Aujourd'hui le téléphone portable est un outil multifonction qui sert à communiquer, s'informer, interagir, dans des contextes variés comme au domicile, dans la rue ou les transports. Cependant, le développement de nouvelles fonctionnalités est fortement contraint par les limitations de l'interface homme-machine (petit écran, clavier physique réduit ou absent, interaction à une main). L'amélioration de l'interface de ces dispositifs constitue donc un enjeu scientifique et industriel majeur comme nous le montre l'exemple de l'iPhone. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Elle étudie tout d'abord les contraintes spécifiques aux dispositifs mobiles puis classe les techniques de l'état de l'art et les solutions qu'elles apportent pour répondre aux contraintes précédemment identifiées. Elle propose ensuite cinq nouvelles techniques d'interaction qui visent à résoudre des problèmes non entièrement résolus. TapTap et MagStick sont deux techniques qui répondent au problème de la sélection de petites cibles au pouce sur un écran tactile. Les claviers physiques étant souvent absents sur dispositifs mobiles, le LeafMenu augmente les menus linéaires en permettant de les activer via des raccourcis gestuels. Les MicroRolls proposent d'enrichir la bande passante interactionnelle des dispositifs mobiles au moyen de gestes de roulement du pouce. Ces gestes, différentiables des gestes de glissement habituels grâce à leur forme caractéristique, permettent d'augmenter le vocabulaire d'entrée des écrans tactiles, par exemple pour activer efficacement des commandes très fréquentes. Enfin la dernière contribution de cette thèse, propose d'utiliser les gestes en trois dimensions comme autre moyen d'enrichir le vocabulaire d'entrée. Elle est illustrée par TimeTilt, une technique combinant des gestes fluides et impulsifs pour faciliter la navigation entre plusieurs vues.

Les objectifs essentiels des opérateurs ferroviaires sont d'augmenter la sécurité, de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, d'accroître l'attrait et le profit en offrant de nouveaux services aux passagers. Ces objectifs seront atteintsgrâce à une énorme augmentation des échanges de flux de données entre les infrastructures existantes et les technologies présentes utilisées au bord du train. L'efficacité spectrale, l'optimisation des ressources radioélectriques ainsi que l'interopérabilité mais aussi la fiabilité des communications sont des éléments majeurs pour les applications ferroviaires. Ces contraintes ainsi que l'utilisation sporadique des bandes fréquentielles à disposition ont donné le jour à la radio intelligente. Cette dernière se présente comme une technologie émergente qui améliore les performances des systèmes radio existants en intégrant l'intelligence artificielle avec la radio logicielle. Un système radio intelligent est défini par sa capacité à être conscient de son environnement radioélectrique. En effet, afin d'optimiser au maximum les opportunités spectrales qui lui sont offerts, le dispositif radio intelligent doit être capable de transmettresur des bandes laissées libres tout en réalisant un sondage spectral afin de ne pas interférer avec les utilisateurs ayant la priorité sur la bande mais aussi pour détecter d'autres fréquences vacantes. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de nous concentrer sur la problématique de détection de spectre dans un environnement à très forte mobilité. Certaines contraintes sont à prendre en compte, telles que la vitesse. À cela s'ajoute les contraintes de réglementation concernant les critères de détection, telles que la norme IEEE 802.22 WRAN qui stipule que la détection d'un utilisateur prioritaire doit être réalisée à -21dB dans un laps de temps de 2 secondes. L'objectif est donc de concevoir un terminal radio intelligent dans les conditions physiques et réglementaires de transmission dans un environnent ferroviaire. / The main objectives of railway operators are to increase safety, reduce operating and maintenance costs, increase attractiveness and profit by offering new services to customers. These objectives will be achieved through a huge increase of data fluxes between existing infrastructure and the technologies currently used on the train. Spectral efficiency, optimization of radio resources, interoperability and reliability of communications are major elements for railway applications. These constraints and the sporadic use of available frequency bands have gave rise to cognitive radio. Cognitive radio is an emerging technology that improves the performance of existing radio systems by integrating artificial intelligence with software radio. A cognitive radio system is defined by its ability to be aware of its radio environment. Indeed, to optimize as much as possible the available spectral opportunities, the cognitive radio device must be able to transmit on free bands while performing a spectrum sensing to not interfere with users having priority on the band and to detect other vacant frequencies. As part of this thesis, we propose to focus on the problem of spectrum detection in a highly mobile environment. Some constraints should be considered, such as speed. Added to this, there are regulatory constraints on detection criteria, such as the IEEE 802.22 WRAN standard, which stipulates that detection of a priority user must be performed at -21 dB within a period of 2 seconds. The objective is therefore to design an intelligent radio terminal in the physical and regulatory conditions of transmission in a railway environment.

