosion hydrique

Génération automatique d'environnements virtuels urbains complexes

L'essor des technologies numériques constitue pour les entreprises de la construction, bâtiment et Travaux Publics (BTP), un enjeu majeur. La maquette numérique, par exemple, procure à tous les acteurs d'un chantier une visibilité en temps réel des différents aspects mis en jeux. Dans de nombreux domaines, il est donc nécessaire de modéliser en 3D des immeubles, des bâtiments industriels, des ensembles immobiliers, des villes ... Le BIM (Building Information Modeling, ou building information model, en français modélisation des données du bâtiment) est un ensemble de technologies et de processus d'intégration, de production, de gestion et de visualisation de données des modèles de construction du BTP. Plusieurs voies existent pour éviter aux concepteurs en architecture, aux urbanistes ou aux graphistes de fastidieuses opérations manuelles pour la création de ces environnements, des techniques de génération automatique ont été développées en complément (ou en substitution) des logiciels de modélisation et de conception assistée par ordinateur (CAO) qu'ils utilisent pour créer ces environnement virtuels. De nombreux systèmes procèdent à la génération de ces environnements 3D à partir du monde réel : les scanners 3D ou les prises de vue stéréoscopiques permettent en effet de reconstruire des objets, des bâtiments et des environnements 3D à partit des données géométriques et photométriques acquises. Dans un autre approche, les techniques de modélisation procédurales permettent de générer automatiquement des environnements 3D complexes en utilisant des déclarations de propriétés ou de contraintes issues de règles métier et des techniques issues de la Vie Artificielle. Les données issues de ces systèmes d'acquisition ou de génération peuvent être enregistrés et gérées dans les systèmes d'informations géographiques et les logiciels de cartographie ou dans une suite logicielle BIM. Les données de ces applications informatiques et les métadonnées associées qu'ils contiennent sont également exploitables pour générer ou modifier les environnements 3D. Parmi toutes les méthodes procédurales qui ont été utilisées pour aborder la question, les grammaires de formes sont particulièrement efficaces face au problème d'encodage des connaissances sur les formes et leur reproduction. Le but de la thèse est de générer des environnements urbains en 3D incluant des données issues de l'existant et de nouveaux édifices à travers l'utilisation des grammaires de formes. En partant d'une interface graphique, de données géographiques et de descripteurs, le but est de générer les règles encodant les informations d'apparence des bâtiments de manière semi-automatique. A l'issue de ce processus, un fichier BIM de ces bâtiments au format standard IFC pourra être généré.The development of digital technologies is a major challenge for construction, construction and public works (BTP) companies. The digital model, for example, gives all the actors of a construction site a real-time visibility of the different aspects involved. In many areas, it is therefore necessary to model in 3D buildings, industrial buildings, buildings, cities ... The BIM (building information modeling, or building information model) is a set Technologies and processes for the integration, production, management and visualization of data from construction models of construction. Several avenues exist to prevent architectural designers, town planners or graphic designers to do the tedious manual operations of creating these environments, automatic generation techniques have been developed in addition (or in substitution) to software for modeling and Computer Assisted Design (CAD) they use to create these virtual environments. Many systems generate these 3D environments from the real world: 3D scanners or stereoscopic shots allow reconstructing 3D objects, buildings and environments from acquired geometric and photometric data. In another approach, procedural modeling techniques can automatically generate complex 3D environments using property declarations or constraints derived from rules and techniques derived from Artificial Life. Data from these acquisition or generation systems can be stored and managed in geographic information systems and mapping software or in a BIM software suite. The data of these computer applications and the associated metadata they contain can also be used to generate or modify 3D environments. Among all the procedural methods that have been used to address the issue, shape grammars are particularly effective when it comes to dealing with the problem of encoding knowledge about patterns and their reproduction. The aim of the thesis is to generate 3D urban environments using data from existing and new buildings through the use of shape grammars. Starting from a graphical interface, geographic data and eventually descriptors, the goal of the thesis is to semi-automatically generate the ruleset encoding the appearance information of these buildings. At the end of this process, a BIM file of these buildings in the IFC standard format can be generated

