Programme scientifique Majeure INTELLIGENCE NUMERIQUE. Mentions Image et Réalité Virtuelle Intelligence Artificielle et Robotique

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1 É C O L E D I N G É N I E U R D E S T E C H N O L O G I E S D E L I N F O R M A T I O N E T D E L A C O M M U N I C A T I O N Programme scientifique Majeure INTELLIGENCE NUMERIQUE Langage Java Mentions Image et Réalité Virtuelle Intelligence Artificielle et Robotique Ce langage intègre tout ce que l on sait faire de mieux en matière de langage de programmation. Java est un langage orienté objet : la brique de base du programme est donc l objet, instance d une classe. La gestion de la mémoire n est plus à la charge du programmeur. La syntaxe ainsi que quelques points de sémantique sont inspirés de C++ et donc, par conséquent, de C. Java est distribué, robuste et sûr. ST Programme : Structure d un programme Java Lles fonctionnalités objet du langage Syntaxe, contrôle de flux Définition des classes Développement d interfaces Entrées/sorties et bases de données Java 3D / Java FX Grâce au développement d internet et du web 2.0, les applications sont de plus en plus hébergées sur des serveurs distants et sont vues par l utilisateur comme des services web utilisables depuis des clients légers de type navigateur web. Cependant, ce type d architectures impose des contraintes fortes sur la conception et le temps de réponse des applications ainsi accessibles. Ce constat est également valable pour les applications 3D et de réalité virtuelle. Une approche pratique de ces problématiques est réalisée en utilisant les outils JavaFX et Java3D. ST Programme : Introduction à la programmation Web : Contraintes Requêtes et réponses Applications et applet. Rich Internet Application (RIA) avec JavaFX Applets 3D interactives avec VRML et Java3D Java temps réel Le langage JAVA est présent dans des domaines aussi divers que les systèmes embarqués, les cartes à puce et les serveurs d applications. Les raisons du développement rapide de ce langage sont notamment dues à l introduction d API (bibliothèque de fonctions) spécialisées. Ces API rendent certains domaines réputés difficiles plus abordables, comme par exemple, les bases de données, la programmation réseau ou la programmation graphique. Dans ce contexte, une API temps-réel pour Java a vu le jour. Plusieurs machines virtuelles fournissent aujourd hui une implantation partielle de cette API. Au cours de cet enseignement, les étudiants étudieront les contraintes des applications temps réel ainsi que les spécifications Java temps-réel. ST Programme : Plate-formes de référence Temps et timers Modèles et caractéristiques des tâches temps réel Modèles d ordonnancement et analyse de faisabilité Communication et algorithmes de synchronisation Gestion de la mémoire et influence sur les tâches temps réel Programme cycle master 1

