"Thèse en cotutelle, Doctorat sur mesure en théorie de l'architecture numérique" / Depuis le début des années 1990, l’ordinateur a introduit de nouvelles réalités technologiques dans les pratiques architecturales. Le changement s’est opéré progressivement, aux travers de plusieurs expérimentations, qui ont entrainé l’appropriation de certains logiciels et environnements de programmation, et aussi l’élaboration de nouvelles machines de fabrication. De nombreux architectes ont d’ailleurs expérimenté ces nouvelles technologies dans l’objectif de trouver de nouveaux modes d’exploration de la forme. Ces explorations architecturales constituent un corpus d’étude riche et fécond pour rendre compte des différentes conduites et attitudes adoptées vis-à-vis des technologies numériques. En s’appuyant sur certains penseurs de la technique comme le philosophe Gilbert Simondon, cette recherche a défini des sensibilités singulières propres aux architectes, construites par étapes successives, et modifiant à chaque fois leurs approches du projet. Notre démarche transductive montre que ces sensibilités technologiques s’avèrent à la fois structurantes et structurées par les explorations architecturales. Cette évolution des sensibilités participe autant que les projets à la construction d’un imaginaire numérique, lequel est à l’origine d’inventions architecturales particulières. Ces inventions architecturales propres au numérique ne se sont pas réalisées directement, mais au travers d’une articulation technologique complexe, intégrant les différentes phases du projet-objet. L’analyse de cette chaîne de relation a permis de suivre les tensions entre les désirs architecturaux et les potentialités technologiques qui ont structuré la période étudiée. Cette énergie humaine, déployée et accumulée sur plus de vingt ans d’expérimentations et d’explorations, a finalement laissé des traces sur les différentes couches du bâtiment, révélant par là certains aboutissements du numérique en architecture. Mots clefs : architecture numérique, philosophie des techniques, sensibilités esthétiques, Gilbert Simondon, interfaces graphiques, explorations formelles. / Since the beginning of 90s, computers introduced new technological realities in architectural practices. Changes occurred gradually, through several phases of experimentation, and performed by tools (software) or manufacturing machines of all kinds, revealing the different ways architects appropriate technologies. Many architects seized these technological opportunities to find new ways in exploring the form. These architectural explorations constitute a rich and fruitful corpus to understand the different behaviors and attitudes towards digital technologies. Based on philosophers of technique such as Gilbert Simondon, this research defines the sensibilities specific to architects constructed in successive steps and modifying their perceptions of the project. Our transductive approach shows that these technical sensibilities happen to be structured by the architectural explorations and at the same time to structure these explorations. This evolution of sensibility participates in the construction of the architect’s digital thinking, which is at the origin of some particular architectural inventions. These architectural inventions specific to digital technologies are not achieved directly, but integrating different phases of the project-object through a complex technical articulation. The analysis of this chain relationship allows monitoring the tensions between architectural desires and technical potentials, which structure the studied period. The human efforts deployed and accumulated over twenty years of experimentation and exploration have finally left their mark on different layers of the building by revealing, thus, some particular achievements of digital technologies in architecture. Keywords: digital architecture, philosophy of technology, aesthetic sensibilities, Gilbert Simondon, graphic user interface, formal explorations.