Modélisation procédurale de mondes virtuels par pavage d'occultation

Demonstration videos can be found on fr.linkedin.com/in/doriangomez/Cette thèse porte sur la modélisation procédurale de mondes virtuels étendus dans le domaine de l’informatique graphique. Nous proposons d’exploiter les propriétés de visibilité entre régions élémentaires de la scène, que nous appelons tuiles, pour contrôler sa construction par pavage rectangulaire. Deux objectifs distincts sont visés par nos travaux : (1) fournir aux infographistes un moyen efficace pour générer du contenu 3D pour ces scènes virtuelles de très grande taille, et (2) garantir, dès la création du monde, des performances de rendu et de visualisation efficace. Pour cela, nous proposons plusieurs méthodes de détermination de la visibilité en 2D et en 3D. Ces méthodes permettent l’évaluation d’ensembles potentiellement visibles (PVS) en temps interactif ou en temps réel. Elles sont basées sur les calculs de lignes séparatrices et de lignes de support des objets, mais aussi sur l’organisation hiérarchique des objets associés aux tuiles. La première technique (2D) garantit l’occultation complète du champ visuel à partir d’une distance fixe, spécifiée par le concepteur de la scène, depuis n’importe quel endroit sur le pavage. La seconde permet d’estimer et de localiser les tuiles où se propage la visibilité, et de construire le monde en conséquence. Afin de pouvoir générer des mondes variés, nous présentons ensuite l’extension de cette dernière méthode à la 3D. Enfin, nous proposons deux méthodes d’optimisation du placement des objets sur les tuiles permettant d’améliorer leurs propriétés d’occultation et leurs impacts sur les performances de rendu tout en conservant l’atmosphère créée par l’infographiste par ses choix de placement initiaux.This thesis deals with procedural modeling applied to extended worlds for computer graphics.We study visibility applied to tiling patterns, aiming at two distinct objectives : (1) providing artists with efficient tools to generate 3D content for very extended virtual scenes, and (2) guaranteeing that this content improves performance of subsequent renderings, during its construction. We propose several methods for 2D and 3D visibility determination, in order to achieve interactive or real-time evaluation of potentially visible sets (PVS). They are based on the concepts of separating and supporting lines/planes, as well as objects hierarchies over tiles. Our first 2D method guarantees full occlusion of the visual field (view frustum) beyond a fixed distance, regardless of the observer’s location on a tiling. The second method enables fast estimation and localization of visible tiles, and builds up a virtual world accordingly. We also extend this method to 3D. Finally, we present two methods to optimize objects locations on tiles, and show how to improve rendering performance for scenes generated on the fly

Une ville n’est pas un jeu

Les jeux vidéo sont devenus un média incontournable. Les simulations de développement urbain appelées city-builders permettant la modélisation de villes de plus en plus sophistiquées figurent parmi les plus populaires. De nombreuses critiques quant à leur vision de l’urbanisme ont toujours été formulées. Ces critiques entrent en résonance avec différentes craintes liées au développement des villes intelligentes. Ce concept promulgue une conception des villes basée sur un usage intensif des technologies de l’information et de la communication. Encourageant activement une hybridation entre informations numériques et monde physique, sa conception dévoile un grand nombre d’enjeux clés pour concilier développement durable et qualité de vie urbaine grâce à une meilleure gestion des infrastructures et ressources naturelles. Les villes intelligentes et jeux de simulation urbaine sont néanmoins souvent accusés de partager une vision stéréotypée et uniforme du développement urbain ainsi qu’un certain mépris de l’individu. Les algorithmes sur lesquels ces deux domaines sont basés dégagent une image absolue et optimisée mais peuvent s’avérer injustes et biaisés lorsque leurs processus sont opaques. Les travaux récents sur les city-builders et villes intelligentes insistent séparément sur ces critiques analogues. Cet article souhaite mettre en valeur les liens étroits que ces deux domaines entretiennent, décrire les sources d’inspirations et le développement des city-builders avant de les confronter aux ambitions des villes intelligentes et de conclure sur les similitudes des craintes et critiques soulevées par les deux domaines.Video games have become an essential media. Urban development simulations called city-builders designed to model more and more sophisticated cities are amongst the most popular. Many put forward strong criticism concerning their vision of urbanism. These criticisms echoes various fears related to the development of smart cities. This concept promulgates a conception of cities based on intensive use of information and communication technologies. Actively promoting a convergence between digital information and the physical world, its design reveals a large number of key issues to reconcile sustainable development and urban quality of life through better management of infrastructure and natural resources. However, the smart cities and city-builders are often accused of sharing a stereotyped and uniform vision of urban development as well as a certain disregard of the individual. The algorithms on which these two domains are based reflect an absolute and optimized image but may be unfair and skewed when their processes are opaque. Recent work on city-builders and smart cities emphasizes these similar critiques separately. This article aims to highlight the close ties between these two fields, to describe the sources of inspiration and the development of city-builders then to confront them to the ambitions of smart cities and to conclude about the similarities of the fears and criticisms raised by both fields

