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

Utiliser une tablette ou un smartphone est désormais courant. Cependant, les effets de l'âge sur les capacités motrices nécessaires pour l'exécution des gestes d'interaction tactile n'ont pas été suffisamment pris en compte lors de la conception et de l'évaluation des systèmes interactifs, une des raisons qui a empêché l'inclusion numérique de ce groupe d'utilisateurs. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction des personnes âgées avec les écrans tactiles afin d'identifier des problèmes d'utilisabilité sur des supports variés (smartphone et tablette, doigt et stylet). Pour cette étude, nous avons conçu un système interactif constitué de jeux de type puzzle numérique tactiles, où le geste d'interaction drag-and-drop (glisser-déposer) est employé pour positionner les cibles. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée à l'analyse des mouvements de l'utilisateur. L'analyse des postures du poignet durant l'interaction a permis d'élucider la relation entre les caractéristiques des mouvements des personnes âgées avec leurs performances, à savoir, des temps plus longs et une augmentation du nombre d'erreurs par rapport aux utilisateurs adultes plus jeunes. Prendre en compte la variabilité des capacités motrices des utilisateurs lors des phases de conception et évaluation des systèmes interactifs est nécessaire pour comprendre leurs difficultés et améliorer l'ergonomie et utilisabilité de l'interaction tactile. / Tablets and smartphones have become mainstream technologies. However, the aging effects on the motor skills implied on tactile interaction haven't been enough considered during the design and evaluation of tactile interactive systems, what prevent this group of older adult users to be digitally included successfully. This thesis aims to study the interaction of older adults with touchscreens in order to identify usability issues on different devices and input modalities (smartphone and tablet, finger and stylus). To this study, we designed an interactive system consisted of tactile puzzle games and using drag-and-drop interaction for positioning the puzzle pieces into their corresponding targets. In this framework, a special attention was given to the analysis of the movements of the user. The analysis of the postures of the users' wrists during interaction allowed to elucidate the relationship between the characteristics of the movements of older adults and their performances, particularly concerning the longer times needed for executing the gestures of interaction as well as the increased error rates of this group of users when compared to younger adults. Taking into account the variability of users' motor skills during the design and evaluation of interactive systems is necessary to better understand their difficulties as well as to improve the ergonomics and the usability levels of tactile interaction.

Les personnes en situation de handicap moteur des membres supérieurs ont besoin de système de suppléance pour leur autonomie. Cependant 1/3 de ces aides de compensation sont abandonnées car pas encore suffisamment centrées sur les besoins et les aptitudes de l'utilisateur. La problématique centrale de cette thèse concerne la mise en œuvre d'une méthode de conception centrée utilisateur, adaptée en fonction de la population d'études (personnes en situation de handicap ayant des troubles neuro-moteurs langagiers) pour la conception de trois aides de compensation. La première concerne la commande d'un bras robotique de préhension JACO pour laquelle la conception centrée utilisateur classique a été appliquée. Celle-ci est adaptée pour les personnes pouvant s'exprimer oralement mais qu'en est-il lorsque ces personnes ne peuvent participer directement ou bien ont besoin de leurs aidants pour exprimer leurs besoins ou répondre aux questionnaires? Une alternative est de recueillir les besoins par l'intermédiaire d'experts. Nous montrerons comment la méthode de conception centrée utilisateur a été adaptée pour la conception du système HandiMathKey pour la saisie de formules Mathématiques. Notre dernière adaptation est d'utiliser l'écosystème de la personne comme médiateur pour communiquer et un profil utilisateur. Cette méthode a permis de concevoir l'interface de communication intégrée et de contrôle d'environnement nommée CECI. Nous décrirons également comment la plateforme SoKeyTo permet le prototypage des aides de compensation. Pour chacune des aides de compensation, nous rapporterons les évaluations réalisées et nous discuterons la manière dont la méthode de conception a été adaptée. / People with motor impairment of the upper limbs need an assistive technology for their autonomy. However, 1/3 of these assistive technologies are abandoned because they are not yet sufficiently focused on the needs and abilities of the user. The central problem of this thesis concerns the implementation of a user-centered design method adapted to the study population (persons with disabilities with neuro-motor language impairments) for the design of three applications. The first concerns the control of a robot arm JACO for which the classic user centered design has been applied. This is appropriate for people who can speak orally, but what if they cannot participate directly or need their caregivers to express their needs or answer questionnaires? An alternative is to gather needs through experts. We will show how the user centered design method has been adapted for the design of the HandiMathKey system for entering mathematical formulas. Our last adaptation is to use the person's ecosystem as a mediator to communicate and a user profile. This method allowed to design the integrated communication and environmental control interface named CECI. We will also describe how the SoKeyTo platform allows prototyping of assistive technologies. For each of the assistive technologies, we will report the assessments made and discuss how the design method has been adapted.

