Le Laboratoire Biométiss oeuvre dans le domaine de la mécanobiologie. Ses recherches visent à mieux comprendre l’évolution des propriétés viscoélastiques in vitro des tissus conjonctifs mous vivants sous chargement mécanique. L’outil premier de ce type de recherche in vitro se nomme bioréacteur. Il permet la mimique des sollicitations mécano-biochimiques physiologiques ou traumatiques auxquelles sont soumis les tissus in vivo ainsi que la caractérisation destructive ou non-destructive de leurs propriétés viscoélastiques. En 2007, un premier bioréacteur destiné à la stimulation et la caractérisation in vitro à long terme de tendons de queue de rat a été conçu et fabriqué par un membre de Biométiss (Huppé, 2007). L’expérience acquise avec celui-ci a permis d’acquérir une meilleure définition des besoins du laboratoire. Elle a aussi permis d’identifier certaines limitations principalement associées à la convivialité ainsi qu’à la qualité de mesure et de contrôle de ce premier bioréacteur. Il a alors été convenu que la conception d’un nouveau bioréacteur était nécessaire et préférable à la modification du premier bioréacteur. C’est ainsi qu’a pris naissance le projet de maîtrise portant sur la conception d'un bioréacteur de haute performance permettant la stimulation et la caractérisation mécanique à long terme des tendons de queue de rat. L’approche de conception inspirée des machines de haute précision et adoptée pour concevoir le bioréacteur a permis d’avoir un regard nouveau sur le bioréacteur et mettre en oeuvre plusieurs innovations importantes. Les concepts novateurs de servo-actionneur personnalisé, d’isolation vibratoire à deux niveaux ou de labyrinthe mobile, pour n’en nommer que quelques-uns, ont permis d’atteindre de hautes performances. Les fruits de ces innovations sont entre autres : - L’amélioration de la qualité de mesure et de contrôle résultant de la stimulation et de la caractérisation mécanique; - L’optimisation de la convivialité d’utilisation; - La minimisation du facteur humain sur les résultats. Finalement, l’article intitulé A Roadmap for the Design of Bioreactors in Mechanobiological Research and Engineering of Load-Bearing Tissues par Viens et al. (2011) a été rédigé à partir de l’expérience de conception vécue dans le cadre du présent projet. Il propose une approche structurée, basée sur l’analyse du cycle d’utilisation du bioréacteur et de la routine de stimulation et de caractérisation mécanique, permettant d’élaborer un cahier des charges fonctionnelles complet et exact. Il est espéré que cet article permettra de guider le chercheur à travers cette étape décisive et ardue du processus de conception d’un bioréacteur.

Le développement des capteurs de déplacement à hautes performances du point de vue de la limite de résolution et de l’étendue de mesure, est devenu une demande croissante pour les systèmes mécaniques et mécatroniques. Ce mémoire présente la modélisation, la conception et la fabrication d’un capteur innovant permettant la mesure in-situ et en temps réel du déplacement linéaire d’un axe en mouvement de rotation. Ce capteur est caractérisé par une grande étendue de mesure d’une dizaine de millimètres et par une résolution micrométrique. Après une étude bibliographique portant sur les applications industrielles de ce capteur, une modélisation géométrique de la réflexion de lumière par une surface convexe a été développée. Ce modèle calcule l’intensité lumineuse détectée par le capteur en fonction du rayon de courbure de la surface. Il a montré que la sensibilité augmente en fonction du rayon de courbure (Rc) et que la résolution est optimale pour (Rc=20 mm). Ce modèle géométrique a été validé par des essais expérimentaux dont les résultats ont montré une chute de la sensibilité pour des rayons inférieurs à (Rc= 15 mm). Pour cette raison, et afin de garantir le meilleur fonctionnement du capteur, le rayon de courbure choisi pour la fabrication du réseau de cônes imbriqués a été de 25 mm. Une fois le rayon de courbure optimal choisi, une modélisation géométrique de la mesure de déplacements linéaires sur une grande étendue de mesure par l’utilisation de deux sondes et d’un réseau à cônes imbriqués a été réalisée. La technique d’usinage de haute précision (UHP) a été présentée. Un premier prototype de ce réseau en alliage d’aluminium a été obtenu. Puis, le modèle géométrique a été optimisé pour mieux prendre en compte certaines contraintes de fabrication, ce qui a conduit à l’usinage d’un deuxième