2 Mathématiques pour la géométrie La transposition de concepts mathématiques en informatique nécessite de connaître les limites de l ordinateur ainsi que les méthodes et algorithmes permettant d utiliser les outils géométriques pour la création d images de synthèse. Ce module présente les structures de données et techniques de base pour la géométrie des images informatiques. ST Programme : Définitions Triangulation d un polygone Quadtrees. BSP trees : définition et construction. Sommes de Minkowski : Application à la planification de trajectoires Graphe de visibilité Diagramme de Voronoï et triangulation de Delaunay Graphique 3D Les techniques de synthèse d images, très utilisées dans l industrie du cinéma, du jeu vidéo, du multimédia et de la CAO, sont basées sur des notions mathématiques pour animer des objets et des scènes en trois dimensions, ainsi que pour pratiquer un rendu sur écran en 2D qui soit le plus réaliste possible. Ce module présente les bases de la synthèse d image en 3D et ses utilisations pratiques à l aide de l outil OpenGL.. ST Programme : Tracés simples (droite, cercle) Remplissages / hachurages Fenêtres et clipping Transformations matricielles 3D Eliminations de lignes et surfaces cachées Courbes et surfaces Modélisation surfacique (carreaux de Bézier) Synthèse d images 2D et 3D OpenGL Introduction au Traitement d Images Le traitement d images numériques ou numérisées est nécessaire pour des applications de plus en plus nombreuses. Dans le but d analyser une image automatiquement, il est nécessaire de décrire au mieux les processus de formation de l image pour tirer parti des informations pertinentes. Ce module présente les méthodes et techniques de base de traitement d une image numérique. L image ainsi traitée est améliorée en vue de son exploitation par des traitements de plus haut niveau. ST Programme : Introduction au traitement d images et à la vision par ordinateur Acquisition et caractérisation des images. Traitement d images binaires : Morphologie mathématique Opérateurs de base et composés. Notions de filtrage d images : Filtres linéaires et non linéaires Filtrage adaptatif Animation 3D Les mondes virtuels 3D temps réel ou pré calculés pour les films, doivent proposer un environnement physique réaliste et cohérent. Dans ce cadre, l animation de tous les objets tels que les avatars, les animaux, les éléments interactifs de décor, est un élément essentiel pour la qualité de l immersion et de l expérience utilisateur. Ce module présente les principaux modèles physiques existants ainsi que les techniques d animation classiques utilisées pour les effets spéciaux et l animation. ST Programme : Modèles articulaires et squelettes Moteur physique et éléments de mécanique Collisions Animation de visage et expressions Morphing Gestion des liquides et particules Applications avec les logiciels Blender et Ogre3D Introduction à la Réalité Virtuelle Les outils de réalité virtuelle sont de plus en plus présents dans les entreprises car ils permettent de réaliser des simulations dans le cadre de milieux hostiles, ou dans les cas où le milieu n est pas accessible en raison de son échelle (chirurgie, manipulations de nanocomposants), où encore parce qu ils permettent de réaliser une simulation de processus industriel lorsque cette dernière est nécessaire à la validation de ce processus (assemblage de voiture, d avion, de fusée). Ces simulations doivent être les plus réalistes possibles non seulement en termes de visualisation, mais également en termes d interaction. Programme cycle master 2

3 ST Programme : Historique Les technologies d immersion Les interfaces de la réalité virtuelle Les interactions haptiques Vision 3D et Analyse de scène L acquisition et l analyse d informations en temps réel est indispensable en robotique. Pour appréhender leur environnement immédiat, les robots se voient dotés d appareils reproduisant les perceptions humaines. Parmi celles-ci, la vue est prépondérante, et la vision en trois dimensions et en relief est utilisée dans tous les domaines de l industrie. Ce cours présente les modèles et les techniques de la vision artificielle. ST Programme : Introduction à la couleur Indexation d images Analyse du mouvement Outils de la vision 3D Modèles de caméra et calibration Stéréoscopie Géométries projectives et épi polaires Mosaïques et Reconstruction 3D Techniques Multimédia L objectif de ce cours est d exposer les aspects techniques du multimédia, c est-à-dire le traitement du texte, des images fixes (dessins et photos), des images animées, du son (voix/musique) et des outils d interaction de l être humain avec ces informations. Les aspects économiques et sociaux sont aussi abordés. A l issue de cet enseignement, les élèves ont une idée précise des moyens, des applications, et des impacts du multimédia dans notre vie quotidienne. ST Programme : Historique Définition Evolution technique et économique Application grand public Norme MIDI La voix Les images fixes et animées La compression MPEG4 et HD Tatouage et authentification des contenus multimédia Traitement d images avancé L exploitation des informations issues d une image nécessite une phase de structuration de ces informations. L extraction de primitives ou de descripteurs caractéristiques tels que des régions ou des contours est primordiale pour les applications de vision artificielle ou de reconnaissance des formes. L information de couleur portée par certaines images peut également être exploitée par des méthodes spécifiques. ST Programme : Exemples de lissage d images Segmentation en composantes connexes Notion de contour Détection de contours Transformée de Hough Segmentation en régions Images couleurs Traitement des images couleurs Optimisation temporelle Réalité Virtuelle avancée La création d univers virtuels immersifs nécessite une cohérence de l ensemble des objets constituant cet univers. Le niveau de réalisme des différents constituants de la scène 3D doit être le même. Ainsi, pour les univers qui se veulent fidèles à la réalité, il est nécessaire de modéliser les personnages à l aide de dispositifs de capture de mouvement pour obtenir un rendu réaliste et de définir une scénographie adaptée. ST Programme : Capture du mouvement et animation Scénographie et ambiance Psychologie et facteurs humains Programme cycle master 3

