La réalité augmentée (Augmented Reality ou AR) peut potentiellement changer significativement l’expérience utilisateur. Au contraire les applications sur Smartphone ou tablette, les technologies d’affichage tête haute (Head Up Display ouHUD) aujourd’hui sont capables de projeter localement sur une zone du pare-brise ou globalement sur tout le pare-brise. Le conducteur peut alors percevoir l’information directement dans son champ de vision. Ce ne sont pas que les informations basiques comme vitesse ou navigation, le système peut aussi afficher des aides, des indicateurs qui guident l’attention du conducteur vers les dangers possibles. Il existe alors un chalenge scientifique qui est de concevoir des visualisations d’interactions qui s’adaptent en fonction de l’observation de la scène mais aussi en fonction de l’observation du conducteur. Dans le contexte des systèmes d’alerte de collision avec les piétons (Pedestrian Collision Warning System ou PCWS), l’efficacité de la détection du piéton a atteint un niveau élevé grâce à la technologie de vision. Pourtant, les systèmes d’alerte ne s’adaptent pas au conducteur et à la situation, ils deviennent alors une source de distraction et sont souvent négligés par le conducteur. Pour ces raisons, ce travail de thèse consiste à proposer un nouveau concept de PCWS avec l’AR (nommé the AR-PCW system). Premièrement, nous nous concentrons sur l’étude de la conscience de la situation (Situation Awareness ou SA) du conducteur lorsqu’il y a un piéton présent devant le véhicule. Nous proposons une approche expérimentale pour collecter les données qui représentent l’attention du conducteur vis-à-vis du piéton (Driver Awareness of Pedestrian ou DAP) et l’inattention du conducteur vis-à-vis de celui-ci (Driver Unawareness of Pedestrian ou DUP). Ensuite, les algorithmes basées sur les charactéristiques, les modèles d’apprentissage basés sur les modèles discriminants (ex, Support Vector Machine ou SVM) ou génératifs (Hidden Markov Model ou HMM) sont proposés pour estimer le DUP et le DAP. La décision de notre AR-PCW system est effectivement basée sur ce modèle. Deuxièmement, nous proposons les aides ARs pour améliorer le DAP après une étude de l’état de l’art sur les ARs dans le contexte de la conduite automobile. La boite englobante autour du piéton et le panneau d’alerte de danger sont utilisés. Finalement, nous étudions expérimentalement notre système AR-PCW en analysant les effets des aides AR sur le conducteur. Un simulateur de conduite est utilisé et la simulation d’une zone HUD dans la scène virtuelle sont proposés. Vingt-cinq conducteurs de 2 ans de permis de conduite ont participé à l’expérimentation. Les situations ambigües sont créées dans le scénario de conduite afin d’analyser le DAP. Le conducteur doit suivre un véhicule et les piétons apparaissent à différents moments. L’effet des aides AR sur le conducteur est analysé à travers ses performances à réaliser la tâche de poursuite et ses réactions qui engendrent le DAP. Les résultats objectifs et subjectifs montrent que les aides AR sont capables d’améliorer le DAP défini en trois niveaux : perception, vigilance et anticipation. Ce travail de thèse a été financé sur une bourse ministère et a été réalisé dans le cadre des projets FUI18 SERA et Labex MS2T qui sont financé par le Gouvernement Français, à travers le programme « Investissement pour l’avenir » géré par le ANR (Référence ANR-11-IDEX-0004-02). / Augmented reality (AR) can potentially change the driver’s user experience in significant ways. In contrast of the AR applications on smart phones or tablets, the Head-Up-Displays (HUD) technology based on a part or all wind-shield project information directly into the field of vision, so the driver does not have to look down at the instrument which maybe causes to the time-critical event misses. Until now, the HUD designers try to show not only basic information such as speed and navigation commands but also the aids and the annotations that help the driver to see potential dangers. However, what should be displayed and when it has to be displayed are still always the questions in critical driving context. In another context, the pedestrian safety becomes a serious society problem when half of traffic accidents around the world are among pedestrians and cyclists. Several advanced Pedestrian Collision Warning Systems (PCWS) have been proposed to detect pedestrians using the on-board sensors and to inform the driver of their presences. However, most of these systems do not adapt to the driver’s state and can become extremely distracting and annoying when they detect pedestrian. For those reasons, this thesis focuses on proposing a new concept for the PCWS using AR (so called the AR-PCW system). Firstly, for the «When» question, the display decision has to take into account the driver’s states and the critical situations. Therefore, we investigate the modelisation of the driver’s awareness of a pedestrian (DAP) and the driver’s unawareness of a pedestrian (DUP). In order to do that, an experimental approach is proposed to observe and to collect the driving data that present the DAP and the DUP. Then, the feature-based algorithms, the data-driven models based on the discriminative models (e.g. Support Vector Machine) or the generative models (e.g. Hidden Markov Model) are proposed to recognize the DAP