prototype ayant des paramètres géométriques légèrement modifiés et un meilleur état de surface pour mieux réfléchir la lumière. Enfin, la validation expérimentale du principe de mesure du capteur à fibres optiques (CFO) a été faite pour ces deux prototypes du réseau de cônes imbriqués, à l’aide d’un montage mécanique, ce qui a permis d’orienter au mieux les sondes du CFO en face du réseau. Cette validation a permis d’évaluer les performances du CFO. Pour le premier prototype, un recouvrement de 30 µm a été vérifié entre les deux signaux. Différentes vitesses de translation et de rotation on été appliquées ; où on a remarqué l’apparition des pics périodiques. Ces pics sont dus à un problème de balourd de l’axe de rotation de la broche ; en augmentant les valeurs de la vitesse de rotation, les pics s’atténuent, car l’inertie de la broche est supérieure. Pour cette raison, on a privilégié de travailler avec des vitesses de rotation élevées et une gamme de vitesse de translation tout en tenant compte de la fréquence d’acquisition. Pour le deuxième prototype, on a validé le principe de mesure avec deux sondes à fibres optiques. Un recouvrement suffisant a été mesuré entre les deux signaux. On a constaté qu’en acceptant davantage de non-linéarité, on augmente la largeur de la zone de recouvrement, ce qui facilite le basculement d’une sonde à l’autre et ainsi assure la continuité de la mesure sur une étendue millimétrique qui est fonction du nombre de cônes, mais l’exactitude de la mesure s’en trouve diminuée. En augmentant la vitesse de translation, on diminue le nombre des points acquis dans la zone de recouvrement, ce qui exige une fréquence d’acquisition plus élevée. / The development of displacement sensors with high performances regarding the limit of resolution and the measurement range has become essential for different mechanical systems This Ph.D. presents the modeling, the design and the fabrication of an original fiber-optic sensor. lt is able to measure the linear displacement of a rotating axis. This sensor is characterized by a micrometric resolution on a measurement range of several millimeters. After a bibliography study related to the industrial applications of the sensor, a geometric model of the light reflection by a convex surface has been developed. This model calculates the light intensity detected by the sensor as a function of the radius of curvature (Re); the model shows that the sensitivity increases as a function of the radius of curvature of the reflector (Re) and the limit of resolution is optimal for (Re=20 mm). This geometric model had been experimentally validated; where it was found out that the sensitivity decreases for the radii of curvature less than 15 mm (Re= 15 mm). For that reason, and in order to ensure the best functionality of the sensor, the radius of curvature chosen for the fabrication of the canes assembled grating was 25 mm. Once the optimal radius of curvature fixed a geometric model for the linear displacement measurement on a long measurement range using two fiber-optic probes and one cones assembled grating has been developed. The first prototype of the cones assembled grating was obtained with a high precision turning machine on an aluminum alloy. Afterwards, a second prototype of the cones grating was fabricated; where several parameters have been optimized, such as: the non-inclusion of the fabrication constraints in the geometric model and a better surface roughness of the cones assembled grating. The high precision fabrication technique of the two prototypes was presented. Finally, the experimental validation of the sensor measurement principle with two fiber-optic probes with the help of a mechanical set-up was realized. The mechanical set-up is used to a better orientation of the probes in front of the grating. The experimental validation helped to evaluate the overall sensor performances. For the two prototypes, an overlap of 30 um was verified between two successive signals. Different translation and rotation speeds were applied; where periodical peaks were observed in the output signals. These peaks are due to an unbalanced rotation of the spindle axis of rotation; with high speed values, the peaks are attenuated due to the high inertia of the spindle. For this reason, it is preferred to work at high rotational speeds (20 tr./s) with a consideration of the sampling frequency. This sensor is characterized by a micrometric resolution, on a measurement range of about 10 mm.

