Systeme zum automatisierten Fahren erlauben es, die Fahrzeugführung in einem gewissen Maß vom Fahrer an das Fahrzeug zu übertragen. Da der Fahrer auf diese Weise unterstützt, entlastet oder sogar ersetzt werden kann, werden Systeme zum automatisierten Fahren mit einem großen Potential für Verbesserungen hinsichtlich Straßenverkehrssicherheit, Fahrkomfort und Effizienz verbunden - vorausgesetzt, dass diese Systeme angemessen benutzt werden. Systeme zum hochautomatisierten Fahren stellen in diesem Zusammenhang eine besondere Herausforderung für die Mensch-Maschine-Interaktion dar: So wird es dem Fahrer bei diesem Automatisierungsgrad zwar zum ersten mal ermöglicht, das System nicht mehr permanent überwachen zu müssen und somit die Fahrtzeit potentiell für fahrfremde Tätigkeiten zu nutzen. Es wird jedoch immer noch erwartet, dass der Fahrer nach einer vorherigen angemessenen Übernahmeaufforderung die Fahrzeugführung im Bedarfsfall gewährleisten kann. Angemessenes Automatisierungsvertrauen stellt daher eine zentrale Komponente für die erfolgreiche Kooperation zwischen Fahrern und Systemen zum hochautomatisierten Fahren dar und sollte bei der Gestaltung derartiger Systeme berücksichtigt werden. Frühere Befunde weisen beispielsweise bereits darauf hin, dass unterschiedliche Informationen über automatisierte Systeme ein möglicher Ansatz sein könnten um das Automatisierungsvertrauen des Fahrers aktiv zu gestalten. Automatisierungsvertrauen als Variable in der Gestaltung von Fahrzeugtechnologie zu berücksichtigen erfordert jedoch zunächst auch in der Lage zu sein, Automatisierungsvertrauen adäquat messen zu können. In diesem Sinne war die Zielsetzung dieser Arbeit einerseits die Untersuchung verschiedener Methoden zur Messung des Automatisierungsvertrauens des Fahrers sowie andererseits die Identifikation, prototypische Umsetzung und Bewertung potentieller Ansätze zur Gestaltung von Automatisierungsvertrauen im Kontext von Systemen zum hochautomatisierten Fahren. Zu diesem Zweck wurden drei Fahrsimulatorstudien mit insgesamt N = 280 Probanden durchgeführt. Die vorliegenden Ergebnisse weisen darauf hin, dass (i) sowohl Selbstberichtsverfahren als auch Verhaltensmaße prinzipiell dazu verwendet werden können um das Automatisierungsvertrauen des Fahrers in Systeme zum hochautomatisierten Fahren zu operationalisieren, (ii) eine vorherige Auseinandersetzung mit funktionalen Grenzen von Systemen zum hochautomatisierten Fahren einen nachhaltigen Effekt auf das Automatisierungsvertrauen des Fahrers in das System haben kann und (iii) insbesondere Informationen über die Funktionsweise von Systemen zum hochautomatisierten Fahren das Automatisierungsvertrauen des Fahrers in derartige Systeme verbessern können. Damit liefert die vorliegende Arbeit sowohl wertvolle Ansatze zur Messbarmachung als auch Hinweise für die Gestaltung von Automatisierungsvertrauen im Kontext des hochautomatisierten Fahrens. Darüber hinaus können die Befunde dieser Arbeit in gewissem Maße auch auf andere Arten von Fahrzeugautomatisierung sowie unterschiedliche Domänen und Anwendungen von Automatisierung übertragen werden. / Automated driving systems allow to transfer a certain degree of vehicle control from the driver to a vehicle. By assisting, augmenting or even supplementing the driver, automated driving systems have been associated with enormous potential for improving driving safety, comfort, and efficiency - provided that they are used appropriately. Among those systems, conditional automated driving systems are particularly challenging for human-automation interaction: While the driver is no longer required to permanently monitor conditional automated driving systems, he / she is still expected to provide fallback performance of the dynamic driving task after adequate prior notification. Therefore, facilitating appropriate automation trust is a key component for enabling successful cooperation between drivers and conditional automated driving systems. Earlier work indicates that providing drivers with proper information about conditional automated driving systems might be one promising approach to do this. Considering the role of automation trust as a variable in the design of vehicle technology, however, also requires that drivers` automation trust can be viably measured in the first place. Accordingly, the objectives of this thesis were to explore difffferent methods for measuring drivers` automation trust in the context of conditional automated driving as well as the identification, implementation and evaluation of possible approaches for designing drivers` automation trust in conditional automated driving systems. For these purposes, three driving simulator studies with N = 280 participants were conducted. The results indicate that (i) both self-report measures and behavioral measures can be used to assess drivers` automation trust in conditional automated driving systems, (ii) prior familiarization with system limitations can have a lasting effffect on drivers` automation trust in conditional automated driving systems and (iii) particularly information about the processes of conditional automated driving systems might promote drivers` automation trust in these systems. Thus, the present research contributes much needed approaches to both measuring and designing automation trust in the context of conditional automated driving. In addition, the current findings might also be transferred to higher levels of driving automation as well as other domains and applications of automation.