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

Le contexte de cette recherche se situe dans la perspective d’une meilleure compréhension de l’ingénierie de l’Interaction Homme-Machine pour les environnements collaboratifs et nomadiques. Les systèmes d’informations d’aujourd’hui sont devenus de plus en plus collaboratifs et nomadiques. Cette transformation impose deux contraintes à prendre en considération pendant la conception d’interfaces utilisateur. D’une part, dans une application collaborative, les acteurs interagissent les uns avec les autres afin de réaliser un projet en commun. Ces acteurs interviennent dans différentes disciplines et chacun d’eux a son propre savoir-faire. Ainsi, ils ne partagent pas les mêmes informations relatives au projet. D’autre part, les utilisateurs sont mobiles et désirent avoir accès au système quel que soit sa localisation géographique, tout en conservant la confidentialité des informations définies dans le système. Cette mobilité requiert l’intégration de terminaux mobiles dans le système d’information. Cependant, pour des raisons de taille et de poids, les terminaux mobiles disposent de ressources moins importantes que celles offertes par des stations fixes. Devant ce constat, notre objectif est de construire une interface pour une application collaborative et mobile, personnalisée et adaptée en fonction du profil de l’utilisateur et des ressources d’interactions du terminal utilisé. En particulier, notre contribution est d’une part, la proposition d’une architecture pour un système coopératif, et d’autre part, l’introduction de nouvelles notations, basées sur les environnements collaboratifs, pour la modélisation des tâches. Celle-ci joue un rôle essentiel dans la conception d’interfaces utilisateur. Enfin, nous proposons une approche à base de modèles, pour la génération automatique d’interfaces utilisateur personnalisées aux acteurs et adaptables aux caractéristiques de plateformes, basé sur quatre niveaux d’abstraction. L’applicabilité de notre proposition est vérifiée par des exemples d’application dans le domaine de la santé. Nous avons développé un prototype de système collaboratif pour le suivi des infections nosocomiales. L’étude de cas menée à l’aide de ce système a été rendue possible grâce à la collaboration de l’hôpital Édouard Herriot à Lyon qui nous a transmis son savoir-faire. Ainsi, nous avons développé l’outil AICEStudio afin de montrer la faisabilité de notre approche pour la génération des interfaces utilisateur personnalisées aux acteurs et adaptables aux caractéristiques de plateformes / The context of this research work lies in the prospect of a better understanding of Human-Computer Interaction engineering for collaborative and nomadic environments. Today, information systems have become increasingly collaborative and nomadic. This transformation implies two constraints to consider when designing user interfaces. First, in a collaborative application, the actors interact with each other to achieve a common project. These actors come from different disciplines and each has his own expertise. Thus, they do not share the same information on the project. Second, users are mobile and would like to access the system regardless of its geographical location, while maintaining the confidentiality of information defined in the system. This mobility requires the integration of mobile devices in the information system. However, for reasons of size and weight, mobile devices have limited resources compared to those offered by fixed stations, like PC. Given these observations, our objective is to build an interface for collaborative and mobile applications, personalized and tailored according to user profile and the interaction resources used by the terminal. In particular, our contribution is, on the one hand, the proposal of a collaborative architecture. On the other hand, the introduction of new notations, based on collaborative and nomadic environments, for the modeling of tasks that plays a key role in designing user interfaces. In addition, we proposed an approach based on models for the automatic generation of customized user interfaces to actors and adaptable to the platforms’ characteristics, composed of several levels of abstraction. The applicability of our proposal is tested by examples drawn of the healthcare application domain. We have developed a prototype of a collaborative system for monitoring nosocomial infections. The case study conducted using this system was made possible owing to the collaboration of Edouard Herriot hospital that has fed us with its expertise. Moreover, we have developed the tool AICEStudio to demonstrate the feasibility of our approach for generating customized user interfaces to actors and adaptable to the platforms’ characteristics