On s'intéresse au positionnement haute précision des moteurs synchrones sans balai dans l'industrie du semi-conducteur. On conçoit un algorithme d'initialisation et des correcteurs pour le rejet de perturbations spécifiques. L'initialisation consiste à estimer la phase initiale du champ magnétique. Seules des mesures de déplacement sont accessibles. Les paramètres du moteur (gain, charge et frottements) sont inconnus. On adopte un modèle à second membre discontinu dû aux frottements. La phase initiale s'obtient en fonction de l'amplitude des déplacements pendant l'initialisation. On se base sur une classification des orbites périodiques du modèle à second membre discontinu. On compare expérimentalement cette méthode à une solution implémentable dans les mêmes conditions. On étudie alors le rejet de perturbations, périodiques en fonction de la position, qui dégradent la précision du suivi de trajectoires. On formule des conditions pour qu'un contrôleur linéaire rejette entièrement ces perturbations non linéaires. On assure la convergence asymptotique globale de l'erreur de suivi vers zéro grâce à une analyse de perturbations régulières basée sur les polynômes de Bell de seconde espèce. On construit un observateur linéaire basé sur des mesures de position pour le rejet de ces perturbations. Il est obtenu en évaluant les perturbations le long des trajectoires de référence, et non le long de celles effectives du système. Les gains de l'observateur sont réglés par optimisations sous contraintes LMI, réalisées hors ligne, et peu de calculs sont nécessaires en ligne. On illustre expérimentalement notre méthode, via l'annulation du cogging et des erreurs d'interpolation.

L'acquisition de modèles 3D des scènes réelles trouve son utilité dans de nombreuses applications pratiques, comme l'archivage numérique, les jeux vidéo, l'ingénierie, la publicité. Il existe principalement deux méthodes pour acquérir un modèle 3D: la reconstruction avec un scanner laser (méthode active) et la reconstruction à partir de plusieurs photographies d'une même scène prise dans des points de vues différentes (méthode passive). Si la méthode active permet d'acquérir des modèles avec une grande précision, il est cependant coûteux et difficile à mettre en place pour de grandes scènes extérieures. La méthode passive, ou la stéréo multi-vues est en revanche plus flexible, facile à mettre en oeuvre et surtout moins coûteuse que la méthode active. Cette thèse s'attaque au problème de la reconstruction de stéréo multi-vues à grande échelle et précise pour les scènes extérieures. Nous améliorons des méthodes précédentes et les assemblons pour créer une chaîne de stéréo multi-vues efficace tirant parti de l'accélération de cartes graphiques. La chaîne produit des maillages de qualité à partir d'images de haute résolution, ce qui permet d'atteindre les meilleurs scores dans de nombreuses évaluations. Aux plus grandes échelles, nous développons d'une part des techniques de type diviser-pour-régner pour reconstruire des morceaux partiaux de la scène. D'autre part, pour combiner ces résultats séparés, nous créons une nouvelle méthode qui fusionne rapidement des centaines de maillages. Nous réussissons à reconstruire de beaux maillages urbains et des monuments historiques précis à partir de grandes collections d'images (environ 1600 images de 5M Pixel) / Acquisition of 3D model of real objects and scenes is indispensable and useful in many practical applications, such as digital archives, game and entertainment industries, engineering, advertisement. There are 2 main methods for 3D acquisition : laser-based reconstruction (active method) and image-based reconstruction from multiple images of the scene in different points of view (passive method). While laser-based reconstruction achieves high accuracy, it is complex, expensive and difficult to set up for large-scale outdoor reconstruction. Image-based, or multi-view stereo methods are more versatile, easier, faster and cheaper. By the time we begin this thesis, most multi-view methods could handle only low resolution images under controlled environment. This thesis targets multi-view stereo both both in large scale and high accuracy issues. We significantly improve some previous methods and combine them into a remarkably effective multi-view pipeline with GPU acceleration. From high-resolution images, we produce highly complete and accurate meshes that achieve best scores in many international recognized benchmarks. Aiming even larger scale, on one hand, we develop Divide and Conquer approaches in order to reconstruct many small parts of a big scene. On the other hand, to combine separate partial results, we create a new merging method, which can merge automatically and quickly hundreds of meshes. With all these components, we are successful to reconstruct highly accurate water-tight meshes for cities and historical monuments from large collections of high-resolution images (around 1600 images of 5 M Pixel images)

L'alimentation en composants est un problème majeur dans la conception des systèmes de production et plus particulièrement d'assemblage. Un système d'alimentation doit garantir la position et l'orientation des composants qu'il fournit au système d'assemblage, quelle que soit la taille des composants. En revanche, le niveau de précision sera généralement d'autant plus important que les composants sont petits. Nos travaux ont été réalisés dans le contexte de l'alimentation en composants de taille millimétrique à microscopique avec des objectifs de modularité et de haute précision de positionnement. La première contribution de la thèse a consisté à élaborer une stratégie pour l'alimentation de haute précision en composants millimétriques pour une architecture ouverte, flexible et standardisée, proposée par un projet européen EUPASS (Evolvable Ultra Precision ASembly System). Un système standard a ainsi été développé. Il est modulaire, reconfigurable pour différents types de minicomposants et permet leur maintien micrométrique. Sur la base de ces travaux, nous avons étendu notre étude aux systèmes de micro-assemblage (microusine). L'objectif était de déplacer dans un plan des micro-objets jusqu'à une position donnée. L'idée retenue se fonde sur l'utilisation des vibrations pour entraîner ces micro-objets par inertie. Il a donc été nécessaire de caractériser les interactions entre la surface du système d'alimentation et la surface du micro-objet. Pour cela nous avons élaboré une méthode pour évaluer directement la force concernée qui est la force de friction. Le contrôle des vibrations du système a ensuite été conçu. Le pas de déplacement d'un micro-objet en fonction de ses caractéristiques est alors maîtrisé. Enfin, une boucle d'asservissement permet de contrôler le déplacement des micro-objets jusqu'à une position consigne.

