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).

Cette thèse étudie les problèmes de diagnostic itératif et propose des outilsd’aide au diagnostic interactif. Différents processus de diagnostic où des outils interactifs homme-automate sont utiles, sont présentés. Ces outils permettent de résoudre des difficultés liées à la représentation d’un grand nombre d’éléments d’un système, des difficultés liées à la représentation du comportement et du fonctionnement d’un système et des difficultés liées à l’explicitation de l’expertise. Nos travaux ont conduit à la conception de différents types d’outils interactifs d’aide au diagnostic. Le premier permet d’exploiter des représentations structuro-fonctionnelles pour construire et résoudre progressivement un problème de diagnostic.Le second outil interactif permet d’exploiter des modèles de comportement construit au fur et à mesure de la résolution d’un problème de diagnostic. Enfin, un dernier outil a étéproposé pour montrer qu’il est possible de prendre compte la connaissance implicite d’un expert dans la résolution de problème de diagnostic. Un problème de diagnostic est donc présenté comme un processus itératif avec des interactions homme-automate. / This PhD thesis studies the iterative diagnosis problems and provides thecomputer-aided diagnostic tool for interactive diagnosis. Different diagnosis processes wherethe tool to support human-machine interaction are useful, are presented. These tools help totackle difficulties related to the representation of a large number of elements in a system,difficulties related to the representation of the behavior functioning of a system and difficultiesencountered while expliciting the expertise. Our work led to the design of different interactivetools to support the diagnosis process. The first tool allows to exploit the structural-functionalmodeling to build and solve progressively a diagnosis problem. The second interactive toolallows to exploit the behavioral models built step by step in the diagnosis process and tosolve the diagnosis problem. The final tool was proposed to show that it is possible to takeinto account the implicit knowledge of an expert in order to solve the diagnosis problem.A diagnosis problem is therefore presented as an iterative process with human-machineinteractions.

Prédiction des conflits dans le systèmes homme-machine. Le travail fait partie de la recherche consacrée à des problèmes d'interaction homme-machine et aux conflits entre l'homme et la machine qui pourrait découler de ces situations. / Conflict prediction in human-machine systems. The work is part of research devoted to problems of human-machine interaction and conflict between human and machine which may arise from such situations.