Cette recherche propose un milieu virtuel comme un dispositif de représentation morphologique des ambiances lumineuses générées par une structure adaptative et dynamique, mettant en relation le rapport entre l’extérieur et l’intérieur à l’étape de conception architecturale. L’outil développé appelé DARMIN, « Daylight Adaptive aRchitecture Modeling INterface », devient l’inducteur exploratoire de la démarche de création, grâce à son système interactif. Le concepteur, en situation d’exploration typologique formelle, exploite les potentialités et les qualités de l’espace architectural que l’ambiance lumineuse recèle. De cette façon, la recherche proposée offre la possibilité de l'émergence de nouvelles réponses morphologiques complexes soutenant la démarche du design. Elle permet en outre aux concepteurs d’expérimenter un large éventail de solutions possibles dans un laboratoire virtuel, un environnement de conception contrôlée qui renforce la créativité de l’architecte. Ainsi, la recherche présentée s’intéresse particulièrement à montrer le potentiel d’une structure architecturale adaptative qui bonifie quantitativement et qualitativement l’expérience de l’espace interne et externe, à travers la nature dynamique de l’ambiance lumineuse. / This research proposes a virtual environment as a device for morphological representation of luminous ambiances generated by an adaptive and dynamic structure, linking the relationship between the outside and inside at the stage of architectural conception. This developed tool called DARMIN « Daylight Adaptive aRchitecture Modeling INterface », becomes an exploratory inductor within the creative process through its interactive system. The designer, in typologically formal exploration phase, exploits the potential and qualities of architectural space that luminous ambiances harbors. In this way, the proposed research offers the possibility of the emergence of new complex morphological responses supporting the process of design. It also allows designers to experiment with a wide range of possible solutions in a virtual laboratory, controlled design environment that enhances the creativity of the architect. Thus, the presented research is particularly interested in showing the potential of adaptive architectural structure that quantitatively and qualitatively improves the experience of internal and external space through the dynamic nature of the luminous ambiances.

La diversité environnementale et l’intégration des qualités visuelles et thermiques de la lumière sont intimement liés à l’expérience du projet d’architecture ainsi qu’à sa performance énergétique. Plusieurs logiciels de simulation informatique ont été récemment développés afin de faciliter l’évaluation quantitative de l’éclairage naturel et de son impact sur l’environnement thermique. Cependant, très peu de recherches ont étudié le volet qualitatif de l’éclairage naturel en explorant simultanément le caractère lumineux et thermique de l’espace. Cette facette de l’architecture se manifeste par la conception matérielle du bâtiment (ouvertures, matériaux, etc.) et constituent un facteur déterminant de la perception spatiale par l’usager. Il est donc primordial pour le concepteur de maîtriser ces notions et de les appliquer dès les premières esquisses du projet. Il peut cependant s’avérer très complexe pour l’architecte de prévoir et d’évaluer «l’invisible» (i.e. l’environnement thermique) au moment de la conception. Les caméras infrarouges permettent désormais la lecture de l’environnement thermique et peuvent devenir un puissant outil pour qualifier et représenter les ambiances thermiques liées au rayonnement solaire en architecture. La représentation de la diversité des ambiances lumineuses et thermiques peut avoir un effet fort bénéfique au niveau de la compréhension et de l’évaluation de bâtiments existants et ainsi constituer une banque de précédents à consulter lors de la conception architecturale. La recherche propose d’explorer le potentiel de l’imagerie digitale (photographique et thermographique), combiné aux différents outils de conception et de représentation architecturale, afin de permettre la visualisation et l’analyse de la diversité environnementale des ambiances physiques au niveau spatial ainsi qu’au niveau temporel. Mots-clés : Diversité environnementale, lumière, thermique, architecture, caméra digitale, contraste, visualisation, représentation, modélisation, image numérique. / The energy efficiency of a building is closely linked to the experience of occupants in architecture. Architects neglecting the visual and thermal qualities of light during the preliminary phase of design can lead to occupants discomfort and deceiving energy performance of the building. Architects must integrate environmental diversity as a design criteria at the first stage of design. While the assessment of the quantitative aspect of light and heat has been widely explored, very few researchers investigated the combined visual and thermal qualities of light over space and time. Energy modeling softwares, which are often used in the design and construction industry, tend to rely on precise information such as the nature of all materials and need countless information to operate, which allows only experts to get a detailed insight on the visual and thermal behavior of a building. This also makes energy simulation modeling inadequate at the first stage of design since a lot of parameters are still unknown. We could therefore say that software simulation «validates» a design concept, but cannot help «generate» that concept. That being said, it can be difficult for designers to figure out how the «invisible» (i.e. the thermal environment) part of the physical environment varies without the involvement of software modeling. There is indeed a need for a new method, a new type of precedents in architecture, devoted to train the eye of the architects to predict, by intuitive thinking, the behavior of lighting and thermal patterns of daylighting in time and space. This research explores the potential of using photographic and thermographic cameras in conjunction with three-dimensional models for the representation and assessment of the quality of light and heat in existing buildings. Recent development in infrared thermal imagery now offers the opportunity to open up the invisible thermal aspect of space to architects, integrating three-dimensional modeling, a powerful tool for visualizing and representing building environments, widely used by architects. The correct representation of the dynamics of those ambiances can generate considerable benefits on the understanding and the assessment of existing buildings and thus set up an unlimited source of precedents to seek advice from during the design of a new construction. As tangible artifacts, they constitute material entities with which to interact and thereby develop knowledge. Keywords: Luminous and thermal diversity, architecture, digital imagery, contrast, visualization, representation, 3d modelling.

