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GDR I NFORMATIQUE GEOMETRIQUE ET GRAPHIQUE, REALITE VIRTUELLE ET VISUALISATION Description sommaire du domaine de recherche Le domaine de recherche couvert par le GdR IG-RV se situe majoritairement en Science Informatique. Les objets « 3D », ou plus généralement les mondes virtuels, sont l’enjeu de la plupart des études du GdR IG-RV qui visent à capturer ou créer les formes géométriques, leurs apparences ou leurs mouvements, pour ensuite offrir des moyens d’interagir avec ces mondes. Cette tâche se caractérise par son extrême complexité, que ce soit pour capturer des éléments du monde réel ou pour créer des mondes virtuels complexes. Pour cela, chaque élément est représenté par des données numériques qui seront traitées, modifiées, analysées ou synthétisées, mais aussi visualisées ou animées, et avec lesquelles l’interaction devra être opérée en temps-réel, afin de fabriquer une réalité de synthèse ou réalité virtuelle. Etat des lieux scientifique Contexte général et grands paradigmes Les capacités de capture de données réelles et de simulation suivant une progression exponentielle, le problème du traitement des gigantesques flots de données 3D qui en résultent devient une priorité de recherche. D’autre part, la création directe de données virtuelles ne peut plus se faire à main, objet par objet, en vue des exigences de complexité des utilisateurs. Faire face à ces défis implique des changements de paradigmes. Les recherches menées par les équipes du GdR IG-RV passent par la conception de nouvelles modélisations informatique, mathématique, physique, etc. de l’objet 3D. Elles prennent désormais en compte l’humain et sa perception pour analyser les informations, en mettant particulièrement à contribution le sens le plus développé de l’homme, en l’occurrence la vue grâce à laquelle nous percevons l’image en 3D. Une des voies les plus prometteuses pour aboutir à de nouveaux algorithmes consiste à concevoir de nouvelles structures de données discrètes, géométriques, topologiques, combinatoires ou évolutionnaires car il s’agit également de prendre en compte la dimension dynamique ou temporelle des environnements 3D. De fortes préoccupations algorithmiques dans les outils développés (complexité, NP- complétude, décidabilité, prédicats géométriques exacts), montre l’ancrage informatique de la communauté. Les groupes de travail Géométrie discrète et Modélisation géométrique du GdR IG-RV, communs avec le GdR Informatique Mathématique, s’intéressent également aux fondements mathématiques de la géométrie différentielle ou algébrique, aux fondements de la topologie combinatoire ou discrète, aux propriétés arithmétiques, aux théories de l’approximation ou à l’optimisation.

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GDR INFORMATIQUE GEOMETRIQUE ET GRAPHIQUE,

REALITE VIRTUELLE ET VISUALISATION

Description sommaire du domaine de recherche Le domaine de recherche couvert par le GdR IG-RV se situe majoritairement en Science Informatique. Les objets « 3D », ou plus généralement les mondes virtuels, sont l’enjeu de la plupart des études du GdR IG-RV qui visent à capturer ou créer les formes géométriques, leurs apparences ou leurs mouvements, pour ensuite offrir des moyens d’interagir avec ces mondes. Cette tâche se caractérise par son extrême complexité, que ce soit pour capturer des éléments du monde réel ou pour créer des mondes virtuels complexes. Pour cela, chaque élément est représenté par des données numériques qui seront traitées, modifiées, analysées ou synthétisées, mais aussi visualisées ou animées, et avec lesquelles l’interaction devra être opérée en temps-réel, afin de fabriquer une réalité de synthèse ou réalité virtuelle.

Etat des lieux scientifique

Contexte général et grands paradigmes

Les capacités de capture de données réelles et de simulation suivant une progression exponentielle, le problème du traitement des gigantesques flots de données 3D qui en résultent devient une priorité de recherche. D’autre part, la création directe de données virtuelles ne peut plus se faire à main, objet par objet, en vue des exigences de complexité des utilisateurs. Faire face à ces défis implique des changements de paradigmes.

Les recherches menées par les équipes du GdR IG-RV passent par la conception de nouvelles modélisations informatique, mathématique, physique, etc. de l’objet 3D. Elles prennent désormais en compte l’humain et sa perception pour analyser les informations, en mettant particulièrement à contribution le sens le plus développé de l’homme, en l’occurrence la vue grâce à laquelle nous percevons l’image en 3D.

