1. Institut de Recherche de l’École Navale
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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
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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
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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
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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
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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.
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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)
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