Il est proposé que la pléthysmographie pénienne puisse faire l’objet d’améliorations par la combinaison de la pléthysmographie pénienne et de la vidéo-oculographie lors de la présentation de stimuli générés par ordinateur (SGO). L’application de cette combinaison n’a fait l’objet d’aucune étude auprès d’agresseurs sexuels d’enfants. Cette thèse comporte trois articles empiriques qui visent respectivement à soutenir le développement d’un instrument d’évaluation basé sur l’utilisation combinée des réponses oculaires et érectiles lors de la présentation de SGO afin d’évaluer les intérêts sexuels d'agresseurs sexuels d’enfants. Pour ce faire, des hommes ayant eu (n = 26) ou non (n = 36) des comportements sexuels envers des enfants sont recrutés afin de constituer des groupes de comparaison. Le premier article représente une exploration préliminaire des données issues de caractéristiques sociodémographiques, sexuelles et criminologiques ainsi que des réponses oculaires et péniennes lors de présentations de SGO et de bandes sonores conventionnelles. Il permet d’orienter les décisions entourant la poursuite de la recherche. Le second article porte sur la comparaison des profils des réponses péniennes issues de présentations de SGO et de bandes sonores conventionnelles ainsi que sur leur capacité respective à classifier les individus selon la présence d’antécédents de comportements sexuels sur des enfants. Il permet d’établir la validité discriminante de l’utilisation de SGO et d’établir des normes d’utilisation clinique. Le troisième article vise à circonscrire une dynamique oculaire associée à l’intérêt sexuel envers l’âge d’un objet et à soutenir la contribution de la combinaison des réponses oculaires et péniennes lors de la présentation de SGO. En somme, les résultats issus de cette thèse soutiennent l’utilisation clinique de la pléthysmographie pénienne lors de la présentation de SGO. Ils permettent d’identifier la présence d’une signature oculaire spécifique aux agresseurs sexuels lors de la présentation de SGO. Ils démontrent la contribution de la combinaison des réponses oculaires et péniennes par rapport à une mesure reposant uniquement sur les réponses péniennes. Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation clinique de la vidéo-oculographie et de SGO et offrent non seulement des possibilités intéressantes dans le domaine de la délinquance sexuelle, mais également de la sexualité en général. / We propose that penile plethysmography could be improved by its combination with eye-tracking devices during the presentation of computer-generated stimuli (CGS). To date, the application of this combination has not been studied among child molesters. This dissertation includes three empirical articles supporting the development of an assessment instrument based on the joint measurement of ocular and penile responses during the presentation of CGS in order to evaluate the sexual interests of child molesters. To this end, men who had (n = 26) or had not (n = 36) engaged in sexual behaviors towards children were recruited. The first article consists of a preliminary exploration of the sociodemographic, sexual, and criminological characteristics of child molesters and nonoffenders as well as their respective ocular and penile responses to CGS and conventional auditory stimuli. This investigation provided a framework for the subsequent phases of the study. The second article compares the profiles of penile responses to CGS and conventional auditory stimuli and each presentation modality’s ability to classify individuals in terms of their history of sexual behaviors towards children. The third article identifies gaze patterns associated with sexual interest towards a given age group and provides support for the joint measurement of penile and ocular responses during the presentation of CGS. To summarize, the results of these studies support the clinical application of penile plethysmography in conjunction with the presentation of CGS. These results enable the identification of the eye movement signature of sexual offenders in response to CGS. Additionally, the data demonstrate the added benefits of measuring both penile and ocular responses relative to measuring penile responses in isolation. These findings provide insights for the clinical use of eye tracking and CGS and suggest interesting possibilities for the study of deviant sexuality, as well as sexuality in general.

