recherche Initiation à la

Initiation à la recherche

Séance 1

M1 INFORMATIQUE – C. RENAUD

Séance 1

• Introduction

• Organisation du module

• Définitions

• Les métiers de la recherche

• Le LISIC

• Un cas d'étude : le lancer de rayons

Organisation du module

•Parties théoriques

•Généralités sur le monde de la recherche

•Parties pratiques

•Développement sur un sujet de recherche "ancien"

•Études de solutions proposées par binômes

•Implantations éventuelles et présentations orales 5 séances de 3 h

•2 TPs

•1 exposé sur une solution étudiée

•1 rapport final sur l'implantation de cette solution Evaluation

Définitions

source : manuel de Frascati

• désigne l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques.

Recherche scientifique

•consiste en des travaux expérimentaux ou théoriques entrepris principalement en vued’acquérirde nouvelles connaissances sur les fondements des

phénomènes et des faits observables, sans envisager une application ou une utilisation particulière.

Recherche fondamentale

•consiste également en des travaux originaux entrepris en vued’acquérirdes connaissances nouvelles. Cependant, elle est surtout dirigée vers un but ou un Recherche appliquée

Définitions

•consiste en des travaux systématiques fondés sur des connaissances existantes obtenues par la recherche et/ou l’expérience pratique, en vue de lancer la fabrication de nouveaux matériaux, produits ou

dispositifs, d’établir de nouveaux procédés, systèmes et services, ou d’améliorer considérablement ceux qui existent déjà

Développement expérimental

•La recherche (et sa valorisation) ne s'effectuent pas de la même manière selon le domaine

Différencier le domaine disciplinaire

source : manuel de Frascati

Séance 1

• Introduction

• Les métiers de la recherche

• Aperçu

• La recherche en secteur public

• Le doctorat

• Quelques chiffres

• La recherche en entreprise

• Le LISIC

• Un cas d'étude : le lancer de rayons

Aperçu

•Ensemble des métiers travaillant sur des projets de R et R&D

•Chercheurs, ingénieurs, techniciens, etc.

•En 2017* :

•618 000 personnes concernées

•2/3 de chercheurs

•1/3 de personnel de soutien (techniciens, administratifs, etc.) Les métiers concernés

•Part plus importante dans le privé (61 % en 2017*)

•Finalités souvent différentes :

•Publique : recherche "fondamentale" sans forcément de visée économique

•Privé : recherche "appliquée" visant à la conception de produits, procédés ou services innovants

Répartis entre public et privé

La recherche en secteur public (1/2)

•Enseignants-chercheurs

•Maître de conférences, Professeur des Univ ersités

•50% d'enseignement, 50% de recherche

•Attaché temporaire d'enseignement et de recherche

•CDD d'un an Univ ersités

•CNRS, INRIA, INRAe, INSERM, CNES, ..

•Chercheurs

•Chargé de recherche, Directeur de recherche

•100% recherche Grands organismes

•Doctorants

•Ingénieurs de recherche Commun

Recrutement sur concours

national à l'issue d'un

doctorat

La recherche en secteur public (2/2)

•Maître de Conférences: 2 200 à 5000 €

•Professeur des Universités: 3125 à 6227 €

•Attaché Temporaire d'Enseignementet de Recherche : 2041 € Universités - Salaires (bruts mensuel)

• Chargé de recherche : 2193 à 4554 €

• Directeur de recherche : 3125 à 6227 € Grands organismes – Salaires (bruts mensuel)

•Doctorants: 1769 à 1975 €

•Ingénieurs de recherche : 2038 à 5000 €

•Ingénieurs d'étude: 1827 à 3847 € Commun – Salaires (bruts mensuel)

Le doctorat (1/5)

Doctorat BAC+5

Sélection par le laboratoire

Durée = 3 ans

• Etudiant salarié (contrat doctoral)

• Diverses possibilités de rémunération Statut (doctorant) :

• Formation "à et par la recherche"

• Maîtriser la méthodologie de la recherche

• Acquérir une autonomie scientifique sur un domaine Objectifs :

• Intégré dans une équipe de recherche Moyens :

Le doctorat (2/5)

•Contrats doctoraux

•Diverses possibilités : Ministères, collectivités territoriales, instituts de recherche (INRIA), projets de recherche

(ANR, H2020, contrats industriels, etc.), DGA, ...