Cette thèse s’inscrit dans une approche incarnée et située de la cognition humaine et de l’ergonomie des interfaces Homme-Machine (IHM). En rupture avec les théories computo-symboliques, cette approche considère que la cognition a pour seule vocation l’action dans le but de s’adapter au monde. Appliquée à l’ergonomie des IHM, elle met l’accent sur la perception, l’action et le contexte comme éléments clés de l’interaction Homme-Machine. Cette vision de l’ergonomie est ici mise au service de la conception de stations sol de drones militaires, sur lesquelles le manque de sollicitations perceptivo-motrices et le caractère isolé des opérateurs contribuent à une accidentologie symptomatique. L’objet de cette thèse est donc de montrer en quoi l’approche incarnée et située permet de guider une démarche ergonomique et, en particulier, la conception de deux stations sol de drones militaires développés par Airbus Defence and Space. Dans un premier temps, une analyse centrée sur les aspects moteurs, perceptifs et contextuels de l’activité des opérateurs de drones est réalisée. La seconde étape est dédiée à la définition d’une organisation matériel-logiciel standardisée pour tous types de drones. Cette organisation repose sur l’exploitation de processus perceptivo-moteurs, notamment au moyen du paradigme Stimulus-Response Compatibility (SRC). En troisième lieu, est présentée la conception matérielle et logicielle de deux stations sol de drones adaptées à leurs contextes respectifs d’utilisation. Des moyens de vérification (e.g. tests utilisateurs) sont mis en œuvre pour valider les solutions proposées. Les résultats obtenus montrent que la démarche adoptée permet d’améliorer significativement certains aspects de l’activité des opérateurs de drones, en particulier en termes de performances et de charge mentale. D’autre part, ces travaux soulignent l’intérêt de l’approche incarnée et située, et sa forte valeur applicative tant au sein de la démarche ergonomique que dans un cycle de conception industrielle. / Cette thèse s’inscrit dans une approche incarnée et située de la cognition humaine et de l’ergonomie des interfaces Homme-Machine (IHM). En rupture avec les théories computo-symboliques, cette approche considère que la cognition a pour seule vocation l’action dans le but de s’adapter au monde. Appliquée à l’ergonomie des IHM, elle met l’accent sur la perception, l’action et le contexte comme éléments clés de l’interaction Homme-Machine. Cette vision de l’ergonomie est ici mise au service de la conception de stations sol de drones militaires, sur lesquelles le manque de sollicitations perceptivo-motrices et le caractère isolé des opérateurs contribuent à une accidentologie symptomatique. L’objet de cette thèse est donc de montrer en quoi l’approche incarnée et située permet de guider une démarche ergonomique et, en particulier, la conception de deux stations sol de drones militaires développés par Airbus Defence and Space. Dans un premier temps, une analyse centrée sur les aspects moteurs, perceptifs et contextuels de l’activité des opérateurs de drones est réalisée. La seconde étape est dédiée à la définition d’une organisation matériel-logiciel standardisée pour tous types de drones. Cette organisation repose sur l’exploitation de processus perceptivo-moteurs, notamment au moyen du paradigme Stimulus-Response Compatibility (SRC). En troisième lieu, est présentée la conception matérielle et logicielle de deux stations sol de drones adaptées à leurs contextes respectifs d’utilisation. Des moyens de vérification (e.g. tests utilisateurs) sont mis en œuvre pour valider les solutions proposées. Les résultats obtenus montrent que la démarche adoptée permet d’améliorer significativement certains aspects de l’activité des opérateurs de drones, en particulier en termes de performances et de charge mentale. D’autre part, ces travaux soulignent l’intérêt de l’approche incarnée et située, et sa forte valeur applicative tant au sein de la démarche ergonomique que dans un cycle de conception industrielle.