and the DUP. Secondly, for the «What» question, our proposition is inspired by the state-of-the-art on the AR in the driving context. The dynamic bounding-box surrounding the pedestrian and the static danger panel are used as the visual aids. Finally, in this thesis, we study experimentally the benefits and the costs of the proposed AR-PCW system and the effects of the aids on the driver. A fixed-based driving simulator is used. A limited display zone on screen is proposed to simulate the HUD. Twenty five healthy middle-aged licensed drivers in ambiguous driving scenarios are explored. Indeed, the heading-car following is used as the main driving task whereas twenty three pedestrians appear in the circuit at different moment and with different behaviors. The car-follow task performance and the awareness of pedestrian are then accessed through the driver actions. The objective results as well as the subjective results show that the visual aids can enhance the driver’s awareness of a pedestrian which is defined with three levels: perception, vigilance and anticipation. This work has been funded by a Ministry scholarship and was carried out in the framework of the FUI18 SERA project, and the Labex MS2T which is funded by the French Government, through the program ”Investments for the future” managed by the National Agency for Research (Reference ANR-11-IDEX-0004-02).

Bien que la conduite d’un véhicule motorisé soit une activité des plus usuelles, les accidents routiers font partie des dix premières causes mondiales de décès. Au cours des dernières années, les programmes canadiens et québécois de prévention en sécurité routière ont montré une certaine efficacité, observable notamment par une baisse des décès sur la route. Ces progrès sont toutefois insuffisants, et de meilleures stratégies d’intervention et de prévention doivent être développées. Une meilleure connaissance des personnes susceptibles d’être impliquées dans des accidents routiers permettrait le développement de campagnes plus ciblées et pertinentes. Ainsi, il est déjà reconnu que le fait d’être un homme, le fait d’être âgé entre 15 et 29 ans, et la consommation d’alcool ou de substances psychoactives, augmentaient le risque d’être impliqué dans un accident routier. De ce fait, l’un des objectifs de cette thèse est de mieux comprendre le rôle de la fréquence de consommation de cannabis dans la conduite automobile risquée chez les jeunes conducteurs de sexe masculin. D’autre part, des études se sont déjà intéressées au rôle joué par les parents dans les comportements routiers de leurs jeunes. Aucune étude ne semble toutefois s’être attardée au rôle du soutien à l’autonomie prodigué par les parents dans la prise de risques au volant des jeunes. Le second objectif de cette thèse est donc d’investiguer l’impact du soutien parental de l’autonomie dans la conduite automobile des jeunes consommateurs de cannabis. Dans cette optique, l’Article 1 traite de l’association entre la fréquence de consommation de cannabis et la prise de risques au volant auto-rapportée auprès d’un échantillon de conducteurs masculins âgés entre 18 et 25 ans. De plus, il évalue le rôle du niveau de soutien parental de l’autonomie dans cette prise de risques auto-rapportée. Les résultats indiquent que la fréquence de consommation de cannabis est positivement associée à la prise de risques au volant, telle que mesurée par la variable de conduite sous l’influence du cannabis, et en est un prédicteur. Les résultats de cet article n’ont cependant pu démontrer que le soutien parental de l’autonomie était un prédicteur de la conduite automobile risquée auto-rapportée. L’Article 2 étudie la conduite automobile risquée à travers des données comportementales de conduite automobile risquée, observées dans un contexte de simulation de conduite. Les résultats de ce deuxième article révèlent que la fréquence de consommation de cannabis contribue à prédire la conduite automobile risquée observée. En outre, les résultats indiquent un effet significatif des niveaux de fréquence de consommation sur la prise de risques au volant. Finalement, les résultats révèlent une contribution du niveau de soutien parental à l’autonomie dans la prise de risques au volant observée en simulation. Enfin, la discussion porte sur les contributions théoriques de cette thèse aux connaissances scientifiques en sécurité routière, ainsi que ses implications pratiques pour la prévention et l’intervention. / Although driving a vehicle is one common activity, road accidents are one of the top ten causes of death in the world. In recent years, a decrease of on road deaths in Canada and Quebec have shown that road safety prevention campaigns can be effective. However, these advances are insufficient, and there is a need for better intervention and prevention strategies. A better knowledge of individuals likely to be involved in road accidents would allow the development of more targeted and relevant prevention campaigns. Thus, it is already known that men, individuals aged between 15 and 29, and users of alcohol or psychoactive substances before driving have an increased risk of being involved in a road accident. Therefore, one of the objectives of this thesis is to have a better understanding of the role of frequency of cannabis use in young males’ risky driving. Also, studies have already examined the