Focus sur les dispositifs biorésorbables dans la revascularisation de la maladie coronarienne

Les progrès en cardiologie interventionnelle ont permis d’améliorer la prise en charge symptomatique des patients, et d’assurer un avantage de survie dans plusieurs situations cliniques. Bien que le tuteur métallique permanent à élution médicamenteuse de deuxième génération soit le standard de la pratique en angioplastie coronarienne avec le meilleur rapport risque-bénéfice, plusieurs défis restent à surmonter avec ce dispositif. Dans cette visée, les tuteurs biorésorbables sont un concept très prometteur pour la communauté médicale, avec l’espoir de réduire les répercussions négatives à long terme de l’installation des stents permanents dans le territoire coronarien. De la pathophysiologie de la maladie coronarienne athérosclérotique aux différents moyens – pharmacologiques et interventionnels – de sa prise en charge, ce mémoire parcourra l’historique du développement de l’intervention coronarienne percutanée depuis sa naissance jusqu’à ce jour. Un focus sera accordé aux tuteurs biorésorbables (notamment le dispositif ABSORB) faisant l’objet des récents registres et études cliniques randomisées. Malgré les résultats montrant un taux de thrombose intra-stent et un taux d’échec de lésion cible plus importants avec le tuteur ABSORB comparativement au stent à élution médicamenteuse standard, les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire visent à projeter une nouvelle perspective sur l’avenir de la technologie des tuteurs biorésorbables. Notre registre REABSORB, une étude de cohorte en temps réel de patients canadiens avec suivi extensif jusqu’à 4 ans, a permis de démontrer un avantage considérable de la technique procédurale afin de réduire les événements cardiaques adverses majeurs. Pour leur part, les caractéristiques cliniques et lésionnelles ne se sont pas avérées des prédicteurs d’événements cardiaques dans notre étude. Finalement, d’autres dispositifs biorésorbables seront discutés, notamment ceux à base d’alliage métallique, qui sembleraient très prometteurs pour réduire le taux de thrombose intra-stent, tout en offrant l’avantage d’une résorption complète à long terme tel qu’attendu de la technologie des tuteurs biorésorbables.Advances in interventional cardiology have led to improved symptomatic management of patients and survival in several clinical situations. Although the second-generation permanent drug-eluting metal stent is the standard for coronary angioplasty practice with the best risk to benefit ratio, several challenges remain to be overcome with this device. In this regard, bioresorbable stents are a very promising option for the medical community, with the hope of reducing the long-term negative impact of installing permanent stents in the coronary territory. From the pathophysiology of coronary artery disease to the various management and treatment options, both pharmacological and interventional, this thesis will review the development of percutaneous coronary intervention from its birth to the present day. A focus will be given to bioresorbable stents (in particular the ABSORB device) which are extensively studied in recent registries and randomized clinical trials. Despite the results showing a higher intra-stent thrombosis rate and a higher target lesion failure rate with the ABSORB stent compared to the standard drug-eluting stent, the work done in this thesis aims to project a new perspective on the future of bioresorbable stents technology. Our REABSORB registry, a real-time cohort study of Canadian patients with an extensive follow-up of up to 4 years, has demonstrated a considerable advantage of implantation techniques to reduce major adverse cardiac events. Clinical and lesional features were not predictors of cardiac events in our study. Finally, other bioresorbable devices will be discussed, including those based on metal alloy, which seem very promising in order to reduce the rate of intrastent thrombosis, while offering the advantage of complete long-term resorption such as expected from bioresorbable stents

Représentations cartographiques intermédiaires : comment covisualiser une carte et une orthophotographie pour naviguer entre abstraction et réalisme ?