Conventional ergonomics analysis involves building physical mockups and conducting simulated operations, such that the constraints experienced by the human subjects can be directly observed. The limitations of this approach are that, they are resource intensive, less flexible for testing design variability and difficult to involve large number of subjects to account for population variability and thus, it is a reactive approach. With the advent of computer aided techniques, efforts are on to support ergonomics analysis processes for proactive design approaches. To achieve this, real scenarios are being simulated in virtual environments which include induction of representative human subjects into such envi-ronments and are termed as Digital Human Models (DHMs). The main challenge in the simulation of humans is to obtain the naturalness that is perceived in human interaction with the environment. This naturalness can be achieved by synergetically modeling the physical performance and cognitive aspects of humans in such a way that one aspect caters the requirements posed from the other. But in current DHMs, the various elements in the physical performance aspect are not in line with the requirements of higher level behav¬ioral/cogntive aspects. Towards meeting this objective, the influence of physical performance aspects of humans on achieving naturalness when DHM interacts with the virtual environment has been studied. In this work, the task of ’reach’ has been chosen for studying the influence of kinematic structure, posture modeling and stability aspects on achieving naturalness for both discrete and statistical humans. Also, a framework has been developed to give instructions based on relations between the segments of the body and objects in the environment. Kinematic structure is modeled to simulate the humans with varied dimensions taking care of the change of link fixations necessary for various tasks. The conventional techniques used to define kinematic structures have limitations in resolving the issues that arise due to change in link fixations. In this work a new scheme is developed to effectively handle precedence relationship sand change of configuration of the existing posture whenever link fixations change. The advantage with this new approach is that complex maneuvers which involve different link fixations and multiple fixations at a time can be managed automati¬cally without the user’s intervention. Posture prediction involves estimation of the whole body posture which a human operator is likely to assume while performing a task. It involves finding a configuration satisfy¬ing the constraints like placing the body-segments in preferred locations of the task space and satisfying the relations specified between body segments. There are two main chal¬lenges in this regard; one is achieving naturalness in the predicted postures and the other is minimizing the mathematical complexity involved in finding the real time solutions. A human-specific posture prediction framework is developed which can handle a variety of constraints and realize the natural behavior. The approach is completely geometry based and unlike numerical methods, the solutions involve no matrix inversions. Digital human models (DHMs), both as avatars and agents, need to be controlled to make them manipulate the objects in the virtual world. A relations based description scheme is developed to instruct the DHM to perform the tasks. The descriptions as a set of relations and postures involve simple triplets and quadruplets. As the descriptions constitute only the relations between actors, incorporating different behavior models while executing the relations is feasible through this framework. Static balancing is one of the crucial factors influencing the posture of humans. The stim¬ulus for the static balancing is the body’s self weight and is governed by the location of its point of application, namely the center of mass (COM). The main focus is on determin¬ing suitable locations for COM to infer about the mobility of the segments which supports the human structure in slow motion scenarios. Various geometric conditions necessary for support retaining, altering are deduced and developed strategies for posture transitions for effective task performance while maintaining stability. These conditions are useful in de¬termining the posture transition required to shift the COM from one region to the other and thus the behaviors realized while accomplishing the tasks are realistic. These behaviors are simulated through statically stable walking and sit to stand posture transition. One of the advantages of employing DHMs in virtual simulations is the feasibility of creat¬ing human models with varied dimensions. A comparative study is conducted on different methods based on probabilistic and statistic theory as an alternative to the percentile based approach with a view to answer the questions like ’what percentage of people can success-fully accomplish a certain task’ and ’how well can people perform when they reach a point in the operational space’. The case study is done assuming upper and lower arms of hu¬mans as a two link planar manipulator and their link lengths as random variables. Making use of statistical DHMs, the concept of task dependent boundary manikins is introduced to geometrically characterize the extreme individuals in the given population who would ac-complish the task. Simulations with these manikins would help designers to visualize how differently the extreme individuals would perform the task. All these different aspects of DHM discussed are incorporated in our native DHM developed named ’MAYAMANAV’. Finally this thesis will end with conclusions and future work discussing how these different aspects of DHM discussed can be combined with behavioral models to simulate the human error.

In 3D modelling software, deformations are used to add, to remove, or to modify geometric features of existing 3D models to create new models with similar but slightly different details. Traditional techniques for deforming virtual 3D models require users to explicitly define control points and regions of interest (ROIs), and to define precisely how to deform ROIs using control points. The awkwardness of defining these factors in traditional 3D modelling software makes it difficult for people with limited experience of 3D modelling to deform existing 3D models as they expect. As applications which require virtual 3D model processing become more and more widespread, it becomes increasingly desirable to lower the "difficulty of use" threshold of 3D model deformations for users. This thesis argues that the user experience, in terms of intuitiveness and ease of use, of a user interface for deforming virtual 3D models, can be greatly enhanced by employing sketch-based 3D model deformation techniques, which require the minimal quantities of interactions, while keeping the plausibility of the results of deformations as well as the responsiveness of the algorithms, based on modern home grade computing devices. A prototype system for sketch-based 3D model deformations is developed and implemented to support this hypothesis, which allows the user to perform a deformation using a single deforming stroke, eliminating the need to explicitly select control points, the ROI and the deforming operation. GPU based accelerations have been employed to optimise the runtime performance of the system, so that the system is responsive enough for real-time interactions. The studies of the runtime performance and the usability of the prototype system are conducted to provide evidence to support the hypothesis.