Une des voies les plus prometteuses pour aboutir à de nouveaux algorithmes consiste à concevoir de nouvelles structures de données discrètes, géométriques, topologiques, combinatoires ou évolutionnaires car il s’agit également de prendre en compte la dimension dynamique ou temporelle des environnements 3D.

De fortes préoccupations algorithmiques dans les outils développés (complexité, NP-complétude, décidabilité, prédicats géométriques exacts), montre l’ancrage informatique de la communauté.

Les groupes de travail Géométrie discrète et Modélisation géométrique du GdR IG-RV, communs avec le GdR Informatique Mathématique, s’intéressent également aux fondements mathématiques de la géométrie différentielle ou algébrique, aux fondements de la topologie combinatoire ou discrète, aux propriétés arithmétiques, aux théories de l’approximation ou à l’optimisation.

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Les autres groupes de travail du GdR IG-RV, c'est-à-dire les GT Animation et Simulation, le GT Rendu, le GT Visualisation et les deux GT Réalité Virtuelle (Métaphores et interfaces et Perception et usages) valident leurs nouveaux algorithmes, techniques et méthodes en termes de plausibilité visuelle, mais aussi par rapport à des usages, sous l’angle des sciences humaines et sociales ou des sciences cognitives. Des mesures expérimentales permettent de justifier d’une approche en prenant en compte des problématiques aussi bien sociologiques (acceptabilité des nouveaux dispositifs) qu’ergonomiques (utilisabilité), pour dépasser la simple démonstration de faisabilité.

Grandes avancées des 5 dernières années (a ̀ l’international, et en France)

Les avancées de la recherche autour du GdR IG-RV se déclinent autour de « La 3D pour tous » avec la démocratisation des dispositifs d’affichage 3D (consoles de jeux 3D, télévision 3D, cinéma 3D), l’apparition d’outils d’interaction permettant la capture des mouvements à mains nues, voire avec tout le corps (caméras de profondeur), et plus récemment, la création d’objets réels 3D fabriqués grâce aux imprimantes 3D à partir de modèles virtuels. L’un des enjeux sociétaux est aussi de démocratiser l’accès aux contenus numérique 3D, en offrant des méthodes de création accessibles aussi bien aux scientifiques d’autres disciplines qu’au grand public.

Forces et faiblesses de la France dans ce domaine

Forces et fais marquants

Globalement la recherche française en informatique géométrique et graphique, réalité virtuelle et visualisation est de très bon niveau avec une excellente visibilité internationale :

• La communauté française en informatique géométrique et graphique publie régulièrement dans les grandes conférences/journaux au plus haut niveau mondial, notamment Siggraph, Siggraph Asia, Eurographics et Pacific Graphics, qui sont les plus grandes conférences généralistes en informatique graphique (dont les actes sont publiés dans les journaux ACM Transaction on Graphics et Computer Graphics Forum) ainsi que dans les journaux IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG), IEEE Computer Graphics and Applications (CG&A), Graphical Models, et Computers & Graphics. De plus, les conférences spécialisées acceptent chaque année des papiers produits par la communauté française : DGCI, pour la géométrie discrète, SGP, SPM et SMI, pour la modélisation géométrique, SCA et CASA pour l’animation et la simulation, EGSR, NPAR ou HPG, pour le rendu, SBIM et GI pour l’interaction.

• La communauté de la visualisation scientifique, bien que s’étant structurée très

récemment au niveau de la recherche française, publie déjà au plus haut niveau mondial : à noter qu’une des équipes du GdR IG-RV organise à Paris la conférence IEEE VIS’2014.

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• La communauté de la réalité virtuelle a, quant à elle, réussi atteindre le plus haut niveau mondial en publiant régulièrement aux conférences IEEE VR, IEEE VRST ou 3DUI. A noter que dans ce domaine les revues sont en retrait.

Globalement les français ont réussi le pari de l’international en étant invités dans les comités de programme de toutes ces prestigieuses conférences internationales, voir en présidant certains programmes. Rien que sur cette année, EUROGRAPHICS’2014 est organisé à Strasbourg et EGSR est organisé à Lyon, par des équipes du GdR IG-RV. Précédemment SPM’2012 a été organisé à Dijon, et SBIM-NPAR’2012 à Annecy, DGCI’2011 à Nancy et SGP’2010 à Lyon, toujours par des équipes du GdR IG-RV. Le dynamisme de la recherche française est aussi attesté par l’attribution de prestigieuses bourses ERC (European Research Council):

- B. Lévy (LORIA, CNRS, Université de Lorraine & Inria), - S. Lefebvre (LORIA, CNRS, Université de Lorraine & Inria), - P. Alliez (Inria Sophia Antipolis), - MP. Cani (LJK, CNRS, Université de Grenoble, et Inria), - S. Redon (LJK, CNRS, Université de Grenoble, et Inria).