De nos jours, le maintien de l'asepsie dans la salle d'opération est vital pour la limitation de la transmission d'infections nosocomiales au patient lors de l'opération. Des mesures d'asepsie drastiques ont pour but de préserver la zone stérile de tout agent infectieux.Elles interdisent actuellement au chirurgien d'interagir avec les équipements non-stériles du bloc.Le chirurgien opérant souhaiterait cependant disposer d'un contrôle direct sur certains équipements spécifiques du bloc dans des situations données sans enfreindre ces mesures.Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement d'une Interface Homme-Machine permettant la commande gestuelle sans contact, et donc sans transmission d'agents infectieux, de tels équipements.Dans la continuité des travaux existants dans la littérature, une chaîne de traitement basée sur des techniques de vision informatique et un prototype de caméra portée par l'utilisateur ont ainsi été développés pour atteindre ces objectifs. Ce document présente les études comparatives menées sur des algorithmes issus de la littérature afin de sélectionner les plus aptes à être employés dans la chaîne logicielle. Un descripteur géométrique dédié aux mains est introduit, et des approches coopératives sont investiguées sur les étapes de localisation de la main et de classification de la posture prise.Les performances de la chaîne de traitement ainsi créée sont évaluées dans différentes situations à l'aide de bases d'images et de vidéos extensives acquises dans des conditions proches de celles du bloc opératoire, ainsi que sur des images synthétiques réalisées sur un modèle virtuel de main créé ad hoc.Un démonstrateur composé de la chaîne de traitement développée et d'un prototype de caméra frontale permet, associé à une simulation de bras-support d'éclairage opératoire, d'illustrer les possibilités ouvertes par le système développé au cours de cette thèse. / Asepsis preservation in operating rooms is nowadays compulsory for avoiding the spread of hospital-acquired diseases to patients during surgeries. Drastic asepsis measures aim at preserving the sterile area of the operating room from infective agents.These measures forbid surgeons from interacting with non-sterile devices. Surgeons wish nonetheless having direct control over some of these devices.The works presented in this thesis relate to the development of a Human-Computer Interface enabling remote, hence without transmission of infective agents, non-contact control over such devices.Following on from previous authors' works in the literature, an image processing chain based on computer vision techniques and a wearable camera prototype have been developed in order to achieve these goals.This document presents the comparative studies led with algorithms issued from the literature with the aim of selecting the most suitable for using in the processing chain. A dedicated geometry-based hand descriptor is introduced, and cooperative approaches are investigated in relation with the hand localization and posture classification steps.The performance achieved by the processing chain in various situations are quantified using extensive picture and video databases acquired in conditions close to those of the operating room. Synthetic pictures created using an ad hoc virtual model of the hand are used as well for this evaluation.A demonstrator composed of the developed processing chain, a wearable camera prototype and a surgical lighting arm simulator enables the illustration of the possiblities offered by the system developed during this thesis.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent à la frontière entre deux domaines de recherche complémentaires : le domaine des Environnements Virtuels 3D (EV3D) issus de l'Informatique Graphique (IG) et de la Réalité Virtuelle (RV) et le domaine de l'Interaction Homme-Machine (IHM). Ils s'appuient sur trois constats. D'une part, on observe une place grandissante des EV3D dans notre quotidien (jeux vidéo, jeux sérieux, e-commerce, dans les musées, à travers le web et sur les dispositifs mobiles). D'autre part, les IHM se complexifient notamment avec l'apparition de formes avancées d'interaction comme l'informatique ambiante, l'interaction tangible, ou encore l'interaction spatiale et gestuelle, et s'accompagne d'une diversification des dispositifs d'interaction (souris 3D, la Wiimote, la Kinect, le Leap Motion). Enfin, la conception de techniques d'interaction avancées avec des EV3D fait apparaitre des considérations différentes prises en compte par les communautés des domaines EV3D et IHM. Par conséquent, tirer profit des considérations les plus récentes des communautés EV3D (métaphores, qualité de l'interaction 3D) et IHM (formes avancées de technique d'interaction) se traduit par un besoin de développer le couplage entre formes avancées de technique d'interaction et EV3D. Dans ce contexte, l'objectif de ces travaux de thèse est de contribuer à l'essor des environnements 3D interactifs dans de multiples situations, et notamment des situations grand public, en adoptant une approche visant à faire converger les approches 3D et IHM pour mieux établir le couplage de Techniques d'Interaction Avancées avec des Environnements