role of parents in the road behaviors of their children. However, no study seems to have focused on the role of parental autonomy support in young drivers’ risky driving. The second objective of this thesis is to investigate the impact of parental autonomy support on risky driving among young cannabis users. In this line of thinking, Article 1 investigates the association between frequency of cannabis use and self-reported risky driving among a sample of male drivers aged between 18 and 25 years old. In addition, it evaluates the role of parental autonomy support in self-reported risky driving. Results indicate that frequency of cannabis use is positively associated with risky driving (measured with self-reported measure of driving under the influence of cannabis), and is a predictor of this measure. However, results did not show that parental autonomy support is a predictor of self-reported risky driving. Article 2 studies risky driving through behavioral measures. These behavioral measures are observed in a driving simulator. Results of this article reveal a contribution of frequency of cannabis use in predicting observed risky driving in a driving simulator. In addition, results indicate a significant effect of the frequency of use levels on risky driving behaviors observed in the simulated driving task. Finally, results show a contribution of parental autonomy support in observed risky driving in the simulator. The theoretical contributions of this thesis to the scientific literature on road safety, as well as its practical implications for prevention and intervention are discussed.

<p>Emerging technologies such as real-time travel information systems and automated vehicles (AVs) have profound impacts on driver decision-making behavior. While they generally have positive impacts by enabling drivers to make more informed decisions or by reducing their driving effort, there are several concerns related to inadequate consideration of cognitive and psychological aspects in their design. In this context, this dissertation analyzes different aspects of driver cognition and psychology that arise from drivers’ interactions with these technologies using physiological data collected in two sets of driving simulator experiments.</p> <p>This research analyzes the latent cognitive and psychological effects of real-time travel information using electroencephalogram (EEG) data measured in the first set of driving simulator experiments. Using insights from the previous analysis, a hybrid route choice modeling framework is proposed that incorporates the impacts of the latent information-induced cognitive and psychological effects along with other explanatory variables that can be measured directly (i.e., route characteristics, information characteristics, driver attributes, and situational factors) on drivers’ route choice decisions. EEG data is analyzed to extract two latent cognitive variables that capture the driver’s cognitive effort during and immediately after the information provision, and cognitive inattention before implementing the route choice decision. </p> <p>Several safety concerns emerge for the transition of control from the automated driving system to a human driver after the vehicle issues a takeover warning under conditional vehicle automation (SAE Level 3). In this context, this study investigates the impacts of driver’s pre-warning cognitive state on takeover performance (i.e., driving performance while resuming manual control) using EEG data measured in the second set of driving simulator experiments. However, there is no comprehensive metric available in the literature that could be used to benchmark the role of driver’s pre-warning cognitive state on takeover performance, as most existing studies ignore the interdependencies between the associated driving performance indicators by analyzing them independently. This study proposes a novel comprehensive takeover performance metric, Takeover Performance Index (TOPI), that combines multiple driving performance indicators representing different aspects of takeover performance. </p> <p>Acknowledging the practical limitations of EEG data to have real-world applications, this dissertation evaluates the driver’s situational awareness (SA) and mental stress using eye-tracking and heart rate measures, respectively, that can be obtained from in-vehicle driver monitoring systems in real-time. The differences in SA and mental stress over time, their correlations, and their impacts on the TOPI are analyzed to evaluate the efficacy of using eye-tracking and heart rate measures for estimating the overall takeover performance in conditionally AVs.</p> The study findings can assist information service providers and auto manufacturers to incorporate driver cognition and psychology in designing safer real-time information and their delivery systems. They can also aid traffic operators to incorporate cognitive aspects while devising strategies for designing and disseminating real-time travel information to influence drivers’ route choices. Further, the study findings provide valuable insights to design operating and licensing strategies, and regulations for conditionally automated vehicles. They can also assist auto manufacturers in designing integrated in-vehicle driver monitoring and warning systems that enhance road safety and user experience.