La rencontre de l'intelligence ambiante et de la robotique d'assistance a donné naissance à ce que nous avons appelé robotique ambiante d'assistance car destinée à assister une personne en perte d'autonomie. Elle s'appuie sur l'existence de réseaux d'objets communicants présents dans l'environnement de la personne pour décliner un ensemble de services et de téléservices destinés à faciliter la vie quotidienne de cette personne et de son entourage. Un, voir plusieurs robots peuvent être présents dans cet environnement. Une communauté scientifique récente s'est construite autour de la robotique ubiquitaire. Tandis que les robots des générations précédentes ont été conçus pour réaliser des tâches spécifiques et construits en tant qu'unité indépendante, la nouvelle génération vise l'ubiquité. L'autonomie du robot est, dans ce cadre, obtenue par une interaction étroite entre le robot et l'environnement ambiant communicant. Jusqu'à ces dernières années le robot évoluait dans un environnement plutôt hostile qui ne lui facilitait pas la tâche. Dans le contexte de l'intelligence ambiante, les objets communicants de l'environnement peuvent jouer un rôle "facilitateur" en aidant le robot à se localiser, naviguer, rechercher un objet. Inversement, le robot peut être vu comme un objet communicant qui est mis à contribution par des services autres que l'assistance à la personne en perte d'autonomie. Le premier objectif de cette thèse est de proposer une architecture informatique permettant la coopération entre le robot et les objets communicants présents dans l'environnement tels que les capteurs ou les actionneurs. Une des difficultés est que le robot évolue dans un environnement encombré, changeant de façon non prédictible au sens où, par exemple, les capteurs ambiants peuvent être disponibles/indisponibles, accessibles/inaccessibles. Il est donc nécessaire de disposer de mécanismes d'adaptation face à des situations diverses voir imprévues afin qu'au final, le robot réussisse sa mission, se déplacer d'un point A à un point B, si possible en tenant compte de contraintes telles que le degré d'urgence ou le niveau de précision. Nous avons aussi pris en compte une autre contrainte, d'ordre éthique, dimension très débattue dans les projets de robotique d'assistance à domicile, qui est le degré d'intrusion. L'intrusion d'une intelligence ambiante capable d'agir et de percevoir, en présence de la personne, occasionne une gêne pour celle-ci et son entourage. Dans le cadre de cette thèse, nous évaluerons notre architecture informatique de coopération entre le robot et le réseau de capteurs, ainsi que les mécanismes d'adaptation avec la tâche de localisation du robot. L'ambition est de fournir un résultat de localisation à tout prix, quitte à ce qu'il soit dégradé et ce, quelle que soit la situation rencontrée. Pour répondre à cette obligation de résultat, nous avons introduit la notion d'effet. Le système cherche à se rapprocher le plus près possible de l'effet demandé. C'est la solution acceptable, au sens de certains critères, qui est retenue. Ce n'est pas forcément la solution optimale. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer une méthode de localisation par coopération robot-environnement communicant. Notre ambition est de localiser avec certitude le robot dans une zone de l'habitat. Les dimensions de cette zone peuvent être très variables. Ces dimensions dépendent des besoins de la tâche, voire de l'enchaînement de tâches, que prévoit de réaliser le robot à cet instant, mais découlent aussi de facteurs comme la dispersion des capteurs dans l'environnement, la qualité des mesures disponibles. Nous partons du principe qu'une bonne connaissance de sa situation, la certitude d'être dans cette zone avec une précision connue, permettra au robot d'adopter la meilleure stratégie possible pour assurer sa mission qui est de retrouver la personne dans son habitat. Aussi, la position et l'orientation du robot doivent être données avec une précision garantie. C'est moins la précision que la certitude que le robot appartienne à cette zone qui importe. Bien que