Cette thèse se concentre sur le sujet de la calibration de la camera interne et, en particulier, sur les aspects de haute précision. On suit et examine deux fils principaux: la correction d'une aberration chromatique de lentille et l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra. Pour la problème de l'aberration chromatique, on suit un chemin de post-traitement numérique de l'image, afin de se débarrasser des artefacts de couleur provoqués par le phénomène de dispersion du système d'objectif de la caméra, ce qui produit une désalignement perceptible des canaux couleur. Dans ce contexte, l'idée principale est de trouver un modèle de correction plus général pour réaligner les canaux de couleur que ce qui est couramment utilisé - différentes variantes du polynôme radial. Celui-ci ne peut pas être suffisamment général pour assurer la correction précise pour tous les types de caméras. En combinaison avec une détection précise des points clés, la correction la plus précise de l'aberration chromatique est obtenue en utilisant un modèle polynomial qui est capable de capter la nature physique du décalage des canaux couleur. Notre détection de points clés donne une précision allant jusqu'à 0,05 pixels, et nos expériences montrent sa grande résistance au bruit et au flou. Notre méthode de correction de l’aberration, par opposition aux logiciels existants, montre une géométrique résiduelle inférieure à 0,1 pixels, ce qui est la limite de la perception de la vision humaine. En ce qui concerne l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra, la question est de savoir comment éviter la compensation d'erreur résiduelle qui est inhérent aux méthodes globales d'étalonnage, dont le principe fondamental consiste à estimer tous les paramètres de la caméra ensemble - l'ajustement de faisceaux. Détacher les estimations de la distorsion de la caméra et des paramètres intrinsèques devient possible lorsque la distorsion est compensée séparément. Cela peut se faire au moyen de la harpe d'étalonnage, récemment développée, qui calcule le champ de distorsion en utilisant la mesure de la rectitude de cordes tendues dans différentes orientations. Une autre difficulté, étant donnée une image déjà corrigée de la distorsion, est de savoir comment éliminer un biais perspectif. Ce biais dû à la perspective est présent quand on utilise les centres de cibles circulaires comme points clés, et il s'amplifie avec l'augmentation de l'angle de vue. Afin d'éviter la modélisation de chaque cercle par une fonction conique, nous intégrons plutôt fonction de transformation affine conique dans la procédure de minimisation pour l'estimation de l'homographie. Nos expériences montrent que l'élimination séparée de la distorsion et la correction du biais perspectif sont efficaces et plus stables pour l'estimation des paramètres intrinsèques de la caméra que la méthode d'étalonnage globale / This dissertation focuses on internal camera calibration and, especially, on its high-precision aspects. Two main threads are followed and examined: lens chromatic aberration correction and estimation of camera intrinsic parameters. For the chromatic aberration problem, we follow a path of digital post-processing of the image in order to get rid from the color artefacts caused by dispersion phenomena of the camera lens system, leading to a noticeable color channels misalignment. In this context, the main idea is to search for a more general correction model to realign color channels than what is commonly used - different variations of radial polynomial. The latter may not be general enough to ensure stable correction for all types of cameras. Combined with an accurate detection of pattern keypoints, the most precise chromatic aberration correction is achieved by using a polynomial model, which is able to capture physical nature of color channels misalignment. Our keypoint detection yields an accuracy up to 0.05 pixels, and our experiments show its high resistance to noise and blur. Our aberration correction method, as opposed to existing software, demonstrates a final geometrical residual of less than 0.1 pixels, which is at the limit of perception by human vision. When referring to camera intrinsics calculation, the question is how to avoid residual error compensation which is inherent for global calibration methods, the main principle of which is to estimate all camera parameters simultaneously - the bundle adjustment. Detachment of the lens distortion from camera intrinsics becomes possible when the former is compensated separately, in advance. This can be done by means of the recently developed calibration harp, which captures distortion field by using the straightness measure of tightened strings in different orientations. Another difficulty, given a distortion-compensated calibration image, is how to eliminate a perspective bias. The perspective bias occurs when using centers of circular targets as keypoints, and it gets more amplified with increase of view angle. In order to avoid modelling each circle by a conic function, we rather incorporate conic affine transformation function into the minimization procedure for homography estimation. Our experiments show that separate elimination of distortion and perspective bias is effective and more stable for camera's intrinsics estimation than global calibration method