De plus en plus de recherches sur les Interactions Humain-Machine (IHM) tentent d’effectuer des analyses fines de l’interaction afin de faire ressortir ce qui influence les comportements des utilisateurs. Tant au niveau de l’évaluation de la performance que de l’expérience des utilisateurs, on note qu’une attention particulière est maintenant portée aux réactions émotionnelles et cognitives lors de l’interaction. Les approches qualitatives standards sont limitées, car elles se fondent sur l’observation et des entrevues après l’interaction, limitant ainsi la précision du diagnostic. L’expérience utilisateur et les réactions émotionnelles étant de nature hautement dynamique et contextualisée, les approches d’évaluation doivent l’être de même afin de permettre un diagnostic précis de l’interaction. Cette thèse présente une approche d’évaluation quantitative et dynamique qui permet de contextualiser les réactions des utilisateurs afin d’en identifier les antécédents dans l’interaction avec un système. Pour ce faire, ce travail s’articule autour de trois axes. 1) La reconnaissance automatique des buts et de la structure de tâches de l’utilisateur, à l’aide de mesures oculométriques et d’activité dans l’environnement par apprentissage machine. 2) L’inférence de construits psychologiques (activation, valence émotionnelle et charge cognitive) via l’analyse des signaux physiologiques. 3) Le diagnostic de l‘interaction reposant sur le couplage dynamique des deux précédentes opérations. Les idées et le développement de notre approche sont illustrés par leur application dans deux contextes expérimentaux : le commerce électronique et l’apprentissage par simulation. Nous présentons aussi l’outil informatique complet qui a été implémenté afin de permettre à des professionnels en évaluation (ex. : ergonomes, concepteurs de jeux, formateurs) d’utiliser l’approche proposée pour l’évaluation d’IHM. Celui-ci est conçu de manière à faciliter la triangulation des appareils de mesure impliqués dans ce travail et à s’intégrer aux méthodes classiques d’évaluation de l’interaction (ex. : questionnaires et codage des observations). / More and more researches on Human-Computer Interactions (HCI) are trying to perform detailed analyses of interaction to determine its influence on users’ behaviours. A particular emphasis is now put on emotional reactions during the interaction, whether it’s from the perspective of user experience evaluation or user performance. Standard qualitative approaches are limited because they are based on observations and interviews after the interaction, therefore limiting the precision of the diagnosis. User experience and emotional reactions being, by nature, highly dynamic and contextualized, evaluation approaches should be the same to accurately diagnose the quality of interaction. This thesis presents an evaluation approach, both dynamic and quantitative, which allows contextualising users’ emotional reactions to help identify their causes during the interaction with a system. To this end, our work focuses on three main axes: 1) automatic task recognition using machine learning modeling of eye tracking and interaction data; 2) automatic inference of psychological constructs (emotional activation, emotional valence, and cognitive load) through physiological signals analysis; and 3) diagnosis of users’ reactions during interaction based on the coupling of the two previous operations. The ideas and development of our approach are illustrated using two experimental contexts: e-commerce and simulation-based training. We also present the tool we implemented in order to allow HCI professionals (e.g.: user experience expert, training supervisor, or game designer) to use our evaluation approach to assess interaction. This tool is designed to facilitate the triangulation of measuring instruments and the integration with more classical Human-Computer Interaction methods (ex.: surveys and observation coding).