This thesis investigates the design of sociable technologies and is divided into three main parts described below. In the first part, we introduce sociable technologies. We review our the definition of technology and propose categories of technologies according to the motivation underlying their design: improvement of control, improvement of communication or improvement of cooperation. Sociable technologies are then presented as an extension of techniques to improve cooperation. The design of sociable technologies are then discussed leading to the observation that acquisition of social common sense is a key challenge for designing sociable technologies. Finally, polite technologies are presented as an approach for acquiring social common sense. In the second part, we focus on the premises for the design of sociable technologies. A key aspect of social common sense is the ability to act appropriately in social situations. Associating appropriate behaviour with social situations is presented as a key method for implementing polite technologies. Reinforcement learning is proposed as a method for learning such associations and variation of this algorithm are experimentally evaluated. Learning the association between situation and behaviour relies on the strong assumption that mutual understanding of social situations can be achieved between technologies and people during interaction. We argue that in order to design sociable technologies, we must change the model of communication used by our technologies. We propose to replace the well-known code model of communication, with the ostensive-inferential model proposed by Sperber and Wilson. Hypotheses raised by this approach are evaluated in an experiment conducted in a smart environment, where, subjects by group of two or three are asked to collaborate with a smart environment in order to teach it how to behave in an automated meeting. A novel experimental methodology is presented: The Sorceress of Oz. The results collected from this experiment validate our hypothesis and provide insightful information for the design. We conclude by presenting, what we believe are, the premises for the design of sociable technologies. The final part of the thesis concerns an infrastructure for the design of sociable technologies. This infrastructure provides the support for three fundamental components. First, it provides the support for an inferential model of context. This inferential model of context is presented; a software architecture is proposed and evaluated in an experiment conducted in a smart-environment. Second, it provides the support for reasoning by analogy and introduces the concept of eigensituations. The advantage of this representation are discussed and evaluated in an experiment. Finally, it provides the support for ostensive-inferential communication and introduces the concept of ostensive interface. / This thesis investigates the design of sociable technologies and is divided into three main parts described below. In the first part, we introduce sociable technologies. We review our the definition of technology and propose categories of technologies according to the motivation underlying their design: improvement of control, improvement of communication or improvement of cooperation. Sociable technologies are then presented as an extension of techniques to improve cooperation. The design of sociable technologies are then discussed leading to the observation that acquisition of social common sense is a key challenge for designing sociable technologies. Finally, polite technologies are presented as an approach for acquiring social common sense. In the second part, we focus on the premises for the design of sociable technologies. A key aspect of social common sense is the ability to act appropriately in social situations. Associating appropriate behaviour with social situations is presented as a key method for implementing polite technologies. Reinforcement learning is proposed as a method for learning such associations and variation of this algorithm are experimentally evaluated. Learning the association between situation and behaviour relies on the strong assumption that mutual understanding of social situations can be achieved between technologies and people during interaction. We argue that in order to design sociable technologies, we must change the model of communication used by our technologies. We propose to replace the well-known code model of communication, with the ostensive-inferential model proposed by Sperber and Wilson. Hypotheses raised by this approach are evaluated in an experiment conducted in a smart environment, where, subjects by group of two or three are asked to collaborate with a smart environment in order to teach it how to behave in an automated meeting. A novel experimental methodology is presented: The Sorceress of Oz. The results collected from this experiment validate our hypothesis and provide insightful information for the design. We conclude by presenting, what we believe are, the premises for the design of sociable technologies. The final part of the thesis concerns an infrastructure for the design of sociable technologies. This infrastructure provides the support for three fundamental components. First, it provides the support for an inferential model of context. This inferential model of context is presented; a software architecture is proposed and evaluated in an experiment conducted in a smart-environment. Second, it provides the support for reasoning by analogy and introduces the concept of eigensituations. The advantage of this representation are discussed and evaluated in an experiment. Finally, it provides the support for ostensive-inferential communication and introduces the concept of ostensive interface.