•Convention CIFRE

•Nombre limité Financement

•Minimum garanti : 1758 € brut / mois

•+64h enseignements/an : ~1975 € brut / mois Rémunération :

Le doctorat (3/5)

• Fourni dans le sujet proposé Etude d'un problème précis

• Étude bibliographique

• Compréhension et comparaison des solutions existantes Comprendre le problème et son environnement

• À partir de pistes fournies par les encadrants

• En élaborant de nouvelles pistes Propositions de nouvelles solutions

Le doctorat (4/5)

• En revues

• En conférences

• Poster, "short-paper", "full-paper"

• Présentation orale (anglais)

• Remarque : évaluation par les pairs ...

Publication régulière des résultats

• Acquérir des compétences transverses/complémentaires

• Ex. Formation Latex, rédaction d'un article scientifique, prendre la parole en public, etc .

• Préciser le projet professionnel

• Ex. Monter un cours, conception d'un projet entrepreneurial, etc.

Suivi de formations spécifiques

Le doctorat (5/5)

• 100 à 200 pages

• En français ou en anglais

Rédaction d'un mémoire de thèse

• Fournissent un rapport sur les travaux

• Autorisent la soutenance

Relecture par deux rapporteurs extérieurs

• Jury = Rapporteurs + encadrants + membres extérieurs

• 45 minutes de présentation

• Séance de questions

Soutenance orale devant le jury

Quelques chiffres (1/2)

•71 200 doctorants

•14 100 soutenances de thèse Au niveau national (2018)

Quelques chiffres (2/2)

•300 laboratoires de recherche

•2500 doctorants

•550 soutenances de thèse par an Au niveau de la région (NPdC– 2013)

•731doctorants inscrits

•197 soutenances de thèses Secteur SPI (2012-2013)

•13 laboratoires de recherche

•191 doctorants (2020/2021)

•32 soutenances de thèse en 2019

•27 soutenances de thèse en 2020 ULCO

La recherche en entreprise (1/5)

• Sciences pour l'ingénieur Orientation principale

•activités spécialisées, scientifiques et techniques

• activités informatiques et services d’information

•industries automobiles

•construction aéronautique et spatiale

•édition, audiovisuel et diffusion

50% des chercheurs dans 5 branches

La recherche en entreprise (2/5)

* source : l'étudiant

• Spécificité française

• Doctorat mieux valorisé dans les pays anglo-saxons Prépondérance des écoles d'ingénieurs

• 38 à 42 k€ brut * Salaire avec doctorat

La recherche en entreprise (3/5)

•Doctorat "en entreprise"

•Sujet R&D définit conjointement entre un laboratoire public et une entreprise

•Co-encadrement par un chercheur de chaque entité

• Salaire minimum = 1957 € brut / mensuel (23 484 € / an) La convention CIFRE

•Salaire subventionné à hauteur de 14 000 € par an

•Émargement au Crédit Impôt Recherche Pour l'entreprise

•1377 CIFRE en 2016

•1400 CIFRE en 2017 Quelques chiffre *

*Source :

La recherche en entreprise (4/5)

• Une reconnaissance des travaux dans les contextes académiques et entrepreneurial

• Une bi-culturalité recherchée par les employeurs

• Un double encadrement

• Des conditions de travail et de soutenance optimales

• Un contrat de travail et un salaire minimal de 23.484 € brut annuel

• Moyenne brut annuel 2015 : 28.972 € (toute discipline confondue)

• Taux de soutenance élevé (> 90%)

• Une employabilité démontrée (90% dans les 6 mois) Bénéfice pour les doctorants

Source :

La recherche en entreprise (5/5)

•sa spécialisation scientifique

•sa capacité à formuler un problème, et à le résoudre

•sa rigueur d’observation, d’analyse et de synthèse

•son autonomie de travail

•ses qualitésd’argumentationà l’écritet à l’oral

Ce que les entreprises attendent d'un docteur qu'elles recrutent

Source :