Sur le plan national, toutes nos communautés sont fortement soutenues par l’ANR. Nous sommes au cœur du plan RA (réalité augmentée), l’une des 34 priorités nationales de la DGCIS (Direction Générale de la compétitivité, de l’Industrie et des Services), et participons activement à plusieurs Labex, notamment à Grenoble et à Toulouse. Enfin, le GdR IG-RV a 2 lauréats de médailles du CNRS :

- Médaille de bronze du CNRS en 2009 pour David COEURJOLLY, - Médaille d’argent du CNRS en 2013 pour Marie-Paule CANI.

Notons enfin que le profil français d’étudiants en math/info, notamment dans les grandes écoles, est un excellent vivier pour notre discipline.

Impact sociétal et économique

L’Informatique Géométrique et Graphique, la Réalité Virtuelle et la Visualisation sont des domaines qui ont explosé au cours des 30 dernières années, d’abord dans leurs applications industrielles ou biomédicales, puis dans leurs utilisations sociétales avec la banalisation de la photo numérique, de l’animation 3D, des jeux vidéo et des simulateurs d’apprentissage - avec leurs dispositifs associés de capture des mouvements de l’utilisateur - ou plus généralement de toute l’industrie liée aux loisirs du numérique, aux applications artistiques, culturelles et pédagogiques (héritage culturel). Les applications sont nombreuses : aéronautique, médecine et biologie, énergie, science de matériaux, réseaux sociaux, et jusqu’à la finance pour la visualisation scientifique. L'informatique étant aujourd'hui omniprésente dans les sociétés modernes, être en capacité de comprendre et d'analyser les images ou données numériques ambiantes à la cadence où elles sont produites est un véritable enjeu sociétal.

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Autour des implications économiques de la modélisation géométrique, il faut noter que nous avons en France le leader mondial pour la CAO (Conception Assisté par Ordinateur) avec Dassault Systèmes qui est massivement utilisé dans l’industrie automobile ou aérospatiale. Cette entreprise n’a malheureusement pas une politique de partenariat scientifique, mais elle recrute fortement dans nos formations.

Par contre, les industriels utilisateurs de la CAO (PSA, Airbus, SNCF, EDF) et leurs sous-traitants sont plus ouverts aux partenariats autour de la modélisation géométrique, du rendu et de la réalité virtuelle dont ils sont grands consommateurs, en particulier dans les bureaux d’étude. Par ailleurs, l’industrie du bâtiment, de l’énergie et l’industrie chimique et pharmaceutique intègrent aujourd’hui nos technologies. Les grandes fonctions dans lesquelles ces industriels exploitent la réalité virtuelle sont : la conception, la formation, la prise de décision, la revue de projet, la communication.

Il existe de nombreux partenariats entre les équipes de recherche en animation et en rendu et les studios de jeux vidéo, de production de films et d’effet spéciaux, comme Eden-games, Ubisoft, TeamTO , Buf, et MacGuff. Cette industrie française se maintient d’ailleurs à un niveau particulièrement innovant. Enfin, les chercheurs en rendu ont également des partenariats prometteurs avec les constructeurs de matériels, notamment depuis l’ouverture d’un pôle recherche de nVidia à Paris. Ces partenariats sont particulièrement développés au sein des équipes communes avec Inria, mais pas seulement. Points à améliorer Les partenariats industriels que nous venons de citer pourraient être encore renforcés si les grands industriels français faisaient preuve de davantage d’ouverture, et ne s’impliquaient pas uniquement auprès des équipes Inria ou de celles liées aux écoles d’ingénieurs. D’autre part, les excellents résultats scientifiques en termes d’impact national et international ne doivent pas masquer le manque criant de chercheurs CNRS de notre communauté : ils se limitent en effet à une douzaine de personnes (voir liste jointe), pour une communauté nationale qui se rapproche du millier de personnes, principalement composée d’enseignant-chercheurs. Notons que cette situation était accompagnée jusqu’à récemment par un total manque de visibilité des thèmes du GdR IG-RV au sein de l’ancienne section 07 du CNRS avec l’absence notoire de représentants. Depuis 2013, cette situation s’est nettement améliorée avec un positionnement clair de nos thèmes au sein de la section 07 et avec plusieurs représentants : Mathias PAULIN, Hyewon SEO et Christian GENTIL. Gageons que le CNRS pourra rattraper le retard pris sur le recrutement de chercheurs en informatique géométrique et graphique, réalité virtuelle et visualisation.