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O car?ter influente da aten??o sobre diversos outros processos psicol?gicos (e.g., consci?ncia, mem?ria, tomada de decis?o) salienta sua import?ncia, e logicamente resulta em uma dificuldade na segrega??o de suas fronteiras te?ricas e na defini??o clara desse fen?meno. Em um campo de pesquisa emp?rica atual sobre aten??o, vieses da orienta??o atencional para est?mulos amea?adores s?o investigados. Por?m, falta aos modelos embasados em 10 achados emp?ricos nesse campo a sustenta??o em modelos te?ricos bem estabelecidos de aten??o, e existe confus?o nos estudos experimentais publicados. Al?m disso, tarefas experimentais para avaliar vieses da aten??o para a amea?a necessitam de integra??o com novas tecnologias e estrat?gias de an?lise, as quais podem gerar mais sensibilidade, validade e confiabilidade, como o rastreamento ocular e o novo ?ndice de variabilidade do vi?s atencional (ABV). Esta disserta??o est? inclu?da na sub?rea de n?mero 7.07.02.03-9 do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) ? Psicologia Experimental (Processos Cognitivos e Atencionais) ? a qual integra a grande ?rea de Psicologia. Dois estudos s?o apresentados para suprir a necessidade de avan?o no estudo sobre aten??o, controle atencional (AC) e vi?s atencional em rela??o ? amea?a (ABT). Em primeiro lugar, um estudo te?rico fornece uma vis?o hist?rica da pesquisa psicol?gica da aten??o, desde os fundadores da Psicologia moderna at? a pesquisa neuropsicol?gica integrativa atual e os modelos orientados empiricamente. Esta revis?o busca esclarecer conceitos da aten??o e diferenciar esses conceitos dos de outros dom?nios psicol?gicos. Em vez de segregar ?reas de pesquisa, ? prov?vel que essa estrat?gia promova um di?logo entre campos que pesquisam o mesmo fen?meno - mas o medem de forma diferente e atribuem-lhe nomes diferentes. Na sequ?ncia dessa revis?o te?rica, ? apresentado um estudo emp?rico, que prop?e duas adapta??es de tarefas experimentais cl?ssicas para medir o ABT: a Tarefa Dot-Probe (DPT) e a Tarefa Stroop Emocional (EST). Na EST, o desenho da tarefa foi alterado para levar em conta considera??es te?ricas importantes e para melhor adaptar a tarefa ? medida de ABV. Na DPT, uma integra??o surpreendentemente rara de tempos de rea??o e medidas de rastreamento ocular ? estabelecida, e novos ?ndices para calcular o ABT e o ABV s?o propostos. A confiabilidade e validade dos ?ndices em ambas as 11 tarefas foi investigada com estudantes universit?rios e atrav?s da diferencia??o dos mesmos ?ndices entre grupos de sintomas altos vs. baixos de ansiedade e estresse p?straum?tico. A import?ncia de progressivamente melhorar as qualidades psicom?tricas dessas tarefas experimentais ? discutida em profundidade levando em conta os achados do estudo, incluindo recomenda??es para futuras adapta??es dessas tarefas / Attention is a multifaceted construct, one that has been at the center of discussions across several moments in the history of philosophy and psychology. The characteristic of attention to influence and regulate many other psychological process (e.g., consciousness, memory, decision-making) stresses its importance, and logically results in a hardship in segregating its theoretical boundaries and clearly defining this phenomenon. In a current empirical field of research on attention, biases of attentional orientation to threatening stimuli are investigated. However, models generated from empirical findings lack sustentation on well-established theoretical models of attention, and confusion exists across published experimental studies. Furthermore, experimental tasks to assess biases towards threat require integration with new operationalization and analysis strategies, which can provide better sensitivity, validity and measurement reliability, such as eye tracking and the novel index of attentional bias variability (ABV). This dissertation is included in the subarea number 7.07.02.03-9 of the Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) ? Experimental Psychology (Attentional and Cognitive Processes) ? which integrates the broader area of Psychology. Two studies are presented to answer to the need of advancing research about attention, attentional control (AC) and attentional bias relative to threat (ABT). Firstly, a theoretical study provides a historical overview of psychological research on attention, from the founders of modern Psychology to current neuropsychological integrative research and empirically-oriented models. This review is expected to clarify constructs of attention and to differentiate these constructs from those of other Psychological domains. Instead of segregating research fields, this is likely to promote a 9 dialogue between fields that research the same phenomena ? but measure them differently and attribute to them different names. Following this theoretical review, an empirical study is presented, which proposes two adaptations of classical experimental tasks to measure ABT: the DotProbe Task (DPT) and the Emotional Stroop Task (EST). On the EST, task design is altered to account for important theoretical considerations and to better adapt the task to the measurement of ABV. On the DPT, a surprisingly rare integration of reaction times and eye tracking measures is established, and novel indices to calculate ABT and ABV are proposed. The reliability and validity of indices in both tasks is investigated with university students and through the differentiation of such indices between groups of high vs. low symptoms of anxiety and posttraumatic stress. The importance of pursuing the improvement of psychometric qualities of experimental tasks is discussed in depth upon the findings of the study, including recommendations to future experimental designs.