Séance 1

• Introduction

• Les métiers de la recherche

• Le LISIC

• Le laboratoire

• Les équipes de recherche

• Les équipements

• Un cas d'étude : le lancer de rayons

Le LISIC

• Laboratoire d'Informatique, Image et Signal de la Côte d'Opale

• Créé en 2010 (fusion de deux laboratoires : LIL, LASL)

• 43 enseignants-chercheurs (12 PR, 31 MCF)

• 1 ingénieur de recherche

• 1 assistante administrative

• 25 doctorants

4 équipes de recherche

Informatique Traitement du signal

SysReIC

Systèmes Réflexifs Ingénieurie des Connaissances

OSMOSE Optimisation

Simulation Modélisation Evolutionnaire

IMAP Images

&

Apprentissage

SPECIFI Systèmes de

Perception et Fusion d'informations

SysReIC _• Systèmes réflexifs,

• Ingénierie des connaissances

• AI explicables Thèmatiques

• Intégration d’ontologies

• Apprentissage automatique Méthodes

Classifieur de pizzas explicable, basé sur une ontologie

Identification d'espèces d'oiseaux marins à partir de connaissances expertes

Osmose (1/2) _• Résolution de problèmes complexes (optimisation combinatoire)

• Construction automatique de modèles

• Apprentissage

Informatique évolutionnaire

• Logistique

• Jeux abstraits/complexes

Domaines applicatifs

Osmose (2/2)

multi-échelles (Virtual Laboratory Environment)

•Simulations à événements discrets

•Optimisation multi-critères

•Aide à la décision

Simulation de systèmes complexes

•Agronomie

•Transport

•Énergie

Domaines applicatifs

Imap (1/2)

•Réduction de la dimension des données

•Imagerie hyperspectrale Analyse d'images

•Biologie

•Imagerie médicale

•Analyse de textures couleur Domaines applicatifs

Imap (2/2) _• Simulation d’éclairage (photo-réalisme)

• Prise en compte du système visuel humain (stéréoscopie, HDR)

Synthèse d’images

• Réalité virtuelle

• Restitutions historiques

• Esthétique des images

• Agronomie

Domaines applicatifs

Simulation d'éclairage en chambres de culture

Specifi (1/2)

Télémètre/caméra

• Analyse de scène complexes

• Extraction automatique d'informations

• Analyse de scènes dynamiques Fusion d'informations multi-capteurs

• Aide à la conduite

• Relevés routiers

• Video-surveillance

Domaines applicatifs

Specifi (2/2)

•Exploitation des signaux de navigation (GPS, Galileo, Glonass)

•Imagerie hyperspectrale

Fusion d’informations multi-capteurs

•Géolocalisation en environnements urbains denses

•Réflectométrie (humidité, altimétrie)

•Surveillance de l'environnement industriel et naturel Domaines applicatifs

altimétrie Surv eillance hyperspectrale des cultures

Equipements

•Véhicule instrumenté

•Canot zodiac

•Drones

•Caméras hyperspectrales

•Périphériques de restitution du relief

•Ecrans HDR

Séance 1

• Introduction

• Les métiers de la recherche

• Le LISIC

• Un cas d'étude : le lancer de rayons

• Introduction

• Principe

• Calcul d'intersection

• Evaluation des coûts

• Réduction des coûts

Introduction

• Méthode de synthèse d'image

"réaliste"

• Proposée en 1980 par Whitted

• Plus de 4 600 références de recherche depuis !!! *

• Utilisée en production audio- visuelle

• Monstre et compagnie 2 fin 2012

• Rendu de la combinaison d'Iron Man

• Plans SI derniers Star Wars

• Mais coûts de calcul très élevés

Introduction

• Popularisation en cours via les jeux vidéo avec :

• Du hardware spécialisé (Nvidia, AMD, …) depuis 2019 (RTX 2000)

• Des bibliothèques de développement (Nvidia Optix, Intel Embree,

AMD FireRays, …)

• Moteurs de jeu

standards (Unreal, Unity)

FORTNITE

CyberPunk 2077

Introduction

•Tracé de chemins

•Lancer de photons

•…

Base des méthodes photo-réalistes

•Plusieurs heures à dizaines d'heures

•Simulation d'éclairage Coût supérieur

•Représentation des matériaux

•Interactivité

•Artefacts visuels

Problématiques connexes

Principe (1/8)

Les mondes virtuels

•Forme (géométrie)

•Apparence (matériaux)

•Position / animation Objets 3D

•Forme / emission lumineuse / position / animation Lumières (sources)

•Résolution

•Ouverture

•Focus

•Sensibilité Caméra(s)

Principe (2/8)

• Grille de pixel

• Dimensions = résolution de la caméra Image

• Quel objet visible en chaque pixel ?