Les systèmes de localisations existants présentent des insuffisances au niveau desapplications en environnement indoor. Ces insuffisances se traduisent soit par la non-disponibilité des signaux (le GPS) dans ce type d'environnement, soit par leur manque de précision quand ils sont prévus à cet effet. Ces limites ont motivé la recherche de nouvelles techniques. Les transmissions Ultra-Large Bande (ULB) de par leur singularité en matière de précision et de faible puissance d'émission, s'avèrent être la meilleure réponse à la problématique ci-dessus. Nous avons donc choisi cette technique pour mettre au point un procédé de localisation endogène permettant d'assurer, avec précision, la continuité des services de localisation dans les environnements indoor. Ce procédé s'appuie sur la localisation en trois dimensions (3-D). Il utilise la technique temporelle de différenciation du temps d'arrivée (TDOA). Cette technique permet de mieux tirer profit de la bonne résolution temporelle de l'ULB et de pallier au problème de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur. Deux techniques de transmission ULB ont été étudiées : la technique d'accès multiples par séquence directe (DS-CDMA) et la technique d'accès multiples par sauts temporels (TH-CDMA). Une autre étape importante de notre étude a été de développer un algorithme non-itératif de localisation en 3-D pour réduire le temps de calcul. En effet, l'utilisation d'un algorithme non-itératif permet d'optimiser les performances du système en termes de temps de calcul voire de coûts de consommation énergétique. Après l'étude théorique des différents blocs du système, le système a été tout d'abord simulé dans le canal Gaussien (AWGN) et les canaux IEEE.802.15.4a indoor. Il a été ensuite testé dans différents environnements réels de types laboratoires. Les résultats obtenus démontrent que l'utilisation des techniques de transmission basées sur la technologie radio impulsionnelle ULB permet d'obtenir un système de localisation en 3-D avec une précision centimétrique pour les applications indoor.

Dans la recherche d’exoplanètes comme la Terre dans la zone habitable de leur étoile, la vélocimétrie radiale s’est avérée un outil important. Les candidats les plus intéressants pour faire ce genre de mesures sont les naines rouges, car la zone habitable se trouve proche de l’étoile et possède donc une courte période, et de par leurs faibles masses, l’orbite d’une planète comme la Terre induirait un signal de l’ordre de 1 ms^−1. L’effet Doppler résultant de ce mouvement est mesurable par des spectrographes optimisés pour la vélocimétrie de haute précision. Par contre, comme les naines rouges émettent principalement dans l’infrarouge et que l’atmosphère terrestre présente de fortes raies d’absorption dans ces longueurs d’onde, il est alors important de soustraire ces raies pour minimiser le biais de vitesse radiale de l’étoile induit par l’atmosphère. Le but de ce travail de maîtrise fut de développer un algorithme permettant de faire des mesures de vélocimétrie de haute précision dans le domaine infrarouge, de procéder à la quantification de l’impact des raies d’absorption telluriques et de déterminer une cible pour le niveau requis de retrait de ces raies. Une méthode de traitement de données basée sur l’analyse d’un spectre segmenté adéquatement pondéré fut aussi développée pour extraire optimalement la vitesse radiale en présence de raies telluriques résiduelles. On note l’existence d’une corrélation entre l’époque des mesures et l’incertitude de vitesse radiale associée avec les raies telluriques résiduelles ce qui souligne toute l’importance du choix de la fenêtre d’observation pour atteindre une précision de 1 ms^−1. De cette analyse, on conclut qu’un masque de 80% de transmission couplé avec un retrait laissant au maximum 10% des raies telluriques est requis pour atteindre des performances mieux que le ms^−1. / In the search for an exoplanet like Earth in the habitable zone of its star, radial velocimetry has proved itself an important tool. The most promising candidates for this type of measurements are red dwarfs. Since their habitable zone is very close to the star with relatively small orbital periods (a few weeks), and because of their small masses, the presence of an Earth-like planet in their habitable zone would produce a signal of ∼ 1 ms−1. Such a small Doppler effect resulting from this reflex motion is within the capabilities of precision radial velocity instruments. But, since red dwarfs emit mostly in the infrared and Earth’s atmosphere has strong absorption lines in that domain, the removal of telluric absorption lines is crucial to minimize the velocity bias induced by the atmosphere. The goal of this work was the development of an algorithm capable of performing high precision radial velocimetry measurements, to quantify the impact of telluric lines on the measurements and to determine the level of telluric line masking and attenuation needed to minimize their impact on velocity measurements. A data processing method based on the analysis of an adequately weighted segmented spectrum was also developed to optimally extract radial velocities in the presence of residual telluric lines. We note the existence of a correlation between the time of the measurements and the radial velocity uncertainty associated with the residual telluric lines, which underlines the importance of the choice of the observation window to achieve an accuracy of 1 meter per second. From this analysis, it is concluded that a mask of 80% transmission coupled with an attenuation leaving a maximum of 10% of the telluric lines is required to achieve performance better than 1 meter per second.