Die numerische Simulation ist ein unverzichtbares Werkzeug bei der Produktentwicklung geworden. Bereits in den frühen Phasen von Studien und Konzepten können unterschiedliche Lösungsansätze für eine Aufgabenstellung bewertet werden. In diesem Zusammenhang wird von virtuellen Prototypen gesprochen. Bei der Simulation mobiler Arbeitsmaschinen erfordert das die Einbindung des Bedieners. Die technologische Leistungsfähigkeit wird wesentlich durch die Interaktion zwischen Bediener und Maschine geprägt. Die Beschreibung des Bedieners durch mathematische Modelle ist bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht mit belastbaren Resultaten erfolgt. Die Entwicklungen im Bereich der Simulationstechnologie und der Computergrafik ermöglichen die Durchführung interaktiver Simulationen in komplexen virtuellen Welten. Damit lässt sich der Bediener direkt in die Simulation einbinden und es können zusätzliche Potenziale, wie z. B. bei der Untersuchung der Mensch-Maschine-Interaktion erschlossen werden. Durch die interaktive Simulation in Virtual-Reality-Systemen werden neue Anforderungen an die Simulationssoftware gestellt. Zur Interaktion mit dem Bediener müssen die Eingaben aus den Bedienelementen in Echtzeit verarbeitet und audiovisuelle Ausgaben generiert werden. Dabei sind neben den mathematisch-physikalischen Aspekten der Simulation auch Problemfelder wie Synchronisation, Kommunikation, Bussysteme und Computergrafik zu behandeln. Die Anpassung des Simulationssystems an unterschiedliche Aufgabenstellungen erfordert ein flexibel konfigurierbares Softwaresystem. Als Lösung dieser Aufgabenstellung wird eine Softwarearchitektur vorgestellt, welche die unterschiedlichen Problemfelder durch klar voneinander abgegrenzte Komponenten mit entsprechenden Schnittstellen behandelt. Das entstandene Softwaresystem ist flexibel und erweiterbar. Die Simulationsaufgabe wird durch die Konfiguration des Komponentensystems spezifiziert. Die entstehenden Konfigurationsdateien bilden die Anwendungslogik ab und stellen daher einen der wesentlichen Kostenfaktoren bei der Realisierung interaktiver Simulationen dar. Zur Erhöhung der Wiederverwendbarkeit bestehender Konfigurationsfragmente wird ein kompositionsbasierter Ansatz auf der Basis von Skriptsprachen gewählt. / Numerical simulation has evolved into an indispensable tool in modern product development. Even in the early design phases of studies and concepts several different approaches for one individual task can be evaluated. In this context the term virtual prototypes can be used. For effective simulation of mobile construction site machinery incorporation of the operator\'s influence is required. The technological performance of the machinery is essentially influenced by the interaction between the operator and the machine. Currently, there are no known mathematical models describing the operator\'s behaviour, which give substantiated results. The latest developments in computing technology and computer graphics facilitate interactive simulations in complex virtual worlds. This allows not only the operator to be linked to the simulation but also the investigation of additional research areas such as human-machine-interaction. The application of interactive simulation in virtual reality systems places new demands on the simulation software. Due to the interaction not only input signals from the instruments have to be processed but also audio and visual output has to be generated in real time. In addition to the mathematical and physical aspects of simulation, problems in the areas of synchronisation, communication, bus systems and computer graphics also have to be solved. The adaption of the simulation system to new tasks requires a flexible and highly configurable software system. As a response to these demands, a software architecture is presented which partitions the various problems into finite components with corresponding interfaces. The partitioning results in a flexible and extendable software system. The simulation task is specified by the configuration of the component system. The resulting configuration files reflect the application logic and therefore represent one of the main cost factors in the realisation of the interactive simulations. A composition-based approach is chosen as it raises the level of reuse of existing configuration fragments. This approach is based on scripting languages.

