Doctor of Philosophy

dissertationDataflow pipeline models are widely used in visualization systems. Despite recent advancements in parallel architecture, most systems still support only a single CPU or a small collection of CPUs such as a SMP workstation. Even for systems that are specifically tuned towards parallel visualization, their execution models only provide support for data-parallelism while ignoring taskparallelism and pipeline-parallelism. With the recent popularization of machines equipped with multicore CPUs and multi-GPU units, these visualization systems are undoubtedly falling further behind in reaching maximum efficiency. On the other hand, there exist several libraries that can schedule program executions on multiple CPUs and/or multiple GPUs. However, due to differences in executing a task graph and a pipeline along with their APIs being considerably low-level, it still remains a challenge to integrate these run-time libraries into current visualization systems. Thus, there is a need for a redesigned dataflow architecture to fully support and exploit the power of highly parallel machines in large-scale visualization. The new design must be able to schedule executions on heterogeneous platforms while at the same time supporting arbitrarily large datasets through the use of streaming data structures. The primary goal of this dissertation work is to develop a parallel dataflow architecture for streaming large-scale visualizations. The framework includes supports for platforms ranging from multicore processors to clusters consisting of thousands CPUs and GPUs. We achieve this in our system by introducing the notion of Virtual Processing Elements and Task-Oriented Modules along with a highly customizable scheduler that controls the assignment of tasks to elements dynamically. This creates an intuitive way to maintain multiple CPU/GPU kernels yet still provide coherency and synchronization across module executions. We have implemented these techniques into HyperFlow which is made of an API with all basic dataflow constructs described in the dissertation, and a distributed run-time library that can be used to deploy those pipelines on multicore, multi-GPU and cluster-based platforms

A heterogeneous data-based proposal for procedural 3D cities visualization and generalization