4 Réalité Virtuelle et Augmentée Les univers 3D informatiques existent seuls (mondes virtuels, réalité virtuelle) ou en combinaison avec des vues du monde réel. Il est nécessaire de développer et d utiliser des langages spécifiques pour obtenir une description exploitable de ces univers. La réalité augmentée consiste à intégrer des données numériques à une scène 2D ou 3D existante de la manière la plus réaliste possible, afin d ajouter des informations pertinentes d une manière intuitive et naturelle. Le nombre d applications possibles de ces technologies est aujourd hui en forte augmentation. ST Programme : Domaines d application et exemples d outils de réalité augmentée Gestion de scènes virtuelles Recalage Recalage temps réel Localisation dans une image réelle Cohérence spatiale Cohérence photométrique Effets spéciaux 3D Intéraction Homme/Machine Les interfaces innovantes modifient de façon révolutionnaire les modalités d interaction entre l homme et la machine, que ce soit en termes de technique (multitouch, reconnaissance de l interlocuteur par la voix, le geste, les expressions) ou de présentation de l information. Ce module présente les concepts et techniques d interaction entre l utilisateur et une source de contenus interactive. ST Programme : Interfaçage comportemental Techniques d interaction 3D Multimodalité et perception Modélisation et simulation Système d interaction verbale Reconnaissances des formes La reconnaissance des formes a pour but l interprétation de données en vue de leur répartition en classes, en catégories d objets. Le but de ce module est de présenter les méthodes classiques de reconnaissance des formes permettant de déterminer quel type d objet a été identifié sur une image par exemple, en se basant sur des informations issues de méthodes de traitement d image. Cette discipline est une partie de l intelligence artificielle et utilise des méthodes comme les réseaux de neurones ou l analyse de données. ST Programme : Décision bayésienne Méthode des k plus proches voisins Fenêtres de Parzen Méthode des nuées dynamiques. Réseaux de neurones : perceptron Cartes de Kohonen Classification linéaire Méthode adaboost Méthodes structurelles et distance d édition Reconnaissance de la parole Les technologies de reconnaissance vocale permettent de réaliser des interfaces homme machine (IHM) où une partie de l interaction se fait à l aide de la voix. Ce module présente les méthodes et outils utilisés pour la reconnaissance d un interlocuteur et de son discours dans différents environnements, notamment dans les environnements bruités. ST Programme : Eléments de linguistique et d acoustique Représentation de la parole Spectrogramme Sonogramme Triangle de vocalisation. Méthodes de reconnaissance de la parole et applications : Programmation dynamique Algorithme EM Reconnaissance de la parole continue. Applications : Serveurs interactifs vocaux (RECITAL SNCF, SIEL Ratp) Identification du locuteur Aide à la navigation (audionav) Aide à la formation Aide au handicap (Tetravox, Meditor) Traduction automatique Programme cycle master 4