Avec les évolutions technologiques, les contextes d'usage en termes d'utilisateur, de plateforme et d'environnement se diversifient et changent dynamiquement au fil de l'interaction. Cette variabilité complexifie l'ingénierie de l'interaction homme-machine notamment par le paradoxe qu'elle pose entre, d'une part, profiter de cette variabilité nouvelle et d'autre part, assurer une certaine stabilité à l'utilisateur. Il apparaît alors nécessaire de donner de la hauteur à la définition classique du contexte en la restructurant autour de trois dimensions fondamentales < Hommes, Espaces, Temps >, offrant ainsi des bases propices à un raisonnement sur la variabilité, portée par le Temps, et la stabilité trouvant ses repères dans l'Espace interactif.En réponse au paradoxe, nous proposons une nouvelle génération d'IHM, les IHM perlées, fondées sur le concept de Perle. Informellement, la Perle est un point de vue sur le contexte d'usage, rendant ainsi observable sa variabilité, c.à.d. son évolution dans le temps et l'espace, tout en garantissant de la stabilité à l'utilisateur. Formellement, la Perle est une hyper-arête de l'hypergraphe qui formalise la modélisation du contexte d'usage métier, proposée en termes d'entités clés <Acteur, Service, Donnée> disponibles pour la réalisation de la tâche de l'humain et de relations d'ordre social issues du monde réel. La conception d'une IHM Perlée s'appuie sur le processus de visualisation adapté à la Perle, permettant la représentation du contexte métier dans l'IHM métier.Le concept est général à l'ingénierie de l'interaction homme-machine. Il a été conçu et évalué, dans la thèse, dans le domaine médical de la gastroentérologie. / With evolution of technologies, the contexts of use change dynamically throughout the interaction, in terms of user, platform and environment. This variability raises new challenges for Human Computer Interaction, with the emergence of a paradox between, on the one hand, to take advantage of this new variability and secondly, to provide stability to the user. We are taking the classic definition of context a step further by restructuring three fundamental dimensions <Human, Spaces, Time>. Thus, this new definition provides solid foundations for reasoning about variability, driven by the Time, and the stability finding his marks in the interactive Space. To address this issue, we propose a new generation of user interfaces, Pearly UI, based on the concept of Pearl. Informally, a Pearl is an overview of the context of use, and is able to show variability, i.e. its evolution over time and space, and to provide stability to the user. Formally, a Pearl is a hyper-edge of a hypergraph whose vertices are the three key entities of our model of context of use, <Actor, Service, Data> available to complete the task of the human. Pearly UI are based on the visualization process adapted to the Pearl, allowing the representation of the context in the user interface. The concept of Pearl was designed to be general in engineering of Human-Computer Interaction, and evaluated in the context of health care.

Alors que le numérique a longtemps été réservé à des usages experts, il fait aujourd’hui partie intégrante de notre quotidien, au point, qu’il devient difficile de considérer le monde physique dans lequel nous vivons indépendamment du monde numérique. Pourtant, malgré cette évolution, notre manière d’interagir avec le monde numérique a très peu évolué, et reste toujours principalement basé sur l’utilisation d’écrans, de claviers et de souris. Dans les nouveaux usages rendus possible par le numérique, ces interfaces peuvent se montrer inadaptées, et continuent à préserver la séparation entre le monde physique et le monde numérique. Au cours de cette thèse, nous nous sommes concentrés à rendre cette frontière entre mondes physique et numérique plus subtil au point de la faire disparaître. Cela est rendu possible en étendant la portée des outils numériques dans le monde physique, puis en concevant des artefacts hybrides (des objets aux propriétés physique et numérique), et enfin en permettant les transitions dans une réalité mixte (physique-numérique), laissant le choix du niveau d’immersion à l’utilisateur en fonction de ses besoins. L’objectif final de ce travail est d’augmenter l’expérience de la réalité. Cela comprend non seulement le support de l’interaction avec le monde extérieur, mais aussi avec notre monde intérieur. Cette thèse fournit aux lecteurs les informations contextuelles et les connaissances techniques requises pour pouvoir comprendre et concevoir des systèmes de réalité mixte. A partir de ces fondements, nos contributions, ayant pour but de fusionner le monde physique et le monde virtuel, sont présentées. Nous espérons que ce document inspirera et facilitera des travaux futurs ayant pour vision d’unifier le physique et le virtuel. / In recent history, computational devices evolved from simple calculators to now pervasive artefacts, with which we share most aspects of our lives, and it is hard to imagine otherwise. Yet, this change of the role of computers was not accompanied by an equivalent redefinition of the interaction paradigm: we still mostly depend on screens, keyboards and mice. Even when these legacy interfaces have been proven efficient for traditional tasks, we agree with those who argue that these interfaces are not necessarily fitting for their new roles. Even more so, traditional interfaces preserve the separation between digital and physical realms, now counterparts of our reality.During this PhD, we focused the dissolution of the separation between physical and digital, first by extending the reach of digital tools into the physical environment, followed by the creation of hybrid artefacts (physical-digital emulsions), to finally support the transition between different mixed realities, increasing immersion only when needed. The final objective of this work is to augment the experience of reality. This comprises not only the support of the interaction with the external world, but also with the internal one. This thesis provides the reader contextual information along with required technical knowledge to be able to understand and build mixed reality systems. Once the theoretical and practical knowledge is provided, our contributions towards the overarching goal of merging physical and digital realms are presented. We hope this document will inspire and help others to work towards a world where the physical and digital, and humans and their environment are not opposites, but instead all counterparts of a unified reality.