Ce projet de thèse est né d'un projet de collaboration entre l'équipe de recherche VORTEX/ Objets visuels: de la réalité à l'expression (maintenant REVA: Réel Expression Vie Artificielle) à l'IRIT : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse d'une part et de professionnels de l'éducation, entreprises et entités publiques d'autre part. Le projet de collaboration SCOLA est essentiellement une plate-forme d'apprentissage en ligne basée sur l'utilisation des jeux sérieux dans les écoles. Il aide les utilisateurs à acquérir et à repérer des compétences prédéfinies. Cette plate-forme offre aux enseignants un nouvel outil flexible qui crée des scénarios liés à la pédagogie et personnalise les dossiers des élèves. Plusieurs contributions ont été attribuées à l'IRIT. L'une d'elles consiste à suggérer une solution pour la création automatique d'environnements 3D, à intégrer au scénario du jeu. Cette solution vise à empêcher les infographistes 3D de modéliser manuellement des environnements 3D détaillés et volumineux, ce qui peut être très coûteux et prendre beaucoup de temps. Diverses applications et prototypes ont été développés pour permettre à l'utilisateur de généraliser et de visualiser son propre monde virtuel principalement à partir d'un ensemble de règles. Par conséquent, il n'existe pas de schéma de représentation unique dans le monde virtuel en raison de l'hétérogénéité et de la diversité de la conception de contenus 3D, en particulier des modèles de ville. Cette contrainte nous a amené à nous appuyer largement dans notre projet sur de vraies données urbaines 3D au lieu de données personnalisées prédéfinies par le concepteur de jeu. Les progrès réalisés en infographie, les capacités de calcul élevées et les technologies Web ont largement révolutionné les techniques de reconstruction et de visualisation des données. Ces techniques sont appliquées dans divers domaines, en commençant par les jeux vidéo, les simulations et en terminant par les films qui utilisent des espaces générés de manière procédurale et des animations de personnages. Bien que les jeux informatiques modernes n'aient pas les mêmes restrictions matérielles et de mémoire que les anciens jeux, la génération procédurale est fréquemment utilisée pour créer des jeux, des cartes, des niveaux, des personnages ou d'autres facettes aléatoires uniques sur chaque jeu. Actuellement, la tendance est déplacée vers les SIG: Systèmes d'Information Géographiques pour créer des mondes urbains, en particulier après leur mise en œuvre réussie dans le monde entier afin de prendre en charge de nombreuses domaines d'applications. Les SIG sont plus particulièrement dédiés à des applications telles que la simulation, la gestion des catastrophes et la planification urbaine, avec une grande utilisation plus ou moins limitée dans les jeux, par exemple le jeu "Minecraft", dont la dernière version propose une cartographie utilisant des villes du monde réel Geodata in Minecraft. L'utilisation des données urbaines existantes devient de plus en plus répandue dans les applications cartographiques pour deux raisons principales: premièrement, elle permet de comprendre le contenu spatial d'objets urbains de manière plus logique et, deuxièmement, elle fournit une plate-forme commune pour intégrer des informations au niveau de la ville provenant de différents environnements ou ressources et les rendre accessibles aux utilisateurs. Un modèle de ville virtuelle en 3D est une représentation numérique de l'espace urbain qui décrit les propriétés géométriques, topologiques, sémantiques et d'apparence de ses composants. En général, un MV3D\footnote{Modèle de Ville en 3D} sert de plate-forme d'intégration pour plusieurs facettes d'un espace d'informations urbain, comme l'a souligné "Batty": "En bref, les nouveaux modèles ne sont pas simplement la géométrie numérique des modèles traditionnels, mais des bases de données à grande échelle pouvant être visualisées en 3D. En tant que tels, ils représentent déjà un moyen de fusionner des données symboliques ou thématiques plus abstraites, même des modèles symboliques, dans ce mode de représentation".This thesis project was born from a collaborative project between the research team VORTEX / Visual objects: from reality to expression (now REVA: Real Expression Artificial Life) at IRIT: Institute of Research in Computer Science Toulouse on the one hand and education professionals, companies and public entities on the other.The SCOLA collaborative project is essentially an online learning platform based on the use of serious games in schools. It helps users to acquire and track predefined skills. This platform provides teachers with a new flexible tool that creates pedagogical scenarios and personalizes student records. Several contributions have been attributed to IRIT. One of these is to suggest a solution for the automatic creation of 3D environments, to integrate into the game scenario. This solution aims to prevent 3D graphic designers from manually modeling detailed and large 3D environments, which can be very expensive and take a lot of time. Various applications and prototypes have been developed to allow the user to generalize and visualize their own virtual world primarily from a set of rules. Therefore, there is no single representation scheme in the virtual world due to the heterogeneity and diversity of 3D content design, especially city models. This constraint has led us to rely heavily on our project on real 3D urban data instead of custom data predefined by the game designer. Advances in computer graphics, high computing capabilities, and Web technologies have revolutionized data reconstruction and visualization techniques. These techniques are applied in a variety of areas, starting with video games, simulations, and ending with movies that use procedurally generated spaces and character animations. Although modern computer games do not have the same hardware and memory restrictions as older games, procedural generation is frequently used to create unique games, cards, levels, characters, or other random facets on each. Currently, the trend is shifting towards GIS : Geographical Information Systems to create urban worlds, especially after their successful implementation around the world to support many areas of applications. GIS are more specifically dedicated to applications such as simulation, disaster management and urban planning, with a great use more or less limited in games, for example the game "Minecraft", the latest version offers a map using real world cities Geodata in Minecraft. The use of existing urban data is becoming more and more widespread in cartographic applications for two main reasons: first, it makes it possible to understand the spatial content of urban objects in a more logical way and, secondly, it provides a common platform to integrate city-level information from different environments or resources and make them available to users. A 3D virtual city model is a digital representation of urban space that describes the geometric, topological, semantic, and appearance properties of its components. In general, an MV3D: 3D City Model serves as an integration platform for many facets of an urban information space, as "Batty" pointed out: "In short, the new models are not just the digital geometry of traditional models, but large-scale databases that can be visualized in 3D. As such, they already represent a way to merge more abstract symbolic or thematic data, even symbolic patterns, into this mode of representation"

Virtual reality based creation of concept model designs for CAD systems

This work introduces a novel method to overcome most of the drawbacks in traditional methods for creating design models. The main innovation is the use of virtual tools to simulate the natural physical environment in which freeform. Design models are created by experienced designers. Namely, the model is created in a virtual environment by carving a work piece with tools that simulate NC milling cutters. Algorithms have been developed to support the approach, in which the design model is created in a Virtual Reality (VR) environment and selection and manipulation of tools can be performed in the virtual space. The desianer\u27s hand movements generate the tool trajectories and they are obtained by recording the position and orientation of a hand mounted motion tracker. Swept volumes of virtual tools are generated from the geometry of the tool and its trajectories. Then Boolean operations are performed on the swept volumes and the initial virtual stock (work piece) to create the design model. Algorithms have been developed as a part of this work to integrate the VR environment with a commercial CAD/CAM system in order to demonstrate the practical applications of the research results. The integrated system provides a much more efficient and easy-to-implement process of freeform model creation than employed in current CAD/CAM software. It could prove to be the prototype for the next-generation CAD/CAM system