l'approche de localisation ait pour ambition d'utiliser les mesures provenant d'un réseau de capteurs, les plus variés possibles, situés dans l'environnement ou sur le robot, elle n'a pas vocation, du moins dans sa version de base, à répondre à tous les cas de figure. Nous allons préciser le périmètre de son utilisation. L'un des intérêts de cette méthode est d'être apte à utiliser des mesures issues de capteurs du robot et de l'environnement. Les mesures sont des angles connus avec une certaine incertitude. La localisation est obtenue par multilatération. La version de l'algorithme proposé dans cette thèse a pour vocation d'une part, de montrer l'intérêt de l'approche par intervalles, et d'autre part, de disposer d'une méthode de localisation qui sera utilisée par les agents capteurs du SMA décrit plus haut. Des améliorations peuvent être apportées sur plusieurs points. Tout d'abord, les mesures aberrantes qui violent de l'hypothèse d'erreur bornée ne sont pas traitées. Il existe des pistes dans la littérature pour y remédier. Par ailleurs, il a été considéré, pour simplifier la présentation de l'approche, que la localisation des capteurs et des marqueurs de l'environnement était connue. Mais il est facile d'introduire cette incertitude dans l'algorithme.

Les capacités d'auto-reconfiguration des architectures FPGA modernes ouvrent la voie à des applications dynamiques capables d'adapter leur fonctionnement pour répondre à des évènements ponctuels. Les flots de reconfiguration des architectures commerciales sont aujourd'hui aboutis mais limités par des contraintes inhérentes à la complexité de ces circuits. Dans cette thèse, plusieurs contributions sont avancées afin de proposer une architecture FPGA reconfigurable permettant le placement dynamique de tâches matérielles. Dans un premier temps, une représentation intermédiaire des données de configuration de ces tâches, indépendante de leur positionnement final, est présentée. Cette représentation permet notamment d'atteindre des taux de compression allant jusqu'à 11x par rapport à la représentation brute d'une tâche. Un flot de conception basé sur des outils de l'état de l'art accompagne cette représentation et génère des tâches relogeables à partir d'une description haut-niveau. Ensuite, le comportement en ligne de ce mécanisme est étudié. Deux algorithmes permettant le décodage de ces tâches et la génération en temps-réel des données de configuration propres à l'architectures son décrits. Par ailleurs, une amélioration du réseau d'interconnexion d'une architecture FPGA est proposée pour accroître la flexibilité du placement de tâches hétérogènes, avec une augmentation de 10% en moyenne du délai du chemin critique. Enfin, une alternative programmable aux mémoires de configuration de ces circuits est étudiée pour faciliter leur reconfiguration partielle. / The self-reconfiguration capabilities of modern FPGA architectures pave the way for dynamic applications able to adapt to transient events. The CAD flows of modern architectures are nowadays mature but limited by the constraints induced by the complexity of FPGA circuits. In this thesis, multiple contributions are developed to propose an FPGA architecture supporting the dynamic placement of hardware tasks. First, an intermediate representation of these tasks configuration data, independent from their final position, is presented. This representation allows to compress the task data up to 11x with regard to its conventional raw counterpart. An accompanying CAD flow, based on state-of-the-art tools, is proposed to generate relocatable tasks from a high-level description. Then, the online behavior of this mechanism is studied. Two algorithms allowing to decode and create in real-time the conventional bit-stream are described. In addition, an enhancement of the FPGA interconnection network is proposedto increase the placement flexibility of heterogeneous tasks, at the cost of a 10% increase in average of the critical path delay. Eventually, a configurable substitute to the configuration memory found in FPGAs is studied to ease their partial reconfiguration.