Doctorat en sciences psychologiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les réseaux sont des modèles qui nous permettent de comprendre les relations entre éléments du monde réel. Une grande quantité de réseaux sont dynamiques, c'est-à-dire que leur connexité change au cours du temps. Comprendre les changements de connexité signifie comprendre les interactions entre les éléments de systèmes complexes: comment se forment les relations sociales et commerciales, comment sont transmis les signaux entre les régions du cerveau, comment s'organisent les réseaux trophiques après des catastrophes environnementales. Au-delà de ce que nous permettent la technologie et les algorithmes d'analyses, l'homme dispose d'une capacité unique pour comprendre et interpréter des informations : la vision et la cognition. Cette thèse développe et examine des moyens pour explorer les réseaux dynamiques d'une manière interactive et visuelle. Je propose des techniques pour déplier la complexité des réseaux, avec le but de les rendre compréhensibles, de les voir à partir de perspectives différentes, d'examiner leurs composantes. Déplier des réseaux est une métaphore, comme la création des cartes bidimensionelles d'objets tridimensionnels comme la Terre: chaque méthode de projection a comme résultat une carte différente qui permet de voir des relations différentes entre la taille des continents et des océans, des distances, etc. Je propose les techniques de dépliage suivantes, implémentées et évaluées dans des systèmes interactifs : (i) une navigation temporelle qui permet de naviguer plus efficacement entre des différents instants, ainsi qu'un feedback visuel qui permet de mieux comprendre les changements dans les réseaux entre deux instants arbitraires. (ii) Des designs permettant la comparaison directe de deux réseaux avec des liens pondérés. (iii) Un modèle de visualisation pour des réseaux denses avec des liens pondérés, ainsi que (iv) la génération de réseaux synthétiques utilisés pour l'évaluation des visualisations. Afin de mieux créer et évaluer des visualisations, nous (v) proposons une taxonomie de tâche pour décrire des tâches accomplies par des analystes des réseaux. Pour compléter, (vi) nous généralisons l'idée de dépliage pour décrire d'autres genres de données temporelles, représentable dans des cubes espace-temps. Cela concerne la visualisation de vidéos, des données multi-variées, ainsi que la géographique. Une telle généralisation a pour but de fournir une base commune pour échanger des techniques de visualisation et de mieux comprendre l'espace de design pour les réseaux dynamiques. Dans cette optique, nous proposons une taxonomie d'opérations génériques qui nous permet de transformer un cube espace-temps en visualisation bidimensionelle, ainsi qu'une description des formes évoquées par les données dans le cube espace-temps. / Networks are models that help us understanding and thinking about relationships between entities in the real world. Many of these networks are dynamic, i.e. connectivity changes over time. Understanding changes in connectivity means to understand interactions between elements of complex systems; how people create and break up friendship relations, how signals get passed in the brain, how business collaborations evolve, or how food-webs restructure after environmental changes. However, understanding static networks is already difficult, due to size, density, attributes and particular motifs; changes over time very much increase this complexity. Quantification of change is often insufficient, but beyond an analysis that is driven by technology and algorithms, humans dispose a unique capability of understanding and interpreting information in data, based on vision and cognition. This dissertation explores ways to interactively explore dynamic networks by means of visualization. I develop and evaluate techniques to unfold the complexity of dynamic networks, making them understandable by looking at them from different angles, decomposing them into their parts and relating the parts in novel ways. While most techniques for dynamic network visualization rely on one particular type of view on the data, complementary visualizations allow for higher-level exploration and analysis. Covering three aspects Tasks, Visualization Design and Evaluation, I develop and evaluate the following unfolding techniques: (i) temporal navigation between individual time steps of a network and improved animated transitions to better understand changes, (ii) designs for the comparison of weighted graphs, (iii) the Matrix Cube, a space-time cube based on adjacency matrices, allowing to visualize dense dynamic networks by, as well as GraphCuisine, a system to (iv) generate synthetic networks with the primary focus on evaluating visualizations in user studies. In order to inform the design and evaluation of visualizations, we (v) provide a task taxonomy capturing users' tasks when exploring dynamic networks. Finally, (vi) the idea of unfolding networks with Matrix Cubes is generalized to other data sets that can be represented in space-time cubes (videos, geographical data, etc.). Visualizations in these domains can inspire visualizations for dynamic networks, and vice-versa. We propose a taxonomy of operations, describing how 3D space-time cubes are decomposed into a large variety of 2D visualizations. These operations help us exploring the design space for visualizing and interactively unfolding dynamic networks and other spatio-temporal data, as well as may serve users as a mental model of the data.