Virtuels 3D Interactifs. Après une analyse des méthodes de conception de techniques d'interaction pour les EV3D, une première contribution de nos travaux consiste en un cadre de conception de l'interaction 3D. En y agrégeant les problématiques issues de la 3D et de l'IHM, ce cadre de conception permet d'identifier les différents éléments de couplages impliqués lors d'une interaction avec un EV3D. Il se base sur l'analyse des liens entre les tâches utilisateurs et les éléments de l'EV3D impactés par ces tâches. Afin de caractériser finement chaque lien, nous avons introduit la notation 3DIM (3D Interaction Modality) qui décrit les caractéristiques des différents éléments constituant une " modalité d'interaction 3D " permettant la réalisation d'une tâche d'interaction de l'utilisateur dans un EV3D. Nous avons regroupé ces éléments en 6 blocs : l'utilisateur, les actions physiques, les objets physiques manipulés, les dispositifs utilisés, les comportements 3D et les éléments 3D. Nous complétons ce cadre conceptuel par des propriétés analytiques qui permettent de guider le concepteur et procurent ainsi un caractère descriptif, évaluatif et génératif à notre modèle conceptuel de techniques d'interaction avancées pour des EV3D. Dans la cadre d'une collaboration avec le musée de l'observatoire du Pic du Midi, une mise en œuvre de ce cadre nous a conduit à concevoir et développer des techniques d'interaction tangibles et basées smartphone. Ces techniques sont utilisées par les visiteurs du musée dans un EV3D représentatif du Télescope Bernard Lyot pour l'explorer et comprendre son fonctionnement. Nous avons mené trois évaluations utilisateur afin d'explorer l'usage d'un smartphone utilisé de trois manière différentes : comme dispositif tactile, comme un objet tangible ou comme support pour une interaction gestuelle autour du dispositif pour naviguer, sélectionner ou manipuler un objet 3D dans un EV3D affiché sur un grand écran distant. / The work of this thesis fit on the boundary between two complementary research areas: the field of 3D Virtual Environment (3DVE) from Computer Graphics (CG) and Virtual Reality (RV) and the field of Human-Computer Interaction (HCI). They rely on three assessments. Firstly, we observe that 3DVE takes more importance in our daily life (video games, serious games, e-commerce, museums, through the web and on mobile devices). Secondly, HCI becomes more complex with the emergence of advance forms of interaction like ambient computing, tangible interaction or spatial and gestural interactions. This evolution goes along with a diversification of devices (3D mouse, the Wiimote, the Kinect or the Leap Motion). Thirdly, the design of interaction techniques with 3DVE brings up some different considerations taken into account by the communities in the field of 3DVE and HCI. Therefore, take advantage of the latest considerations of EV3D communities (metaphors, quality of 3D interaction) and HCI (advance forms of interaction) results in the need to develop the coupling between advance forms of interaction techniques and EV3D. In this context, the objective of this thesis work is to contribute to the development of interactive 3D environments in multiple situations, including large audience situations. The approach we developed aimed to create a bridge between 3D and HCI design considerations. We intend to improve the coupling of advance interaction techniques with interactive 3D virtual environment. After analyzing methods for the design of interaction techniques for 3DVE, a first contribution consists in a design framework of 3D interaction. This framework aggregates design issues stem from 3D and HCI and help the designer to identify several elements involve in the coupling of interaction with a 3DVE. This design framework is based on the analysis of the links between user tasks and elements of the 3DVE impacted by these tasks. In order to precisely characterize each link, we have introduced the 3DIM (3D Interaction Modality) notation that describes the characteristics of the different elements constituting a "3D Interaction Modality" for the accomplishment of a user's interaction task in a 3DVE. We have grouped these elements into six blocks: the user, the physical actions, the physical objects, the input devices, the 3D behaviors and the 3D interactive objects. We complete our framework with analytical properties for guiding the designer and provide descriptive, evaluative and generative power at our conceptual model of advanced interaction techniques for 3DVE. Collaborating with the Museum of "Le Pic du Midi" observatory in France, we used our framework to design and implement tangible interaction and technique based on smartphone usage. Museum visitors can use these techniques in a 3DVE of the "Telescope Bernard Lyot" to explore and understand its functioning. We have conducted three users' studies in order to explore the design space of using a smartphone to interact with 3DVE. We used the smartphone in different ways to navigate, select and manipulate a 3D object displayed on a large remote screen. We explored several design solutions with a smartphone as a touch device, as a tangible object or mid-air interaction around the device.