La mise en ligne des travaux pratiques est une problématique de recherche étudiée depuis plus d'une décennie en raison des enjeux pédagogiques et économiques qu'elle engendre. En effet, il s'agit d'une catégorie d'enseignements indispensables aux disciplines scientifiques, technologiques et mathématiques et d'ingenierie visant à atteindre des objectifs d'apprentissage particuliers liés à l'acquisition de compétences professionnelles et scientifiques, mais aussi au travail de groupe et de communication. Des recherches dans le domaine des télé-TPs ont permis de mettre en évidence des problèmes d'ordre pédagogiques et techniques qui entravent le développement et l'acceptation des télé-TPs par les acteurs de la formation, dont nos travaux tentent d'apporter des réponses. En particulier, cette thèse traite les problématiques liées (1) aux fondements théoriques de l'apprentissage en ligne dans le cadre de télé-TPs, (2) aux avancées tant techniques que pédagogiques des Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH), et (3) aux avancées techniques et technologiques pour la mise en ligne de dispositifs de laboratoires distribués et mutualisés. En d'autres termes, il s'agit d'atteindre l'efficacité pédagogique des télé-TPs tout en les intégrant aux EIAHs utilisés pour les autres types d'activités d'apprentissage. Nos propositions s'articulent autour de deux éléments clés : (1) une architecture structurée en couches assurant une communication transparente entre les contextes d'apprentissage (EIAH) et d'expérimentation (laboratoires en ligne), et (2) un méta-modèle qui, d'une part, décrit de façon formelle les éléments inhérents à l'activité de télé-TP (laboratoires, dispositifs et expériences) ainsi que les activités réalisées par les utilisateurs sur ces entités, et d'autre part dirige le contrôle et la supervision des expériences et laboratoires. D'un point de vue technique, nos contributions concernent la proposition d'un méta-modèle standard pour le pilotage et la gestion du cycle de vie des expériences qui facilite la représentation homogène des dispositifs hétérogènes de laboratoires tout en favorisant le déploiement et l'exploitation d'expériences distribuées sur plusieurs sites, ainsi que l'introduction d'interfaces de contrôle et de supervision uniformes masquant les détails spécifiques des laboratoires distants aux applications de haut niveau telles que les EIAHs. D'un point de vue pédagogique, nous introduisons l'objet pédagogique " Expérience " afin d'encourager la pratique, le partage et la réutilisation des télé-TPs dans les cursus en ligne, et supportons différentes fonctions pédagogiques telles que l'apprentissage collaboratif et le tutorat (synchrone et asynchrone) à travers un ensemble d'IHMs adaptées dont le développement est rendu aisé par la décomposition du système global en différentes couches. Nos propositions ont été expérimentées dans le cadre de télé-TPs relatifs à notre domaine d'enseignement, l'informatique. Les différents méta-modèles génériques ont été spécialisés pour décrire et superviser l'environnement d'expérimentation ainsi que les expériences qui y prennent place, mais également afin de modéliser, stocker et exploiter les traces des interactions entre les utilisateurs et ces expériences. Enfin, des composants spécifiques assurent le lien entre les modèles abstraits et les ressources de bas niveau, alors que des outils et IHMs de haut niveau supportent différentes fonctions pédagogiques : * La conception pédagogique est étendue à la conception des expériences en ligne à travers une IHM intuitive proposée aux enseignants, qui leur permet de concevoir et de tester des expériences avec un niveau de complexité arbitraire. * L'apprentissage en ligne est supporté par une interface Homme-Machine réaliste qui assure à la fois la réalisation d'opérations sur les expériences distantes, une navigation efficace parmi les composants d'une expérience en ligne, mais également l'apprentissage collaboratif. * Le tutorat en ligne est supporté par une interface qui étend l'IHM d'apprentissage avec des privilèges élargis et des outils supplémentaires permettant aux tuteurs distants de détecter les situations de blocage, de venir en aide aux apprenants en difficulté, et enfin d'évaluer les travaux de ces apprenants.