Malgré de nombreux efforts de prévention, les jeunes conducteurs sont surreprésentés dans les accidents routiers. Certaines études ont visé à mettre en évidence les facteurs pouvant influencer les jeunes conducteurs à adopter des comportements risqués. La consommation de cannabis et l’impulsivité ont été identifiées comme des facteurs importants. L’objectif de cette thèse vise à mieux comprendre les liens entre la consommation de cannabis et les comportements routiers risqués, tout en tenant compte de l’impulsivité. Pour ce faire, cette thèse se divise en deux articles. Le premier article vise à vérifier si la fréquence de consommation de cannabis prédit la prise de risque des jeunes conducteurs au-delà de l’effet de leur impulsivité. 209 participants âgés de 17 à 25 ans ont rempli des questionnaires sur leurs comportements routiers, leur impulsivité, et leur fréquence de consommation de cannabis. Les résultats montrent que la fréquence de consommation de cannabis prédit la prise de risque des jeunes conducteurs au-delà de l’effet de l’impulsivité. De plus, l’urgence positive est la seule facette de l’impulsivité qui prédit la prise de risque, indépendamment des habitudes de consommation. Plusieurs hypothèses pouvant expliquer ces résultats ont été proposées dont une qui nous semblait particulièrement pertinente : la probabilité de prendre le volant après avoir consommé est plus élevée dans le cas d’une consommation plus fréquente, ainsi l’effet direct de la substance pourrait expliquer les comportements risqués. C’est pourquoi dans notre deuxième étude, nous avons voulu vérifier si la consommation de cannabis était associée aux comportements risqués même lorsque le consommateur n’est pas sous l’effet du cannabis. Comme une consommation fréquente peut être symptomatique d’un trouble d’utilisation du cannabis (TUC), nous avons voulu vérifier son impact sur les comportements risqués. Le deuxième article compare donc un groupe de consommateurs ayant un TUC avec un groupe n’en ayant pas sur des comportements risqués tout en tenant compte de leur impulsivité. Pour ce faire, 76 participants masculins, consommateurs de cannabis, âgés de 18 à 25 ans, ont complété une tâche de simulation de conduite ainsi qu’une tâche stop-signal, s’étant abstenus de 6 consommer du cannabis dans les 12 heures précédant l’expérimentation. Ils ont aussi rempli des questionnaires sur les habitudes de consommation de cannabis, les traits d’impulsivité et la prise de risque. Les consommateurs ayant un TUC ont manifesté plus de comportements risqués dans le simulateur que ceux n’en ayant pas, quel que soit leur niveau d’impulsivité et sans être sous l’effet de la substance. Plusieurs explications ont été proposées : difficulté d’adaptation à la conduite sans l’effet de la substance; présence d’une autre variable confondante que l’impulsivité sous-jacente à la consommation et aux comportements risqués; effet résiduel de la substance, non détecté par la tâche stop-signal, qui influencerait les comportements routiers. En résumé, il ressort de cette thèse que la consommation de cannabis est un facteur contribuant aux comportements risqués des jeunes conducteurs, et ce indépendamment de l’impulsivité. De plus, les consommateurs ne constituent pas un groupe homogène, d’où la pertinence de cibler particulièrement les consommateurs problématiques dans les campagnes de prévention. / Despite many prevention efforts, young drivers are overrepresented in road crashes. Some studies show that cannabis use and impulsivity are significant predictors of risky driving behaviour among young drivers. The aim of this thesis is to better understand the association between cannabis use and risky driving behaviour, while considering the driver’s impulsivity. For this purpose, this thesis is divided into two articles. The first article aims to verify whether the frequency of cannabis use predicts risk-taking over and above the impulsivity traits of young drivers. 209 participants aged between 17 and 25 completed questionnaires on their driving behaviours, impulsivity, and frequency of cannabis use. Results show that the frequency of cannabis use is a significant predictor of risky driving over and above the five impulsivity traits. Furthermore, positive urgency is the only impulsivity trait which predicts risky driving, regardless of the frequency of cannabis use. Several explanations of these results are proposed, including one we found particularly relevant: the probability of driving under the influence is higher with more frequent use, so the substance effects could explain risky driving behaviour. Therefore, in our second study, we wanted to test whether cannabis use was associated with risky driving behaviour even if the user was not driving under the influence. Moreover, since frequent use can be symptomatic of a cannabis use disorder (CUD), we wanted to verify its impact on risky behaviours. The second article, therefore, compares two groups of cannabis users (with or without CUD) on several driving behaviours, while considering their impulsivity. A sample of 76 male participants, cannabis users, aged 18 to 25, completed a driving simulation task and a stop-signal task, abstaining from cannabis use in the 12 hours preceding the experiment. They also completed questionnaires about their cannabis use patterns, impulsivity traits and risk-taking. Results show that users with a CUD displayed more risky behaviours in the simulator than users without a CUD, regardless of their impulsivity level and without being under the effects of the substance. Several explanations have been proposed: difficulty adjusting to driving without the influence of the substance for users with a CUD; presence of a confounding variable different from the impulsivity; or residual effects of cannabis, not detected by the stop-signal task. In summary, this thesis emphasizes that cannabis use is a contributing factor to young drivers’ risky behaviours, regardless of their impulsivity. Moreover, cannabis users are not a homogeneous group, which is why it is important to specifically target problematic users in prevention campaigns.