Terrain visibility optimization problems

Ankara : The Department of Industrial Engineering and the Institute of Engineering and Sciences of Bilkent University, 2001.Thesis (Master's) -- Bilkent University, 2001.Includes bibliographical references leaves 92-96The Art Gallery Problem is the problem of determining the number of observers necessary to cover an art gallery such that every point is seen by at least one observer. This problem is well known and has a linear time solution for the 2 dimensional case, but little is known about 3-D case. In this thesis, the dominance relationship between vertex guards and point guards is searched and found that a convex polyhedron can be constructed such that it can be covered by some number of point guards which is one third of the number of the vertex guards needed. A new algorithm which tests the visibility of two vertices is constructed for the discrete case. How to compute the visible region of a vertex is shown for the continuous case. Finally, several potential applications of geometric terrain visibility in geographic information systems and coverage problems related with visibility are presented.Düger, İbrahimM.S

Large-Scale Textured 3D Scene Reconstruction

Die Erstellung dreidimensionaler Umgebungsmodelle ist eine fundamentale Aufgabe im Bereich des maschinellen Sehens. Rekonstruktionen sind für eine Reihe von Anwendungen von Nutzen, wie bei der Vermessung, dem Erhalt von Kulturgütern oder der Erstellung virtueller Welten in der Unterhaltungsindustrie. Im Bereich des automatischen Fahrens helfen sie bei der Bewältigung einer Vielzahl an Herausforderungen. Dazu gehören Lokalisierung, das Annotieren großer Datensätze oder die vollautomatische Erstellung von Simulationsszenarien. Die Herausforderung bei der 3D Rekonstruktion ist die gemeinsame Schätzung von Sensorposen und einem Umgebunsmodell. Redundante und potenziell fehlerbehaftete Messungen verschiedener Sensoren müssen in eine gemeinsame Repräsentation der Welt integriert werden, um ein metrisch und photometrisch korrektes Modell zu erhalten. Gleichzeitig muss die Methode effizient Ressourcen nutzen, um Laufzeiten zu erreichen, welche die praktische Nutzung ermöglichen. In dieser Arbeit stellen wir ein Verfahren zur Rekonstruktion vor, das fähig ist, photorealistische 3D Rekonstruktionen großer Areale zu erstellen, die sich über mehrere Kilometer erstrecken. Entfernungsmessungen aus Laserscannern und Stereokamerasystemen werden zusammen mit Hilfe eines volumetrischen Rekonstruktionsverfahrens fusioniert. Ringschlüsse werden erkannt und als zusätzliche Bedingungen eingebracht, um eine global konsistente Karte zu erhalten. Das resultierende Gitternetz wird aus Kamerabildern texturiert, wobei die einzelnen Beobachtungen mit ihrer Güte gewichtet werden. Für eine nahtlose Erscheinung werden die unbekannten Belichtungszeiten und Parameter des optischen Systems mitgeschätzt und die Bilder entsprechend korrigiert. Wir evaluieren unsere Methode auf synthetischen Daten, realen Sensordaten unseres Versuchsfahrzeugs und öffentlich verfügbaren Datensätzen. Wir zeigen qualitative Ergebnisse großer innerstädtischer Bereiche, sowie quantitative Auswertungen der Fahrzeugtrajektorie und der Rekonstruktionsqualität. Zuletzt präsentieren wir mehrere Anwendungen und zeigen somit den Nutzen unserer Methode für Anwendungen im Bereich des automatischen Fahrens

Secure Encoded Instruction Graphs for End-to-End Data Validation in Autonomous Robots

As autonomous robots become increasingly ubiquitous, more attention is being paid to the security of robotic operation. Autonomous robots can be seen as cyber-physical systems that transverse the virtual realm and operate in the human dimension. As a consequence, securing the operation of autonomous robots goes beyond securing data, from sensor input to mission instructions, towards securing the interaction with their environment. There is a lack of research towards methods that would allow a robot to ensure that both its sensors and actuators are operating correctly without external feedback. This paper introduces a robotic mission encoding method that serves as an end-to-end validation framework for autonomous robots. In particular, we put our framework into practice with a proof of concept describing a novel map encoding method that allows robots to navigate an objective environment with almost-zero a priori knowledge of it, and to validate operational instructions. We also demonstrate the applicability of our framework through experiments with real robots for two different map encoding methods. The encoded maps inherit all the advantages of traditional landmark-based navigation, with the addition of cryptographic hashes that enable end-to-end information validation. This end-to-end validation can be applied to virtually any aspect of robotic operation where there is a predefined set of operations or instructions given to the robot

