Conceptual design of shapes by reusing existing heterogeneous shape data through a multi-layered shape description model and for VR applications - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2015

Conceptual design of shapes by reusing existing heterogeneous shape data through a multi-layered shape description model and for VR applications

Design conceptuel de formes par exploitation de données hétérogènes au sein d’un modèle de description de forme multi-niveaux et pour des applications de RV

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Abstract

Due to the great advances in acquisition devices and modeling tools, a huge amount of digital data (e.g. images, videos, 3D models) is becoming now available in various application domains. In particular, virtual envi-ronments make use of those digital data allowing more attractive and more effectual communication and simula-tion of real or not (yet) existing environments and objects. Despite those innovations, the design of application-oriented virtual environment still results from a long and tedious iterative modeling and modification process that involves several actors (e.g. experts of the domain, 3D modelers and VR programmers, designers or communica-tions/marketing experts). Depending of the targeted application, the number and the profiles of the involved actors may change. Today's limitations and difficulties are mainly due to the fact there exists no strong relationships between the expert of the domain with creative ideas, the digitally skilled actors, the tools and the shape models taking part to the virtual environment development process. Actually, existing tools mainly focus on the detailed geometric definition of the shapes and are not suitable to effectively support creativity and innovation, which are considered as key elements for successful products and applications. In addition, the huge amount of available digital data is not fully exploited. Clearly, those data could be used as a source of inspiration for new solutions, being innovative ideas frequently coming from the (unforeseen) combination of existing elements. Therefore, the availability of software tools allowing the re-use and combination of such digital data would be an effective support for the conceptual design phase of both single shapes and VR environments. To answer those needs, this thesis proposes a new approach and system for the conceptual design of VRs and associated digital assets by taking existing shape resources, integrating and combining them together while keeping their semantic meanings. To support this, a Generic Shape Description Model (GSDM) is introduced. This model allows the combination of multimodal data (e.g. images and 3D meshes) according to three levels: conceptual, intermediate and data levels. The conceptual level expresses what the different parts of a shape are, and how they are combined together. Each part of a shape is defined by an Element that can either be a Component or a Group of Components when they share common characteristics (e.g. behavior, meaning). Elements are linked with Relations defined at the Concep-tual level where the experts in the domain are acting and exchanging. Each Component is then further described at the data level with its associated Geometry, Structure and potentially attached Semantics. In the proposed ap-proach, a Component is a part of an image or a part of a 3D mesh. Four types of Relation are proposed (merging, assembly, shaping and location) and decomposed in a set of Constraints which control the relative position, orien-tation and scaling of the Components within the 3D viewer. Constraints are stored at the intermediate level and are acting on Key Entities (such as points, a lines, etc.) laying on the Geometry or Structure of the Components. All these constraints are finally solved while minimizing an additional physically-based energy function. At the end, most of the concepts of GSDM have been implemented and integrated into a user-oriented conceptual design tool totally developed by the author. Different examples have been created using this tool demonstrating the potential of the approach proposed in this document.
Les récentes avancées en matière de systèmes d'acquisition et de modélisation ont permis la mise à disposition d'une très grande quantité de données numériques (e.g. images, vidéos, modèles 3D) dans différents domaines d'application. En particulier, la création d'Environnements Virtuels (EVs) nécessite l'exploitation de données nu-mériques pour permettre des simulations et des effets proches de la réalité. Malgré ces avancées, la conception d'EVs dédiés à certaines applications requiert encore de nombreuses et parfois laborieuses étapes de modélisation et de traitement qui impliquent plusieurs experts (e.g. experts du domaine de l'application, experts en modélisation 3D et programmeur d'environnements virtuels, designers et experts communication/marketing). En fonction de l'application visée, le nombre et le profil des experts impliqués peuvent varier. Les limitations et difficultés d'au-jourd'hui sont principalement dues au fait qu'il n'existe aucune relation forte entre les experts du domaine qui ont des besoins, les experts du numérique ainsi que les outils et les modèles qui prennent part au processus de déve-loppement de l'EV. En fait, les outils existants focalisent sur des définitions souvent très détaillées des formes et ne sont pas capables de supporter les processus de créativité et d'innovation pourtant garants du succès d'un pro-duit ou d'une application. De plus, la grande quantité de données numériques aujourd'hui accessible n'est pas réellement exploitée. Clairement, les idées innovantes viennent souvent de la combinaison d'éléments et les don-nées numériques disponibles pourraient être mieux utilisées. Aussi, l'existence de nouveaux outils permettant la réutilisation et la combinaison de ces données serait d'une grande aide lors de la phase de conception conceptuelle de formes et d'EVs. Pour répondre à ces besoins, cette thèse propose une nouvelle approche et un nouvel outil pour la conception conceptuelle d'EVs exploitant au maximum des ressources existantes, en les intégrant et en les combinant tout en conservant leurs propriétés sémantiques. C'est ainsi que le Modèle de Description Générique de Formes (MDGF) est introduit. Ce modèle permet la combinaison de données multimodales (e.g. images et maillages 3D) selon trois niveaux : Conceptuel, Intermédiaire et Données. Le niveau Conceptuel exprime quelles sont les différentes parties de la forme ainsi que la façon dont elles sont combinées. Chaque partie est définie par un Elément qui peut être soit un Composant soit un Groupe de Composants lorsque ceux-ci possèdent des carac-téristiques communes (e.g. comportement, sens). Les Eléments sont liés par des Relations définies au niveau Con-ceptuel là où les experts du domaine interagissent. Chaque Composant est ensuite décrit au niveau Données par sa Géométrie, sa Structure et ses informations Sémantiques potentiellement attachées. Dans l'approche proposée, un Composant est une partie d'image ou une partie d'un maillage triangulaire 3D. Quatre Relations sont proposées (fusion, assemblage, shaping et localisation) et décomposées en un ensemble de Contraintes qui contrôlent la po-sition relative, l'orientation et le facteur d'échelle des Composants au sein de la scène graphique. Les Contraintes sont stockées au niveau Intermédiaire et agissent sur des Entités Clés (e.g. points, des lignes) attachées à la Géo-métrie ou à la Structure des Composants. Toutes ces contraintes sont résolues en minimisant une fonction énergie basée sur des grandeurs physiques. Les concepts du MDGF ont été implémentés et intégrés au sein d'un outil de design conceptuel développé par l'auteur. Différents exemples illustrent le potentiel de l'approche appliquée à différents domaines d'application.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-01346606 , version 1 (19-07-2016)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01346606 , version 1

Cite

Zongcheng Li. Conceptual design of shapes by reusing existing heterogeneous shape data through a multi-layered shape description model and for VR applications. Mechanics [physics.med-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM; Università degli studi (Gênes, Italie), 2015. English. ⟨NNT : 2015ENAM0025⟩. ⟨tel-01346606⟩
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