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La conduite automobile continue d'être le mode de transport dominant dans le monde et le nombre de véhicules sur la route ne devrait qu’augmenter au cours des prochaines décennies. Dans un même temps, l'évolution démographique qui se produit actuellement dans le monde industrialisé implique que la proportion de conducteurs âgés sur la route devrait augmenter considérablement. L'âge s'accompagne de changements de grande envergure dans les systèmes physiques, sensoriels et cognitifs, entraînant des changements fonctionnels qui peuvent être subtils ou profonds. Nous commençons seulement à comprendre comment la variabilité normale et pathologique de ces mesures fonctionnelles affecte les performances de conduite et la sécurité. Le développement d'un outil fiable et fondé sur des données probantes pour distinguer les conducteurs prudents des conducteurs dangereux continue d'être une préoccupation majeure pour les chercheurs en gérontologie, en accidentologie et en clinique. L'accumulation de preuves suggère maintenant qu'il existe un lien important entre des capacités cognitives spécifiques telles que la vitesse de traitement de l’information et l'attention, et les performances de conduite. Continuer à explorer cette relation pour peut-être un jour développer un tel outil est une entreprise importante. Une autre implication de la relation entre les capacités cognitives et les performances de conduite est que les interventions conçues pour les améliorer ou les maintenir pourraient éventuellement améliorer ou maintenir la sécurité et le confort de conduite des individus à court et à long terme. L'objectif de cette thèse est triple. Premièrement, il développe et valide une nouvelle méthodologie pour évaluer les performances de conduite des jeunes adultes et des adultes plus âgés à l'aide de scénarios de simulation de conduite personnalisés. Deuxièmement, elle pousse l'état de nos connaissances sur la façon dont les capacités cognitives sont liées à la performance de conduite en démontrant que la performance sur un test intégratif d'attention dynamique et de vitesse de traitement - c'est-à-dire le suivi d'objets multiples en 3D (3D-MOT) - prédit les performances des conducteurs de différents groupes d'âge. Enfin, elle offre des preuves suggérant que la formation 3D-MOT améliore réellement la fonction attentionnelle et la vitesse de traitement en transférant la performance sur un test indépendant de ces capacités et, finalement, que cette amélioration pourrait se traduire par une amélioration des performances de conduite. / Driving continues to be the world’s dominant form of transportation and the number of vehicles on the road is only projected to increase in the coming decades. At the same time, the demographic shift currently occurring in the industrialized world implies that the proportion of older adult drivers on the road is set to increase substantially. With age comes wide-ranging changes in physical, sensory and cognitive systems resulting in functional changes that can be subtle or profound. We are only beginning to understand how both normal and pathological variability in these functional measures affect driving performance and safety. Developing a reliable, evidence-based tool to distinguish safe from unsafe drivers continues to be a major preoccupation for gerontology, accidentology, and clinical researchers alike. Accumulating evidence now suggests that there is an important link between specific cognitive abilities such as speed-of-processing, attention, and driving performance. Continuing to explore this relationship in order to perhaps one day develop such a tool is an important endeavour. Another implication of the relationship between cognitive abilities and driving performance is that interventions designed to improve or sustain these might conceivably enhance or maintain individuals’ driving safety and comfort in the short- and long-term. The purpose of this thesis is threefold. First, it develops and validates a novel methodology for assessing both young adult and older adult driving performance using custom driving simulator scenarios. Second, it pushes the state of our knowledge of how cognitive abilities relate to driving performance by demonstrating that performance on an integrative test of dynamic attention and speed-of-processing—i.e., 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT)— predicts how drivers of different age groups perform. Finally, it offers evidence to suggest that training 3D-MOT actually enhances attentional function and speed-of-processing by transferring to performance on an unrelated test of these abilities and, ultimately, that this improvement might translate to improved driving performance.