Die Auswertung von Unfallzahlen an Produktionsmaschinen der vergangenen Jahre zeigt, dass nach Jahren sinkender Unfallzahlen eine Stagnation eintritt (Mödden 2018). Der Unfallstatistik der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) ist außerdem zu entnehmen, dass die Ursache für tödliche oder schwere Unfälle sehr häufig freigesetzte Werkstücke sind. In den meisten Fällen lagen mangelhafte Aufspannsituationen vor (Kesselkaul Meyer 2016). Wenn die Möglichkeiten der inhärent sicheren Konstruktion und der technischen Schutzmaßnahmen ausgeschöpft sind und trotzdem Restrisiken verbleiben, muss im Schritt 3 die Benutzerinformation, die als instruktive Sicherheit zusammengefasst wird, darauf hinweisen (Neudörfer 2014, ISO 12100 2011, MRL 2006). Das Problem ist hierbei, dass die Beachtung der instruktiven Sicherheit vom Bediener abhängig ist. Das Vertikal-Drehen auf Fräsbearbeitungszentren ist ein arbeitssicherheitstechnisch besonders kritischer Prozess, weil dafür die Maschine mit vollwertigen Rotationsachsen für das Werkstück ausgerüstet wird. Durch die hohen Drehzahlen der Werkstücke steigen deren kinetische Energie und damit das Gefährdungsrisiko gegenüber der reinen klassischen Fräsbearbeitung stark an. Im Stillstand und bei geringen Drehzahlen hat das Werkstück dagegen in der Regel einen sicheren Stand und vermittelt dem Maschinenbediener unter Umständen eine trügerische Sicherheit. Wird das Werkstück außerdem manuell gespannt, entstehen trotz ausreichender technischer Zuverlässigkeit des Systems 'Werkzeugmaschine-Spannmittel-Werkstück' Unwägbarkeiten, die rein auf das menschliche Handeln also die Mensch-Maschine-Interaktion zurückzuführen sind. Die auf einer bewährten Risikoabschätzung beruhende normungstechnische Konvention erfordert Überwachungsfunktionen und instruktive Sicherheit für die konkrete Werkstückspannung (ISO 16090 2017). Sie setzt also quasi einen idealen und z. B. nicht ermüdenden und immer richtig handelnden Maschinenbediener voraus. Die oben erwähnten Unfallzahlen sind ein Beweis, dass die reale Situation nicht befriedigend ist. Die wesentliche Frage ist: Wie kann die Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) als Teil des Maschinendesigns sicherer gestaltet werden? Und auf das konkrete Beispiel bezogen: Wie kann die Instruktion so verbessert werden, dass schwere Unfälle verhindert werden? Um diese Frage zu beantworten, ist es im ersten Schritt notwendig, den Einfluss der menschlichen Unzuverlässigkeit zu quantifizieren, um ihn so sowohl in technisch-physikalische Auslegung als auch in die Bewertung der Maschinensicherheit einfließen zu lassen.

A l'heure du numérique, la quantité d'objets connectés ne cesse de croître et de se diversifier. Afin de supporter cette complexité croissante, nous avons souhaité apporter un maximum d'automatismes à l'Internet des Objets de manière à garantir une qualité de service (QoS) de bout en bout. Pour ce faire, un composant de service autocontrôlé est proposé pour intégrer l'objet dans l'écosystème digital. Grâce à la calibration de chaque service, qui permet la connaissance du comportement, une composition automatisée devient possible. Nous avons illustré la faisabilité de notre approche à travers un cas d'étude. Nous avons également montré comment les objets connectés peuvent s'assembler eux-mêmes, coopérant pour atteindre un objectif commun, tout en répondant aux exigences de QoS globales. / In the digital era, the number of connected objects continues to grow and diversify. To support this increasing complexity, we wanted to bring a maximum of automatisms to the Internet of Things in order to guarantee end-to-end quality of service (QoS). To do this, a self-controlled service component is proposed to integrate the object into the digital ecosystem. Thanks to the calibration of each service, which makes it possible to know the behaviour, an automated composition becomes possible. We have illustrated the feasibility of our approach on a case study. We also have shown how connected objects can assemble themselves, cooperating to achieve a common objective, while meeting global QoS requirements.

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