Les troubles neuropsychologiques sont très répandus et posent de réels problèmes de santé publique. En particulier, dans notre société moderne où la communication écrite est omniprésente, la dyslexie peut s’avérer excessivement handicapante. On remarque néanmoins que le diagnostic et la remédiation de cette pathologie restent délicats et manquent d’uniformisation. Ceci semble malheureusement inhérent à la caractérisation clinique par exclusion de la dyslexie, à la multitude de praticiens différents impliqués dans une telle prise en charge ainsi qu’au manque d’objectivité de certaines méthodes existantes. A ce titre, nous avons décidé d’investiguer les possibilités offertes par l’informatique actuelle pour surmonter ces barrières. Effectivement, nous avons supposé que la démocratisation des systèmes informatiques et leur puissance de calcul pourraient en faire un outil de choix pour pallier les difficultés rencontrées lors de la prise en charge de la dyslexie. Cette recherche nous a ainsi mené à étudier les techniques, aussi bien logicielles que matérielles, pouvant conduire au développement d’un système bon marché et évolutif qui serait capable d’assister un changement bénéfique et progressif des pratiques qui entourent cette pathologie. Avec ce projet, nous nous plaçons définitivement dans un courant innovant au service de la qualité des soins et des aides apportées aux personnes souffrant d’un handicap. Notre travail a ainsi consisté à identifier différents axes d’amélioration que l’utilisation de l’outil informatique rend possible. Chacun de ces axes a alors pu faire l’objet de recherches exhaustives, de modélisations et de développements de prototypes. Nous avons également réfléchi à la méthodologie à mettre en œuvre pour concevoir un tel système dans sa globalité. En particulier, nos réflexions et ces différents accomplissements nous ont permis de définir un framework logiciel propice à l’implémentation d’une plate-forme logicielle que nous avons appelée la PAMMA. Cette plate-forme devrait théoriquement pouvoir disposer de tous les outils permettant le développement souple et efficace d’applications médicales intégrant des processus métiers. Il est ainsi attendu de ce système qu’il permette le développement d’applications, pour la prise en charges des patients dyslexiques, conduisant à un diagnostic plus rapide et plus précis ainsi qu’à une remédiation plus adaptée et plus efficace. De notre effort d’innovation ressortent des perspectives encourageantes. Cependant, ce type d’initiative ne peut se concrétiser qu’autour de collaborations pluridisciplinaires disposant de nombreux moyens fonctionnels, techniques et financiers. La constitution d’un tel consortium semble donc être la prochaine étape nécessaire à l’obtention des financements pour réaliser un premier prototype fonctionnel de la PAMMA, ainsi que de premières applications. Des études cliniques pourront être alors menées pour prouver indubitablement l’efficacité d’une telle approche dans le cadre de la prise en charge de la dyslexie, ainsi qu’éventuellement d’autres troubles neuropsychologiques. / Neuropsychological disorders are widespread and generate real public health problems. In particular in our modern society, where written communication is ubiquitous, dyslexia can be extremely disabling. Nevertheless we can note that the diagnosis and remediation of this pathology are fastidious and lack of standardization. Unfortunately it seems inherent to the clinical characterization of dyslexia by exclusion, to the multitude of different practitioners involved in such treatment and to the lack of objectivity of some existing methods. In this respect, we decided to investigate the possibilities offered by modern computing to overcome these barriers. Indeed we have assumed that the democratization of computer systems and their computing power could make of them a perfect tool to alleviate the difficulties encountered in the treatment of dyslexia. This research has led us to study the techniques software as well as hardware, which can conduct to the development of an inexpensive and scalable system able to attend a beneficial and progressive changing of practices in this pathology field. With this project we put ourselves definitely in an innovative stream serving quality of care and aid provided to people with disabilities. Our work has been identifying different improvement areas that the use of computers enables. Then each of these areas could then be the subject of extensive research, modeling and prototype developments. We also considered the methodology for designing this kind of system as a whole. In particular our thoughts and these accomplishments have allowed us to define a software framework suitable for implementing a software platform that we called the PAMMA. This platform should theoretically have access to all the tools required for the flexible and efficient development of medical applications integrating business processes. In this way it is expected that this system allows the development of applications for caring dyslexic patients thus leading to a faster and more accurate diagnosis and a more appropriate and effective remediation. Of our innovation efforts emerge encouraging perspectives. However such initiatives can only be achieved within multidisciplinary collaborations with many functional, technical and financial means. Creating such a consortium seems to be the next required step to get a funding necessary for realizing a first functional prototype of the PAMMA, as well as its first applications. Some clinical studies may be conducted to prove undoubtedly the effectiveness of such an approach for treating dyslexia and eventually other neuropsychological disorders.