Automated 3D model generation for urban environments [online]

Abstract In this thesis, we present a fast approach to automated generation of textured 3D city models with both high details at ground level and complete coverage for birds-eye view. A ground-based facade model is acquired by driving a vehicle equipped with two 2D laser scanners and a digital camera under normal traffic conditions on public roads. One scanner is mounted horizontally and is used to determine the approximate component of relative motion along the movement of the acquisition vehicle via scan matching; the obtained relative motion estimates are concatenated to form an initial path. Assuming that features such as buildings are visible from both ground-based and airborne view, this initial path is globally corrected by Monte-Carlo Localization techniques using an aerial photograph or a Digital Surface Model as a global map. The second scanner is mounted vertically and is used to capture the 3D shape of the building facades. Applying a series of automated processing steps, a texture-mapped 3D facade model is reconstructed from the vertical laser scans and the camera images. In order to obtain an airborne model containing the roof and terrain shape complementary to the facade model, a Digital Surface Model is created from airborne laser scans, then triangulated, and finally texturemapped with aerial imagery. Finally, the facade model and the airborne model are fused to one single model usable for both walk- and fly-thrus. The developed algorithms are evaluated on a large data set acquired in downtown Berkeley, and the results are shown and discussed

Transmission adaptative de modèles 3D massifs

Avec les progrès de l'édition de modèles 3D et des techniques de reconstruction 3D, de plus en plus de modèles 3D sont disponibles et leur qualité augmente. De plus, le support de la visualisation 3D sur le web s'est standardisé ces dernières années. Un défi majeur est donc de transmettre des modèles massifs à distance et de permettre aux utilisateurs de visualiser et de naviguer dans ces environnements virtuels. Cette thèse porte sur la transmission et l'interaction de contenus 3D et propose trois contributions majeures. Tout d'abord, nous développons une interface de navigation dans une scène 3D avec des signets -- de petits objets virtuels ajoutés à la scène sur lesquels l'utilisateur peut cliquer pour atteindre facilement un emplacement recommandé. Nous décrivons une étude d'utilisateurs où les participants naviguent dans des scènes 3D avec ou sans signets. Nous montrons que les utilisateurs naviguent (et accomplissent une tâche donnée) plus rapidement en utilisant des signets. Cependant, cette navigation plus rapide a un inconvénient sur les performances de la transmission : un utilisateur qui se déplace plus rapidement dans une scène a besoin de capacités de transmission plus élevées afin de bénéficier de la même qualité de service. Cet inconvénient peut être atténué par le fait que les positions des signets sont connues à l'avance : en ordonnant les faces du modèle 3D en fonction de leur visibilité depuis un signet, on optimise la transmission et donc, on diminue la latence lorsque les utilisateurs cliquent sur les signets. Deuxièmement, nous proposons une adaptation du standard de transmission DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP), très utilisé en vidéo, à la transmission de maillages texturés 3D. Pour ce faire, nous divisons la scène en un arbre k-d où chaque cellule correspond à un adaptation set DASH. Chaque cellule est en outre divisée en segments DASH d'un nombre fixe de faces, regroupant des faces de surfaces comparables. Chaque texture est indexée dans son propre adaptation set à différentes résolutions. Toutes les métadonnées (les cellules de l'arbre k-d, les résolutions des textures, etc.) sont référencées dans un fichier XML utilisé par DASH pour indexer le contenu: le MPD (Media Presentation Description). Ainsi, notre framework hérite de la scalabilité offerte par DASH. Nous proposons ensuite des algorithmes capables d'évaluer l'utilité de chaque segment de données en fonction du point de vue du client, et des politiques de transmission qui décident des segments à télécharger. Enfin, nous étudions la mise en place de la transmission et de la navigation 3D sur les appareils mobiles. Nous intégrons des signets dans notre version 3D de DASH et proposons une version améliorée de notre client DASH qui bénéficie des signets. Une étude sur les utilisateurs montre qu'avec notre politique de chargement adaptée aux signets, les signets sont plus susceptibles d'être cliqués, ce qui améliore à la fois la qualité de service et la qualité d'expérience des utilisateur