5 Systèmes Intelligents La conception, la réalisation et la mise en œuvre des systèmes autonomes de plus en plus complexes nécessite des capacités de décision, d action et de perception au sein même de ces systèmes. Ces derniers ont recours à des techniques issues de l intelligence artificielle, et notamment de l intelligence artificielle distribuée pour fournir une aide à la décision. ST Programme : Raisonnement à partir de cas Arbres de décision. Apprentissage automatique : Liens avec la reconnaissance des formes Apprentissage par renforcement Systèmes multi-agents Algorithmes génétiques et programmation génétique Automatique Les systèmes, quels qu ils soient, nécessitent d être modélisés afin de planifier leur comportement et de pouvoir les contrôler de manière sure. L asservissement de systèmes est une discipline clef de la robotique qui aborde les notions essentielles d automatique : fonction de transfert, modélisation, correction de l activité d un système. ST Programme : Notion de système De régulation Fonction de transfert Modélisation Identification Système asservi et stabilité Diagramme de Black Correcteurs Capteurs L obtention automatique d information sur l environnement se fait par le biais de capteurs de toutes sortes. Afin de modéliser correctement les mesures effectuées, une connaissance des propriétés de ces capteurs est nécessaire; ceci afin d éliminer les biais de mesure et les artefacts, ou mesures parasites. Dans ce cadre, le module capteurs et mesures présente les caractéristiques et techniques d utilisation des principales familles de capteurs. ST Programme : Propriété générale des capteurs Capteurs passifs Capteurs actifs Capteurs à corps d épreuve Capteurs optiques Mécaniques Acoustiques Systèmes embarqués Les systèmes embarqués connaissent actuellement un développement explosif dans de nombreux domaines (télécommunications sans fil, convergence entre téléphonie et Internet, automobile et transports, «consumer electronics»). La conception de tels systèmes, dans lesquels figurent des éléments informatiques et électroniques toujours plus importants, demande des méthodes puissantes et fiables pour s adapter à des contraintes de temps et de coût de développement toujours plus critiques. L objectif de ce cours est de présenter les problèmes que pose la conception fiable de systèmes embarqués et quelques-unes des solutions apportées à ces problèmes. ST Programme : Caractéristiques d un système embarqué aujourd hui Contraintes temps réel Outils de debug software d un système embarqué. Illustration : Etapes d un portage Linux sur un système embarqué Connectivité IP Linux et l embarqué Panorama des distributions Linux embarqué et temps réel Eléments de Robotique L automatisation de processus répétitifs, contraignants ou en environnement hostile a donné naissance à plusieurs générations de robots. Tout robot est composé de pièces rigides reliées entre-elles et évoluant de manière connue. A ce titre, la connaissance des modèles génériques de manipulation, ainsi que des principales architectures permet de découvrir l univers de la robotique. Programme cycle master 5

6 ST Programme : Le marché mondial des robots / domaines d application Espace articulaire Espace opérationnel Notations modifiée de Denavit et Hartenberg pour la cinématique des manipulateurs Modèle géométrique direct et inverses Génération de trajectoire entre deux points Robotique mobile La planification de trajectoire est une des activités majeures de la robotique : le robot doit prendre ou suivre des décisions de déplacement prenant en compte de nombreux facteurs : ce qu il connaît de sa propre position, la localisation de divers obstacles ou objets d intérêt. Ce module est au cœur de la filière robotique de par les interactions avec les éléments de robotique et d aide à la décision. ST Programme : Degrés de mobilité Propulsion Modèle de posture cinématique Motorisation Modèles dynamiques Génération de trajectoire Localisation relative et absolue (GPS) Fiabilité des systèmes complexes Les enjeux économiques et sécuritaires des systèmes complexes (informatiques ou non) sont tels qu ils justifient la mise en place de méthodes et techniques de validation (le produit est-il correct?) et de vérification (le produit est-il construit correctement?). Ces méthodes et techniques sont utilisées au plus tôt et tout au long du cycle de vie de création du produit. Les coûts associés à cette recherche de la fiabilité maximum peuvent être très élevés, il est donc nécessaire de rationnaliser leur emploi. Ces processus de validation et de vérification ont pour but de donner confiance à toutes les parties engagées en prouvant de manière la plus formelle possible l adéquation entre les spécifications du système et sa réalisation effective. ST Programme : Logique et représentation des systèmes Continuité de service. Méthodes générales d estimation de la fiabilité : Arbres de défaillance Graphe de fiabilité. Méthodes pour les systèmes informatiques : Spécifications formelles Réseaux de Pétri Les facteurs humains Programme cycle master 6

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