Les environnements à grands écrans (Large Display Environments, LDE) sont des espaces de travail interactifs contenant un ou plusieurs grands écrans fixes et divers dispositifs d'entrée ayant pour but de permettre la visualisation et la manipulation de très grands jeux de données. La recherche s'est de plus en plus intéressée à ces environnements durant ces dix dernières années, et il existe d'ores-et-déjà un certain nombre de techniques d'interaction correspondant à la plupart des tâches élémentaires comme le pointage, la navigation et la sélection de commandes. Cependant, ces techniques sont souvent conçues et évaluées séparément, dans des environnements et des cas d'utilisations spécifiques. Il est donc difficile de les comparer et de les combiner.Dans ce manuscrit, je propose un ensemble de guides pour l'analyse et la combinaison des canaux d'entrée et de sortie disponibles dans les LDEs. Je présente d'abord une étude de leurs caractéristiques selon deux axes: (1) le retour visuel, et la manière dont il affecte l'utilisabilité des techniques d'interaction et la collaboration co-localisée, et (2) les canaux d'entrée, et comment les combiner en d'efficaces ensembles de techniques d'interaction. Grâce à ces analyses, j'ai développé quatre pré-requis de conception destinés à assurer que des techniques d'interaction peuvent être utilisées (i) à distance, (ii) en même temps que d'autres techniques et (iii) avec d'autres utilisateurs. Suivant ces pré-requis, j'ai conçu et évalué un ensemble de techniques de navigation, d'invocation de commandes tout en pointant, et de pointage haute-précision avec des moyens d'entrée limités. J'ai également développé deux méthodes de calibration de techniques de pointage, l'une spécifique aux techniques ayant deux niveaux de précision et l'autre adaptée aux fonctions d'accélération. En conclusion, j'introduis deux considérations de plus haut niveau sur la combinaison de techniques d'interaction dans des environnements aux canaux d'entrée limités : (1) il existe un compromis entre le fait de minimiser l'utilisation des membres de l'utilisateur et celui d'effectuer des actions en parallèle qui affecte les performances de l'ensemble ; (2) changer la fonction de transfert d'une technique de pointage durant son utilisation peut avoir un effet négatif sur les performances. / Large display environments (LDEs) are interactive physical workspaces featuring one or more static large displays as well as rich interaction capabilities, and are meant to visualize and manipulate very large datasets. Research about mid-air interactions in such environments has emerged over the past decade, and a number of interaction techniques are now available for most elementary tasks such as pointing, navigating and command selection. However these techniques are often designed and evaluated separately on specific platforms and for specific use-cases or operationalizations, which makes it hard to choose, compare and combine them.In this dissertation I propose a framework and a set of guidelines for analyzing and combining the input and output channels available in LDEs. I analyze the characteristics of LDEs in terms of (1) visual output and how it affects usability and collaboration and (2) input channels and how to combine them in rich sets of mid-air interaction techniques. These analyses lead to four design requirements intended to ensure that a set of interaction techniques can be used (i) at a distance, (ii) together with other interaction techniques and (iii) when collaborating with other users. In accordance with these requirements, I designed and evaluated a set of mid-air interaction techniques for panning and zooming, for invoking commands while pointing and for performing difficult pointing tasks with limited input requirements. For the latter I also developed two methods, one for calibrating high-precision techniques with two levels of precision and one for tuning velocity-based transfer functions. Finally, I introduce two higher-level design considerations for combining interaction techniques in input-constrained environments. Designers should take into account (1) the trade-off between minimizing limb usage and performing actions in parallel that affects overall performance, and (2) the decision and adaptation costs incurred by changing the resolution function of a pointing technique during a pointing task.