• Quelle couleur a cet objet ? Calcul de l'image

Vue du monde virtuel

Principe (3/8)

• Objet visible ?

• Lancer un rayon

• depuis la caméra

• à travers chaque pixel

• Calculer les intersections avec chaque objet

• Conserver l'intersection la plus proche

• Couleur du pixel ?

• C(Pixel) = C(I0)

Rayon (primaire) Intersections

...

I⁰ I¹ Iⁿ

Principe (4/8)

• Eclairage direct du point visible

• Rayon d'ombrage vers chacune des sources

• Ajout de la contribution de la source si visible

• Sinon ombre

• Couleur du pixel ?

• C(P) = a.C(S1) + b.C(S2)

Rayons d'ombrage Source S2

Source S1

P

Principe (5/8)

• Eclairage indirect du point visible

• Reflets ...

• Envoi d'un rayon réfléchi

• Évaluation de l'éclairage direct au point

d'intersection trouvé

• Couleur du pixel ?

• C(P) = a.C(S1)+b.C(S2)+ g.C(P')

• C(P') = a'.C(S1)+b'.C(S2)+ ...

Source S2 Source S1

P

P' Rayons secondaires

(réfléchis)

Principe (6/8)

La réflexion

•Réfléchissent la lumière de manière directionnelle

•Miroir, métaux, peintures brillantes, …

•Apparitions de reflets Objets brillants

•Simplification : une seule direction

•Choix de la direction spéculaire parfaite Quelle(s) direction(s) choisir ?

Obs.

a a

L N R

Matériaux mats :

Principe (7/8)

Milieu d’indice n₁

Milieu d’indice n₂

a1

a2

n₁.sin(a1) =n₂.sin(a2)

La transparence

• De la lumière traverse l'objet

• Origines multiples (caustiques) Objets non opaques

• Simplification : une seule direction

• Choix selon loi de la réfraction de Snell-Descartes Quelle(s) direction(s) choisir ?

Rayon réfléchi

Rayon réfractés (lois de l'optique)

Principe (8/8)

• Lancer de rayons d'ombrage

• Lancer d'un rayon réfléchi

• Lancer (éventuel) d'un rayon transmis À chaque intersection

• Matériau de l'objet trouvé mat

• Sinon

• Profondeur maximale

• Contribution lumineuse trop faible

• Panachage des deux Arrêt du processus

Un processus récursif...

Pixel

Rayon primaire

Rayons d'ombrage

Rayon réfléchi Rayon transmis

Calculs d'intersection (1/4)

• Fonctionnement basé sur la possibilité de calculer

l'intersection entre un rayon et un objet

• Objet : nombreuses primitives géométriques

• Polygones plans

• Quadriques (Sphère, cône, cylindre, etc.)

• Surfaces paramétriques (Bézier, Splines, etc.)

• ...

Source : wikipedia

Calcul d'intersection (2/4)

• Exemple : la sphère

• Sphère de centre O :

• Sphère de centre (Xc, Yc, Zc) :

• Rayon : 2 paramètres

• Origine : P

• Direction : D

• Expression paramétrique : R(t) = P

+ t. D

X² + Y² + Z² = r² (X-Xc)² + (Y-Yc)²+ (Z-Zc)² = r²

P_o

D

Calcul d'intersection (3/4)

• Exemple : la sphère (suite)

Si le rayon intersecte la sphère, alors il existe t tel que le point (x(t), y(t), z(t)) appartient à la fois au rayon et à la sphère

On remplace (X,Y,Z) par (x(t), y(t), z(t)) dans l’équation de la sphère

Il faut trouver la(les) valeur(s) de t vérifiant cette équation

Calcul d'intersection (4/4)