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La sécurité routière est un enjeu de santé publique et de développement à travers le monde. En 2010, déjà plus d'un milliard de véhicules à travers le monde étaient en circulation (1). En 2016, près de 1,35 million de personnes ont été rapportées comme décédées suite à des accidents de la route (2). Avec des intérieurs de véhicules et des environnements routiers en constante évolution au cours du dernier siècle, les capacités visuelles sont de plus en plus sollicitées entraînant également une contribution accrue des capacités cognitives. Du point de vue scientifique et clinique, l'interaction entre les mécanismes visuels, tels que l'acuité visuelle et les mécanismes cognitifs impliqués pendant la conduite sont encore peu étudiés et à peine promus comme éléments clés du comportement de conduite sécuritaire. L'étude de cette problématique, dont l'impact est sous-estimé au niveau sociétal, est au coeur de ce travail de maîtrise. Si l'acuité visuelle est difficile à relier aux taux d'accidentologie (3, 4), il est cependant reconnu que les capacités visuo cognitives prédisent le taux d'accidentologie sur route à cinq ans (3) et en simulateur de conduite (5). C’est pourquoi dans cette étude, nous avons émis l'hypothèse que, dans un contexte de forte charge cognitive en conduite, une diminution de l'acuité visuelle aurait un impact négatif sur le comportement de conduite. Nous avons examiné si un seuil d'acuité visuelle artificiellement réduit au seuil légal d'obtention du permis de conduire au Canada, et une réduction plus importante induirait un effet sur les performances de conduite. Le comportement de 21 conducteurs âgés de 21 à 34 ans a été mesuré à l'aide du simulateur VS500M dans divers contextes de conduite et de charge cognitive. Un scénario rural de conduite à faible charge cognitive en comparaison à un scénario autoroute de conduite impliquant des tâches de navigation sur GPS ont été utilisés. Deux scénarios de chaque ont été réalisés avec une vision optimale -acuité visuelle de 6/6- et une qualité de vision réduite -acuité visuelle réduite artificiellement à un niveau plus faible pour 11 des conducteurs et une réduction plus importante pour 10 des conducteurs. Les résultats, faisant l'objet d'une publication scientifique à comité de lecture en préparation, démontrent une diminution des capacités à manoeuvrer le véhicule efficacement, notamment une augmentation de la variabilité de la vitesse et de la position latérale du véhicule (SDLP) en contexte de charge mentale élevée, une augmentation de la variabilité de la vitesse en condition de qualité de vision réduite lors de présence de charge mentale élevée ainsi qu'une diminution de la vitesse moyenne et une augmentation de sa variabilité selon les groupes de réduction de qualité visuelle, toujours dans un contexte de charge mentale élevée. Même si le taux de succès reste stable malgré la manipulation expérimentale, les résultats confirment l'importance d'évaluer les enjeux visuels dans des contextes certes quotidiens, mais pour 2 lesquels les interactions avec la cognition sont encore peu considérées. La sollicitation de la vision à des distances intermédiaires par la tâche de GPS, en plus des distances de loin telles que considérées par les aspects normatifs de la législation du permis de conduire, l'augmentation de la charge cognitive associée à cette double tâche de mobilité et de navigation, mais aussi à la réduction de la qualité de vision nous amènent à proposer de nouvelles pistes de recherche dans la discussion de ce mémoire pour mieux comprendre les enjeux des amétropies visuelles, de la presbytie ou bien encore du vieillissement / Road safety is a public health and development issue across the world. In 2010, more than a billion vehicles were already in circulation worldwide (1). In 2016, nearly 1.35 million people were reported as dead after road crashes (2). With ever-changing vehicle interiors and road environments over the past century, visual abilities are increasingly strained resulting in an increased contribution of cognitive abilities as well. From a scientific and clinical point of view, the interaction between visual mechanisms, such as visual acuity and the cognitive mechanisms involved during driving are still little studied and hardly promoted as key elements of safe driving behavior. The study of this problem, the impact of which is underestimated at the societal level, is at the heart of my master's work. While visual acuity is difficult to relate to accident rates (3, 4), it is however recognized that visuo-cognitive abilities predict the road accident rate at five years (3) and in a driving simulator (5). This is why in this study, we hypothesized that, in a context of high cognitive load while driving, a decrease in visual acuity would have a negative impact on driving behavior. We examined whether a visual acuity threshold artificially reduced to the legal threshold for obtaining a driver's license in Canada, and a greater reduction, would have an effect on driving performance. The behaviors of 21 drivers aged between 21 and 34 were measured using the VS500M simulator in various driving and cognitive load contexts. A rural driving scenario with low cognitive load compared to a highway driving scenario involving GPS navigation tasks were used. Two scenarios were carried out by all the participants with optimal vision - visual acuity of 6/6 - and reduced quality of vision -a lower artificially reduced visual acuity 11 of the drivers and a higher one for 10 of the drivers. The results, which are the subject of a peer-reviewed scientific publication in preparation, demonstrate a decrease in the ability to maneuver the vehicle effectively, in particular an increase in the variability of speed and of the standard deviation of lateral position of the vehicle (SDLP) in a context of high mental load, an increase in the variability of speed under reduced vision quality conditions in the presence of a high mental load as well as a decrease in the average speed and an increase in its variability according to the visual quality reduction groups, also in a context of high mental load. Even if the success rate remains stable despite the experimental manipulation, the results confirm the importance of evaluating visual issues in contexts that are admittedly everyday but for which interactions with cognition are still little considered. The solicitation of vision at intermediate distances by the GPS task, in addition to far distances as considered by the normative aspects of driving license legislation, the increased cognitive load associated with this dual mobility task and navigation, but also to the reduction of the quality of vision lead us to propose new avenues of research in discussion of this thesis to better understand the stakes of visual ametropia, presbyopia or even aging.