Two representations of the territory are widely provided simultaneously to the user through interactive tools (such as magnifiers, sliders or swipes): topographic maps and orthoimages. They provide complementary visions of the territory because of abstraction steps used to design maps and the intrisic perceived photorealism power of orthoimages. Aiming at providing efficient covisualizations of these two representations to the user, we advise not to search for an ideal graphic mix, but to produce a cartographic continuum composed of in-between representations mixing topographic data and orthoimagery. Our objective is to provide interactive tools allowing to choose an intermediate step within the continuum by controling the realism and abstraction levels. Our approach is based on three principles: first, the need for local adaptation of vector data symbolisation to preserve their readability, second, the call for graphic transitions to establish a continuity through in-between cartographic representations, and third the required control over realism level in order to ensure a visual consistency of hybrid visualisations. We provide elementary symbolisation methods to be combined in a global design process. The first one aims at interpolating SLD symbolisation parameters such as color, opacity or texturing between two symbolisations. The second one aims at defining a local symbolisation depending on the graphic context of objects to be highlighted. Those symbolisations are combined for each theme and synchronized for all themes. For these design steps, we provide guidelines based on the evaluation of the realism level coming from our user test. Finally we build a prototype software allowing to test our propositions and browse in-between representations from abstraction to realism through an interactive sliderDeux représentations du territoire sont majoritairement proposées pour être covisualisées de multiples façons (loupe, curseurs, vues asservies, etc.) : la carte topographique et l'orthophotographie. Ces deux représentations apportent une vision complémentaire du territoire : la carte topographique est l'archétype même de l'abstraction et l'orthophotographie renvoie une perception réaliste du territoire. Pour permettre à l'utilisateur de covisualiser ces deux types de représentations, nous préconisons de ne pas chercher un mélange graphique idéal mais plutôt de produire un continuum cartographique formé d'un ensemble continu de représentations intermédiaires mixant données topographiques et orthophotographie. Notre objectif est de permettre à l'utilisateur de choisir sa position entre les deux extrémités en contrôlant le degré de réalisme et d'abstraction tout au long du continuum. Notre approche se fonde sur la nécessité d'adaptation locale de la symbolisation des données topographiques pour assurer la lisibilité de chaque représentation intermédiaire, la création de transitions graphiques pour établir une continuité entre ces représentations, et la synchronisation des symbolisations visant à garantir une homogénéité visuelle de ces représentations mixtes. Nous proposons une méthode de conception reposant sur la combinaison de briques de symbolisation élémentaires. Le premier type de brique consiste à interpoler les paramètres de symbolisation de la norme SLD tels que la couleur, la transparence ou la texture (procédurale, naturelle, ou mixée) entre deux symbolisations données. Le second type de brique analyse le contexte graphique des objets à mettre en valeur afin de déterminer localement une symbolisation adaptée et lisible. Ces briques sont combinées pour chaque thème et coordonnées entre les différents thèmes. Nous émettons des préconisations de paramétrage de ces étapes de conception à partir des résultats de notre test utilisateur visant à estimer le degré de réalisme et d'abstraction des symbolisations cartographiques. Enfin, nous mettons en œuvre cette méthode de conception au sein de la plateforme de recherche GeOxygene sous la forme d'un outil permettant de naviguer dans un continuum cartographique entre réalisme et abstractio

Développement de cours pour un environnement distribué de formation à distance

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Savoir et savoir-faire : La connaissance pratique entre intellectualisme et anti-intellectualisme

A PhD thesis about knowing how. I adopt an hybrid position between intellectualism and anti-intellectualism

Un modèle de représentation des connaissances à trois niveaux de sémantique pour les systèmes tutoriels intelligents

Ce mémoire s'inscrit dans le cadre du projet ASTUS qui vise le développement d'un système tutoriel intelligent ( STI ). Les connaissances sont un élément crucial pour ces systèmes, car elles constituent le langage commun entre les différents modules. Le mémoire propose un modèle original de représentation des connaissances pour les STI qui tire profit de trois approches prometteuses: la représentation psychologique et didactique, la représentation logique et ontologique des logiques de description, et la notion d'objet d'apprentissage utilisée dans le domaine de la formation en ligne. De cette combinaison, résulte un modèle novateur avec des caractéristiques avantageuses, qui établira un fondement solide pour le système en développement