Structuration de votre domaine de recherche Presque tous les grands laboratoires d’informatique français ont des activités significatives et des équipes reconnues dans les thèmes du GdR IG-RV. Il existe également de très nombreux petits pôles couvrant l’ensemble du territoire. En effet, pas loin d’une centaine de laboratoires émargent au GdR IG-RV, donc les 2/3 sont des laboratoires CNRS, la plupart étant rattachés à l’INS2i.

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En bleu : les UMR d’INS2i En vert : les EA ou autres statuts La grande majorité des équipes du GdR IG-RV sont uniquement rattachées à ce GdR, à l’exception de la Géométrie discrète et de la Modélisation géométrique qui apparaissent également dans le GdR Informatique Mathématique. Néanmoins la mise en place d’un nouveau GdR en IHM pourrait recouvrir la réalité virtuelle et celle d’un GdR « Big Data » pourrait recouvrir la visualisation. Parmi les organismes partenaires, Inria s’était rapidement positionnée sur les thèmes émergents du numérique 3D, en créant une douzaine d’équipes-projets centrées sur l’informatique graphique et la réalité virtuelle. Ces dernières sont intégrées pour la plupart au sein même des grands laboratoires du CNRS (IRISA, LaBRI, LIFL, LJK, LORIA). Notons que les recrutements Inria sont actuellement au point mort.

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Prospective de votre domaine de recherche Prospective scientifique Les dispositifs de création de contenus 3D et de numérisation font l’objet d’avancées rapides, ouvrant la porte à la création de modèles d’objets 3D encore plus détaillés, en géométrie mais aussi en terme d’aspect de surface. Visualiser des mondes virtuels ou des données complexes pose des problèmes d’accès aux données (qui ne tiennent généralement pas en mémoire) ainsi que de filtrage et de préservation de l’apparence globale. A ces problèmes s’ajoute la gestion de la dynamique temporelle, de surcroît en temps réel. Enfin, le déploiement de dispositifs de réalité virtuelle va être favorisé par la rapide démocratisation des équipements et logiciels à bas couts (Kinect, Oculus Rift, LeapMotion, etc.), et l’essor rapide du marché de la réalité augmentée d’ici la fin de la décennie, notamment dans les domaines de la santé, de l’éducation, du militaire et de l’entreprise (voir le rapport publié par MARKETSANDMARKETS « Augmented Reality & Virtual Reality Market », et l’impact technologique des Google Glasses). Pour accompagner cette évolution rapide, notre communauté doit attaquer en priorité un certain nombre de verrous technologiques et scientifiques :

• La capture rapide et automatique d’environnements 3D réels, dans toute leur complexité.

• La mise en place de méthodes de création intuitive et d’édition rapide de contenus 3D, permettant le prototypage et l’impression de nouveaux objets réels.

• L’extension des méthodes d’édition intuitives aux images de synthèse ou aux vidéos produites, méthodes gommant le clivage traditionnel entre rendu photo-réaliste et rendu expressif et la barrière 2D/3D.

• L’émergence des méthodes d’apprentissage statistique en modélisation géométrique et en animation ; Plus généralement, l’utilisation de données réelles pour mieux contrôler de nouveaux contenus.

• La représentation des connaissances par ontologies, grammaires, et processus fonctionnels, modèles géométrique, topologique, physique, bio-mécanique, ou génétique.

• Le couplage modélisation 3D/rendu d’une part, et analyse/visualisation d’autre part, (fouille visuelle, interactions, visualisation collaborative, adaptation au contexte).

• Le passage à l’échelle pour modéliser, animer et visualiser en temps réel de gros volumes données 3D, parfois incertaines et en flux : modèles hiérarchiques, adaptatifs, réduction de dimension, etc. Unification avec les techniques hors-ligne pour une adaptation automatique à la ressource disponible.

• Le développement de nouveaux périphériques pour l’interaction multimodale, et en particulier gestuelle avec des contenus statiques ou animés, sans nécessité d’instrumentation ou de calibrage préalable.