Les systèmes de localisations existants présentent des insuffisances au niveau desapplications en environnement indoor. Ces insuffisances se traduisent soit par la non-disponibilité des signaux (le GPS) dans ce type d’environnement, soit par leur manque de précision quand ils sont prévus à cet effet. Ces limites ont motivé la recherche de nouvelles techniques. Les transmissions Ultra-Large Bande (ULB) de par leur singularité en matière de précision et de faible puissance d’émission, s’avèrent être la meilleure réponse à la problématique ci-dessus. Nous avons donc choisi cette technique pour mettre au point un procédé de localisation endogène permettant d’assurer, avec précision, la continuité des services de localisation dans les environnements indoor. Ce procédé s’appuie sur la localisation en trois dimensions (3-D). Il utilise la technique temporelle de différenciation du temps d’arrivée (TDOA). Cette technique permet de mieux tirer profit de la bonne résolution temporelle de l’ULB et de pallier au problème de synchronisation entre l’émetteur et le récepteur. Deux techniques de transmission ULB ont été étudiées : la technique d’accès multiples par séquence directe (DS-CDMA) et la technique d’accès multiples par sauts temporels (TH-CDMA). Une autre étape importante de notre étude a été de développer un algorithme non-itératif de localisation en 3-D pour réduire le temps de calcul. En effet, l’utilisation d’un algorithme non-itératif permet d’optimiser les performances du système en termes de temps de calcul voire de coûts de consommation énergétique. Après l’étude théorique des différents blocs du système, le système a été tout d’abord simulé dans le canal Gaussien (AWGN) et les canaux IEEE.802.15.4a indoor. Il a été ensuite testé dans différents environnements réels de types laboratoires. Les résultats obtenus démontrent que l’utilisation des techniques de transmission basées sur la technologie radio impulsionnelle ULB permet d’obtenir un système de localisation en 3-D avec une précision centimétrique pour les applications indoor. / Existing positioning systems have deficiencies in applications indoor environment. These deficiencies result is the non-availability of signals (GPS) in this type of environment, either by their lack of precision when they are provided for this purpose. These limitations have led to research for novel techniques. Ultra-Wide Band (UWB) transmission techniques due to their uniqueness in terms of fine resolution and low power emission, prove to be the best answer to this problem. So we choose this technique to develop a process to ensure self location, with accuracy, continuity of location services in indoor environments. This method is based on the location in three dimensions (3-D). It uses the Time Difference Of Arrival (TDOA) technique. This technique allows to better take advantage of the high time resolution of the ULB and overcome the problem of synchronization between the transmitter and the receiver. Two UWB transmission techniques were studied: the Direct Sequence multiple access technique (DS-CDMA) and Time Hopping (TH-CDMA) multiple access technique. Another important step in our study was to develop a non-iterative positioning algorithm in 3-D to reduce the computation time. Indeed, using a non-iterative algorithm optimizes system performance in terms of computing time or cost of energy consumption. After the theoretical study of the system, the proposed positioning system was firstly simulated in Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and indoor IEEE.802.15.4a channels. It was then tested in various real environments types laboratories. The results obtained show that using UWB impulse radio technology transmission techniques allows to achieve a high accuracy 3-D location system in order of centimeter for applications in indoor environments.