Das Ziel dieser Dissertation ist die systematische Entwicklung eines weiterführenden Konzeptes zur Fahrer-Fahrzeug Kooperation, dessen Tauglichkeit anhand empirischer Daten evaluiert und im Hinblick auf sein belegbares Potential in Bezug auf bestehende Ansätze bewertet werden soll.Da Annahmen und Prämissen der Mensch-Maschine-Interaktion den Ausgangspunkt bilden, beginnt die dezidierte Auseinandersetzung und begriffliche Differenzierung von Kooperation in eben diesem Kontext und führt folgerichtig zu einer definitorischen Abgrenzung gegenüber existierenden Ansätzen, der Forderung eines spezifischen Rollenverständnisses zur Interaktion sowie der Ableitung konzeptueller Grundbedingungen. Anschließend werden die strukturellen und prozeduralen Merkmale dieser spezifischen Interaktion herausgearbeitet und dazu benutzt, die generellen Attribute von Kooperation zwischen Fahrer und Fahrzeug zu identifizieren. Dafür wurden nachfolgend solche Indikatoren abgeleitet, vermittels derer der unterstellte Gewinn infolge der Kooperation von Fahrer und Fahrzeug kontrolliert und bewertet werden kann.Im Rahmen mehrerer Voruntersuchungen wurden Fahrsituationen identifiziert, die am meisten von einer kooperativen Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug profitieren würden. Im Ergebnis wurden für die zwei Hauptuntersuchungen das „Überholen auf der Autobahn“ und das „Linksabbiegen auf innerstädtischen Straßen und Landstraßen mit Gegenverkehr“ als Fahrszenarien ausgewählt, die in jeweils einem eigenständigen Experiment mit alternativen Systemvarianten verglichen worden sind. Die Prüfung spezifischer Hypothesen wurde dabei in die prototypische Umgebung eines Fahrsimulators eingebettet. Abschließend werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten zur Etablierung und Einbettung dieses Interaktionskonzeptes in den übergreifenden sozio-technischen Kontext aufgezeigt und zukünftige Perspektiven diskutiert. / The aim of this dissertation is to systematically develop a continuative concept of driver-automobile cooperation, to evaluate its suitability on the basis of empirical data, and to value its provable potential in relation to existing approaches.Assumptions and premises regarding the human-machine interaction constitute the starting point of this work. The decisive altercation and notional differentiation of cooperation are explained in just this context, leading logically to a definitional demarcation of existing approaches, the demand of a specific role understanding of the interaction as well as the derivation of conceptual basic conditions. The structural and procedural characteristics of this specific interaction are then elaborated upon and used to identify the general attributes of cooperation between driver and automobile. In the following, such indicators are derived by which the implied profit as a result of cooperation between driver and automobile can be controlled and valued. Within the framework of several preliminary investigations, those driving situations were identified that would profit most from a cooperative interaction between driver and automobile. As a result, the two driving scenarios "Overtaking on Highways" and "Turning Left on Urban and Country Roads with Oncoming Traffic" were utilized in the experiments. Both single scenarios have been compared in independent experiments with regard to alternative system variants. The prove of specific hypotheses was embedded in the prototypical surroundings of a driving simulator. Finally, the possibility of establishing and embedding this interaction concept into the overall socio-technical context will be presented, and future perspectives will be discussed.