Les systèmes de biofeedback sont encore développés de façon ad 'hoc de nos jours. Aucun modèle ou cadre conceptuel n'existe qui regroupe et synthétise l'ensemble des découvertes réalisées, cela rendant difficile, voire impossible la comparaison d'un système à un autre pas plus que la réutilisation d'une ou plusieurs parties. Peu de dispositifs impliquent l'utilisateur dès les premières étapes de la conception. Il est pourtant partie prenante, dans ses attentes envers le système et dans la prise en compte de ses capacités physiologiques ou cognitives. L'information qui lui est restituée aura un impact certain, tant sur son engagement personnel dans le processus de rééducation que dans sa motivation à le mener jusqu'à son terme. Dans ce contexte, l'objectif de ces travaux de thèse est de faire un apport dans la conception et le développement des dispositifs de biofeedback, en adoptant une approche qui considère le patient avant tout comme l'utilisateur d'un système et en le plaçant au centre la boucle de biofeedback. Après deux revues de littérature sur les systèmes de biofeedback et sur l'utilisation de la modalité audio, nous présentons notre première contribution : le cadre de conception de systèmes de biofeedback centré utilisateur qui synthétise les meilleures pratiques de la littérature à travers une terminologie commune. Il met en évidence les principaux composants qui interviennent dans la boucle de biofeedback : les capteurs, les données, les traitements de bas niveau, la fusion multi capteurs, l'exploitation de haut niveau et enfin le rendu. Nous complétons ce cadre conceptuel par ce que nous considérons comme un point fondamental : la chaîne d'influence. Elle permet de définir ce qui a trait à l'étude des systèmes de biofeedback, mais aide aussi à préciser clairement les buts des parties prenantes que sont le praticien et l'utilisateur, les capacités de ce dernier et enfin le contexte d'utilisation. Les contributions suivantes mettent l'accent sur l'information présentée en retour à l'utilisateur : le rendu. Une première expérimentation évalue les niveaux sonores discriminables par les utilisateurs sans apprentissage. La seconde compare différentes techniques décrivant l'évolution des pressions plantaires dans le cadre de la marche afin d'évaluer la technique la plus à même de permettre aux utilisateurs de discriminer une marche pathologique d'une marche saine. Nous présentons enfin les outils d'exploration sonore que nous avons conçus et développés, complétés par un émulateur de dispositif de pressions plantaires. / Biofeedback devices are still ad 'hoc developing nowadays. No model or conceptual framework exists which gathers and summarizes all the discoveries, making it difficult or impossible to compare one system to another nor reuse of one or more element. Few devices involve the user in the early stages of design. However, he is involved in its expectations of the system and in consideration of its physiological and cognitive abilities. The information that is returned to him will have an impact on both his personal commitment to the rehabilitation process in its motivation to carry on to completion. In this context, the purpose of this thesis work is to make a contribution in the design and development of biofeedback devices, adopting an approach that considers the patient foremost as the system's user and placing him in the centre of the biofeedback loop. Following two literature reviews on biofeedback systems and the use of the auditory modality, we present our first contribution: a user centered biofeedback system design framework that synthesizes the best practices of literature through a common terminology. It highlights the main components involved in the biofeedback loop: sensors, data, low-level processing, multi-sensor fusion, high-level operation and finally rendering. We complete this framework by what we see as a fundamental point: the chain of influence. It relates to the study of biofeedback systems, but also helps to clearly define the goals of the stakeholders that are the practitioner and the user. It cares for the capabilities of the latter and finally the context of use. The following contributions focus on the information presented back to the user: the rendering. A first experiment evaluates discriminable sound levels by users without learning. The second compares different techniques describing the evolution of plantar pressure within walking to assess the most likely way to allow users to distinguish a pathological walking of healthy walking. Finally, we present the sound exploration tools we have designed and developed, complemented by a plantar pressure device emulator.