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Bien que les troubles du langage formel affectent une grande partie des enfants avec Trouble du Spectre Autistique (TSA), leur nature reste encore incertaine. Certaines études postulent que le trouble observable chez ces enfants est de même nature que celui dont souffrent les enfants avec trouble spécifique du langage (TSL), tandis que d’autres argumentent en faveur de deux troubles qui diffèrent dans leur étiologie. Au centre de ce débat réside la complexité à recueillir des données sur le langage chez les enfants avec TSA, notamment quand il s’agit de participer de manière active. Dans cette étude, nous explorons l’interprétation en temps réel des indices grammaticaux chez des enfants avec TSA monolingues francophones, en nous intéressant aux pronoms clitiques objets, dont la faible production en contexte obligatoire a été proposée comme marqueur du TSL pour le français. / It is well-known that children with Autism Spectrum Disorder (ASD) often have language impairment. However, the nature of this impairment is still largely unknown. Some studies hold that language impairment in children with ASD is of the same nature as impairment found in children with Specific Language Impairment (SLI), whereas others argue that SLI and language impairment in ASD may be different both in their structure and their etiology. At the heart of this debate lies the difficulty of assessing language abilities of children with ASD, especially when active participation is required. Moreover, to date, few studies have investigated formal aspects of language in children with ASD in languages other than English. In this study, we explore real-time interpretation of grammatical cues in French-speaking children with ASD, with a focus on object clitics.

En aquesta memòria es presenten diversos treballs relacionats amb la utilització dels sensor de flux òptic de baix cost pel desenvolupament de nous sistemes de mesura compactes i de molt baix cost. Les aplicacions plantejades permeten aprofitar tot el potencial industrial d’aquest tipus de sensors. Els sensors de flux òptic tenen la peculiaritat d’incorporar dins d’un únic encapsulat un sistema d’adquisició d’imatges i un processador digital preprogramat per a realitzar el còmput de flux òptic (optical flow) de la imatge. D’aquesta manera, aquest tipus de sensors no requereixen cap sistema processador addicional i, en alguns casos, poden funcionar sense cap altre element addicional de control. Actualment, l’èxit dels sensors de flux òptic ha facilitat la seva producció industrial massiva amb costos de fabricació molt baixos el que ha incentivat el desenvolupament de noves aplicacions en camps tan diversos com la robòtica on el cost és un element fonamental en les aplicacions destinades a un mercat de consum. En aquesta memòria es presenta, per una banda, l’anàlisi de l’estat de l’art dels sensors de flux òptic i les seves aplicacions, i per l’altra, el treball de recerca realitzat sobre l’ús d’aquest sensor per a desenvolupar un codificador rotatiu incremental, un codificador absolut, un sistema de detecció de monedes falses de 2 euros, i per a realitzar el seguiment de la pupil•la de l’ull d’una persona amb discapacitat. Els resultats obtinguts a partir de les proves experimentals realitzades amb els diferents sensors de flux òptics utilitzats als dispositius proposats han permès validar les propostes realitzades i la versatilitat del disseny del sensor. / En esta memoria se presentan diversos trabajos de investigación relacionados con la utilización de sensores de flujo óptico de bajo coste para el desarrollo de nuevos sistemas de medida compactos y de muy bajo coste. Las aplicaciones planteadas permiten aprovechar todo el potencial industrial de este tipo de sensores. Los sensores de flujo óptico tienen la particularidad de incorporar dentro de un único encapsulado un sistema de adquisición de imágenes y un procesador digital preprogramado para realizar el cómputo de flujo óptico (optical flow) de la imagen. De esta manera, este tipo de sensores no requieren ningún sistema procesador adicional y, en algunos casos, pueden funcionar sin ningún otro elemento adicional de control. Actualmente, el éxito comercial de los sensores de flujo óptico ha facilitado su producción industrial masiva con costes de fabricación muy bajos lo que ha incentivado el desarrollo de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como la robótica donde el coste es un elemento fundamental en las aplicaciones destinadas a un mercado de consumo. En esta memoria se presenta, por un lado, el análisis del estado del arte de los sensores de flujo óptico y sus aplicaciones, y por el otro, el trabajo de investigación realizado sobre la utilización del sensor para el desarrollo de un codificador rotativo incremental, un codificador absoluto, un sistema de detección de monedas falsas de 2 euros y para realizar el seguimiento de la pupila del ojo de una persona