• la localisation précise outdoor, le contrôle de la latence, l’interaction en situation de mobilité et la co-localisation en temps réel pour la réalité augmentée.

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• Le développement de plateformes Open Source comme DGtal pour la géométrie discrète ou SOFA pour l’animation, et plus généralement le renforcement des aspects “systèmes” (modélisation/modeleur, interopérabilité, etc.).

● L’étude des nouveaux usages, de leurs implications sociologiques et ergonomiques. ● Le renforcement des interactions avec d’autres secteurs de l’informatique d’une part

pour atteindre ces objectifs (BdD, IHM, parallélisme, sciences du raisonnement, etc.), ainsi qu’avec des disciplines pour lesquelles nos nouvelles avancées peuvent conduire à de véritables percées scientifiques : imagerie 3D en médical ou matériaux, micro-tomographie en cristallographie, optique, etc.

Pluridisciplinarité Les thèmes du GdR IG-RV sont pluridisciplinaires par essence. C’est tout d’abord un domaine de l’informatique, avec des travaux sur les structures de données et les algorithmes. De plus, les techniques algorithmiques sont souvent coûteuses et nécessitent de surcroît une conception algorithmique fine et une exploitation optimale du matériel dédié (processeurs graphiques). Mais il faut aussi aller puiser les outils dans les domaines connexes.

L’interaction avec les mathématiques sur les fondements de la géométrie discrète est à favoriser particulièrement car des avancées dans cette direction nécessitent les compétences conjointes informatique et mathématiques. La géométrie discrète est en effet une alternative calculable de la géométrie euclidienne, qui vise néanmoins à en conserver les propriétés.

La modélisation géométrique se fait en lien avec la mécanique et la biomécanique pour les modèles de maillages 3D, et le traitement du signal pour leur compression.

Dans le cas du rendu réaliste, il s’agit de simuler les interactions entre la lumière et la matière et la perception de ce résultat par le système visuel humain. Cela fait donc intervenir les domaines de la physique optique et ondulatoire, des mathématiques appliquées, des techniques de calculs parallèles, des neurosciences et de perception.

La visualisation conduit à une recherche nécessairement pluridisciplinaire car une bonne connaissance de la nature des données et du processus qui les a produites est indispensable, non seulement afin d'en extraire l'information pertinente et d’en proposer une représentation visuelle adéquate mais aussi pour s'assurer que les manipulations qu'elles subissent n'introduisent pas d'artéfacts qui pourraient conduire à une prise de décision erronée. De plus l'exploration visuelle des données est un processus interactif au cours duquel l'utilisateur va affiner la visualisation en parcourant à plusieurs reprises la boucle paramétrage / visualisation / analyse du résultat. L'utilisateur est donc un acteur incontournable du processus de visualisation.

En réalité virtuelle l’utilisateur est également au cœur de la boucle action / perception. Les aspects matériels sont également prépondérants. La réalité virtuelle est donc par nature intrinsèquement interdisciplinaire. En effet, les travaux regroupent plusieurs disciplines : informatique, automatique, robotique, traitement de signal, psychologie, ergonomie, perception. Soutien demandé A l’échelle de la section 07 du CNRS, la communauté du GdR Informatique Géométrique et Graphique, Réalité Virtuelle et Visualisation peut être avantageusement soutenue en relayant sans ambiguïté son positionnement scientifique en informatique (voire parfois en info/ math)

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et non en traitement du signal. En effet, l’image est typiquement l’aboutissement des recherches du GdR IG-RV (via le rendu d’une image de synthèse, à partir d’un modèle numérique 3D), tandis qu’elle est la source de celles en traitement et analyse d’images. Ce positionnement distingue nettement ce domaine de recherche de celui désigné par le mot-clé « image », dans lequel notre communauté ne se retrouve pas. Ainsi, les tentatives de rapprochement avec le GdR ISIS ont été assez peu fructueuses par le passé. Notons cependant que les images étant devenues 3D, des rapprochements voient maintenant le jour, mais ils ne doivent pas masquer la différence intrinsèque entre ces deux domaines de recherche. En particulier, les critères de réussite sont assez différents : dans le secteur du GdR IG-VR, les publications peuvent être plus parcimonieuses, mais elles sont généralement d’excellente qualité, y compris en conférence internationale (5 reviews en double aveugle sur papier complet, et très souvent deux phases de modifications avant publication).