• Exemple : la sphère (suite)

a.t² + b.t + c = 0 D = b² – 4.a.c

D = 0

D < 0 D > 0

Pas de solution Le rayon n'intersecte

pas la sphère

Une seule solution Le rayon est tangent à la sphère

t₁ = t₂

Deux solutions Le rayon coupe la sphère en deux endroits

t= min (t₁,t₂)

t₁ t₂

Evaluation des coûts (1/2)

•N objets

•S sources de lumière

•P pixels Hypothèses

•Intersection de chaque rayon avec tous les objets

•P x N calculs d'intersections Rayons primaires

•Calcul pour chaque objet visible en un pixel

•P x S x N calculs d'intersections (Total = PxN + PxSxN) Rayons d'ombrage

•Calcul pour chaque objet visible en un pixel

•P x 2 x N calculs d'intersections (Total = PxN + Px( S + 2)xN) Rayons secondaires (réfléchi et réfracté)

Profondeur de l'arbre h

Evaluation des coûts (2/2)

• Une application numérique

Hypothèses

• N = 100 objets

• S = 2 sources de lumière

• P = 1000x1000 pixels

• H = 2 (nombre de réflexions)

Nombre d'intersections à calculer

• Total = 10⁸ x 100 + 10⁶ x (4 x 100)² Total = 16,01 x 10¹⁰

Temps de calcul

• 1 inter. / milliseconde (10^-3 s) : 5 ans

• 1 inter. / microseconde (10^-6 s) : 44 h

• 1 inter. en 3.10^-8 s (I9 3.4 Ghz) : 1 h

Réduction des coûts (2/8)

•Fait depuis de nombreuses années

•Gain relativement faible

Optimiser les calculs d'une intersection

•Eliminer les objets ne pouvant pas avoir d'intersection avec un rayon

•Gain potentiellement fort

Réduire le nombre d'intersections à considérer

•Algorithme implicitement parallèle

•Gain dépendant du nombre de processeurs utilisés Traiter plusieurs rayons en paralléle

Quelles stratégies ?

Nécessite des structures de

données spécialisées

•Entourer un (des) objet(s) complexe(s) par un objet : l'englobant

•Formes simples de l'englobant : calcul d'intersection rapide

Principe

•Calculer l'intersection avec l'englobant

•Si l'intersection existe, calculer l'intersection avec l'objet (les objets) internes

Calcul d'intersection

Réduction des coûts (3/8)

Les volumes englobants

Intersection av ec l'englobant et av ec l'objet

Intersection av ec

Réduction des coûts (4/8)

Hiérarchies de volumes englobants

STOP

STOP

Réduction des coûts (5/8)

Les subdivisions spatiales

• Découper l'espace virtuel en éléments volumiques (voxels)

• Conserver une liste des objets qui se trouvent dans chaque voxel

• Déterminer les voxels traversés par un rayon Principe

• Régulières / irrégulières

• Hiérarchiques ou non

Différents types de structures

Réduction des coûts (6/8)

Les grilles régulières

•Découpage régulier du parallélépipède englobant la scène

•Stockage des objets dans chacun des voxels où ils sont présents

•En général, voxels cubiques Principe

•Suivi simple des rayons dans les voxels traversés

•Efficacité mémoire faible

•Nombreux voxels vides Avantages/Inconvénients

Réduction des coûts (7/8)

Les octrees

•Découpage récursif du parallélépipède englobant en 8 voxels identiques

•Stockage des objets dans les feuilles de l'arborescence

•Arrêt du découpage

•Selon la profondeur

•Selon le nombre d'objets contenus dans un voxel Principe

•S'adapte à la densité des objets

•Suivi des rayons plus complexe Avantages/Inconvénients

Réduction des coûts (8/8)

Les arbres BSP

•Découpage récursif du parallélépipède englobant en 2 voxels identiques

•Le plan de découpage (Ox, Oy, Oz) change de manière cyclique à chaque étape

•Stockage des objets dans les feuilles de l'arborescence

•Arrêt du découpage

•Selon la profondeur

•Selon le nombre d'objets contenus dans un voxel Principe

•S'adapte à la densité des objets

•Suivi des rayons plus complexe Avantages/Inconvénients

Découpage selon Ox

Découpage selon Oy