con el fin de desarrollar un dispositivo apuntador que pueda ser de utilidad para una persona con discapacidad. Los resultados obtenidos en las pruebas experimentales realizadas con los diferentes sensores de flujo óptico utilizados en los dispositivos propuestos han permitido validar las propuestas realizadas y la versatilidad del diseño del sensor. / This work presents the research performed with optical flow sensors and the proposal of several new compact and low cost applications developed to take full advantage of the industrial potential of these sensors. Optical flow sensors include into the same chip an image acquisition system and a digital signal processor programmed to compute the optical flow of the image acquired. These sensors do not require additional post-processing and can operate without any other additional external control or processing device. Currently, the commercial success of the optical flow sensors has fostered its massive industrial production and has reduced its final cost. This characteristic, combined with the versatility of the design of the sensor, has also fostered the development of a huge range of new applications in different areas, such as robotics, where the cost is a fundamental factor that prone the development and commercialization of new consumer applications. This works presents, in one hand, a review of the state of the art of the research and development related with optical flow sensors and, in the other hand, a set of new applications proposed to take full advantage of the characteristics of the sensor. The new applications proposed are: a relative encoder, an absolute encoder, a counterfeit system for the 2€ case, and an accessibility device that tracks the pupil of the user to control pointer displacement in a computer screen. This device has been designed specifically to help people with mobility impairments in the upper extremities that cannot use the computer mouse. In all cases, the experimental results achieved with the different optical flow sensors used in the new applications proposed have validated the utility and versatility of each proposal and the utility and versatility of the design of this optical sensor.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Erforschung der Fahrer-Fahrzeug-Interaktion mit dem Ziel der Fahrerabsichtserkennung bei Spurwechselmanövern. Diese Fahrmanöver sind mit einer überproportionalen Unfallhäufigkeit verbunden, die sich in den Unfallstatistiken widerspiegelt. Laut Statistischem Bundesamt (2008) kamen im Jahr 2007 12,0% (1857) aller Unfälle mit schwerem Sachschaden auf Autobahnen in Deutschland aufgrund von Zusammenstößen mit seitlich in die gleiche Richtung fahrenden Fahrzeugen zustande (S. 65). Mit Hilfe der Information über einen intendierten Spurwechsel kann ein System an das zukünftige Fahrerverhalten angepasst werden, um so die Funktionalität und damit das Sicherheitspotential des Gesamtsystems zu erhöhen. Zusätzlich können mit dieser Information auch unerwünschte Systemeingriffe unterdrückt werden, die den Fahrer stören und so zu einer Minderung der Akzeptanz des jeweiligen Fahrerassistenz- und Informationssystems führen könnten. So kann einerseits ein Assistenzsystem eingeschaltet werden, das den Spurwechsel erleichtert (z.B. Side Blind Zone Alert, Kiefer & Hankey, 2008). Zum anderen kann ein Assistenzsystem abgeschaltet werden, das den Fahrer irrtümlich warnen würde, wie zum Beispiel ein Spurverlassenswarner im Falle eines beabsichtigten Überfahrens der Fahrspur (Henning, Beyreuther et al., 2007). In diesem Zusammenhang bilden drei Untersuchungen das Herzstück der vorliegenden Arbeit. In einer Feldstudie untersuchten Henning, Georgeon, Dapzol und Krems (2009) Indikatoren, die auf die Vorbereitung eines Spurwechsels hindeuten und fanden dabei vor allem Blickverhalten in den linken Außenspiegel als einen geeigneten und sehr frühen Indikator. Dieser dient wahrscheinlich vor allem dem Aufbau einer mentalen Repräsentation des rückwärtigen Verkehrs. In einer anschließenden Fahrsimulatorstudie wurde experimentell erforscht, wie diese mentale Repräsentation beschaffen ist und in welchen Komponenten des Arbeitsgedächtnisses sie gespeichert wird (Henning, Beyreuther, & Krems, 2009). In einer dritten Studie, bestehend aus zwei Laborexperimenten, wurde nach einer Schwelle für den Übergang von einer statischen in eine dynamische mentale Repräsentation sich nähernder Fahrzeuge mit Hilfe des Paradigmas des Representational Momentum (Freyd & Finke, 1984) gesucht und ebenfalls deren Lokalisation im Arbeitsgedächtnis erforscht (Henning & Krems, 2009). Die den drei Manuskripten vorangestellte Einleitung dient der allgemeinen Einführung in das Thema und der Einordnung der Befunde. Dabei wird zuerst der Spurwechselprozess dargestellt, gefolgt von einer Diskussion der zugrundeliegenden kognitiven Prozesse und einem Exkurs über die Möglichkeiten der Spurwechselabsichtserkennung und deren Verbesserung im Lichte der Befunde.

Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων για τον εντοπισμό του οφθαλμού και τον υπολογισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που συνδέονται με την κατάσταση του χρήστη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο Σύστημα Εντοπισμού Οφθαλμού που περιλαμβάνει τα υποσυστήματα της CMOS κάμερα, της μεταφοράς δεδομένων – εικόνων, της ψηφιοποίησης των δεδομένων, και τέλος το υποσύστημα της επεξεργασίας εικόνων οφθαλμού και του υπολογισμού παραμέτρων. Στα πλαίσια του τελευταίου αυτού υποσυστήματος αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες που βασίστηκαν στην εφαρμογή αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η πρώτη μεθοδολογία βασίστηκε στον υπολογισμό της μέσης φωτεινότητας για την άνω και την κάτω περιοχή του οφθαλμού. Η χρονική μεταβολή των δύο τιμών της φωτεινότητας χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή πληροφοριών για την κατάσταση του οφθαλμού (ανοιχτός ή κλειστός). Η δεύτερη μεθοδολογία στηρίχτηκε σε ένα συνδυασμό τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η επεξεργασία κάθε εικόνας της ακολουθίας video περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα: (α) ευθυγράμμιση της εικόνας σε σχέση με ένα κοινό σύστημα αναφοράς, (β) εφαρμογή δύο φίλτρων για την ανίχνευση των κορυφών και των κοιλάδων της εικόνας, (γ) σύντηξη των δύο φιλτραρισμένων εικόνων που προκύπτουν και (δ) μετατροπή της εικόνας σύντηξης σε δυαδική με εφαρμογή κατάλληλου κατωφλίου. Η καταμέτρηση των λευκών εικονοστοιχείων της δυαδικής εικόνας στην περιοχή του οφθαλμού καθορίζει την κατάσταση του οφθαλμού (ανοικτός ή κλειστός). Τέλος, και μέσω του λογισμικού, υπολογίζονται οι σχετικές παράμετροι της κατάστασης του οφθαλμού όπως ο αριθμός ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού, η διάρκεια κάθε ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού και οι χρονικές αποστάσεις μεταξύ των προσδιορισμένων ανοιγο-κλεισιμάτων σε μια αλληλουχία συλλεγμένων εικόνων. / The scope of the thesis was the development and application of digital image processing techniques in order to detect human eye in video sequences and determine parameters related to the user’s state. Specifically, an integrated Eye-Tracking System was used in order to obtain the necessary image frames for further processing. The System consists of four modules, the CMOS camera module, the transfer module, the digitization module and the software module. The software module was based on the application of image processing techniques to detect the eye and calculate specific parameters. Two image processing techniques were developed and tested throughout this thesis. The first method was based on the calculations of the mean brightness of the upper and lower eye region for each frame of the video sequence. The temporal variation of this mean value provided useful information for the eye state (open/closed). The second method was based on a combination of various image processing techniques. The processing of each video frame comprises of four basic steps: a) registration of the image in relation to the first frame of the video sequence, b) filtering in order to detect the peaks and valleys of the image being processed, c) fusion of the filtered images, and d) binarization of the fused image by thresholding. The calculation of the number of white pixels in the eye region of the binary image indicates the state of the eye (open/closed) and allows the determination of the blink parameters related to the user’s state (vigilance/somnolence). The parameters being measured throughout this thesis were the number of eye blinks, the blink duration and the blink interval.