Les Learning Games sont des environnements d'apprentissage, souvent informatisés, qui utilisent des ressorts ludiques pour catalyser l'attention des apprenants et ainsi faciliter leur apprentissage. Ils ont des atouts indéniables mais présentent également certaines limites, comme des situations d'apprentissage trop artificielles. Ces limites peuvent être dépassées par l'intégration d'interactions en Réalité Mixte dans les Learning Games, que nous appelons alors des Mixed Reality Learning Games (MRLG). La Réalité Mixte, qui combine environnements numériques et objets réels, ouvre de nouvelles possibilités d'interactions et d'apprentissage qui gomment les limites précédentes et qu'il faut repérer et explorer. Dans ce contexte, nous nous intéressons au processus de conception des MRLG. Dans un premier temps, nous présentons une étude sur l'utilisation de la Réalité Mixte dans les domaines de l'apprentissage et du jeu, incluant un état de l'art des MRLG. Cette étude montre que, malgré de nombreux atouts, la conception des MRLG reste difficile à maîtriser. En effet, il n'existe ni méthode ni outil adapté à la conception de ce type d'environnements. Dans un second temps, nous analysons et modélisons l'activité de conception des MRLG à travers la littérature et des expériences de conception, dont une menée dans le cadre du projet SEGAREM. Cette démarche révèle des verrous spécifiques tels que l'absence d'aide à la modélisation (ou formalisation), à la créativité et à la vérification de la cohérence des idées. Nous éclairons nos réponses à ces besoins par un recensement des outils utilisés dans les domaines liés aux MRLG : situations d'apprentissage, jeux et environnements de la Réalité Mixte. Ceci nous amène à proposer deux outils conceptuels : un modèle de description de MRLG (f-MRLG) et des aides à la créativité sous la forme de propositions puis de recommandations. Le modèle de description a pour objectif de formaliser l'ensemble des éléments constituant un MRLG, mais aussi d'être un moyen d'identifier les éléments à définir, de structurer et de vérifier les idées. Les listes de propositions et recommandations ont pour but d'aider le concepteur à faire des choix cohérents par rapport à la situation d'apprentissage visée, en particulier en ce qui concerne les types de jeux et les dispositifs de Réalité Mixte. Une première évaluation de ces propositions a conduit à leur amélioration. Ces propositions sont à l'origine de la conception et du développement d'un outil auteur informatisé : MIRLEGADEE (Mixed Reality Learning Game DEsign Environment). MIRLEGADEE est basé sur LEGADEE, un environnement auteur pour la conception de Learning Games. Une expérimentation auprès de 20 enseignants et concepteurs de formation a validé le bienfondé de cet outil qui guide effectivement les concepteurs dans les phases amont du processus de conception de MRLG malgré des limites pour l'accompagnement de tâches complexes.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'Interaction Homme-Machine. Elle vise à prendre en considération le contexte d'usage pour les nouvelles plateformes de type table interactive. Par la notion de table interactive, on laisse supposer un espace de travail collaboratif et co-localisé permettant de faire intervenir plusieurs utilisateurs en même temps mais également de nouvelles interactions mêlant objets tangibles, virtuels voire tactiles. C'est face à ce constat et à l'engouement accordé à ces nouvelles plateformes que nous avons proposé de caractériser puis de recenser les tables interactives en nous appuyant sur un modèle que nous avons proposé. Le contexte est une notion utilisée depuis longtemps dans la conception d'applications interactives. Les recherches en Interaction Homme-Machine ont apporté de nombreux éléments permettant de le définir et de le qualifier de manière approfondie. Notre proposition se base sur la prise en considération du contexte d'usage pour les tables interactives. Pour cela, nous avons dans un premier temps modélisé le contexte d'usage tel qu'il peut être défini dans la littérature puis augmenté cette modélisation afin de l'adapter à l'utilisation des tables interactives. Un ensemble de formalismes permettant de définir le contexte et une situation d'utilisation pour les tables interactives sont également présentés, ceux-ci nous amenant à proposer un système d'adaptation au contexte d'usage puis un ensemble de règles d'adaptation. Nous réalisons l'adaptation au contexte d'usage en utilisant la table interactive TangiSense, résultat du projet ANR TTT. Pour cela nous utilisons et implémentons nos règles d'adaptation proposées afin de permettre à la table interactive TangiSense de s'adapter en fonction du contexte et des situations d'utilisation. Afin d'évaluer l'ensemble des éléments proposés dans cette thèse, deux études ont été menées : la première en laboratoire, la seconde dans un environnement naturel en école maternelle. Un ensemble de perspectives de recherche termine le mémoire.

Afin de faciliter la conduite et prévenir les accidents par sortie de voie, ce travail porte sur le développement d'un dispositif d'assistance au contrôle latéral de la trajectoire d'un véhicule automobile. L'état de l'art des travaux portant sur ce thème a mis en évidence la nécessité de mieux prendre en compte l'interaction du conducteur avec l'ensemble véhicule-route. Ceci nous a conduit à développer un mode de contrôle partagé basé sur l'anticipation du risque et sur la prédiction des actions les plus probables du conducteur. Le travail de la thèse a été articulé principalement autour de deux axes : la modélisation cybernétique du conducteur dans sa tâche de contrôle latéral, et la conception du contrôle partagé de la direction sur la base du modèle global CVR (conducteur-véhicule-route). Un modèle du conducteur a été développé en cohérence avec les connaissances actuelles sur la sensorimotricité humaine. Ses paramètres ont été identifiés en utilisant des données expérimentales issues d'un simulateur de conduite SCANeRTM. Ensuite, Deux stratégies du contrôle partagé ont été conçues et évaluées expérimentalement. La première (nommée CoLat1) se repose sur un principe similaire à celui des assistances LKS commercialisées à ce jour. Sa conception repose sur l'utilisation d'un modèle véhicule-route, et ne fait appel à aucun modèle du conducteur. Le partage n'est fait que de la mise en œuvre en appliquant partiellement la commande qu'il produit. La deuxième (nommée CoLat2) repose sur une conception tenant compte des modalités du partage de la conduite avec le conducteur. Sa conception repose sur l'utilisation d'un modèle global (CVR). La commande H2/LQ anticipative (with preview) a été choisie dans les deux cas (CoLat1 & 2) pour ce qu'elle permet la prise en compte de la connaissance anticipée de la courbure de la route et la définition de critères de performance pertinents. Elle a été revisitée pour tenir compte de modèles prédicteur des signaux perturbateurs.

Les recherches présentées dans ce mémoire visent à inventer des méthodes de conception ou des composants de méthodes (c'est-à-dire des modèles de produits, de processus, et des outils) de nature à soutenir le développement de Systèmes d'Information (SI) innovants, bénéficiant des avancées technologiques pour assurer à l'utilisateur une qualité en tout contexte d'usage. Elles se situent ainsi à la croisée de trois communautés, introduisant chacune une préoccupation : l'Interaction Homme-Machine (IHM) pour la prise en compte de l'utilisateur final ; les Systèmes d'Information (SI) pour la considération du contexte organisationnel ; et le Génie Logiciel (GL) pour l'étude et l'invention des techniques et outils supports. Les contributions s'articulent autour de trois axes : 1) la mise en commun des pratiques des domaines de l'IHM et des SI pour favoriser la prise en compte des spécificités de ces deux domaines ; 2) l'étude conjointe de l'auto-explication pour avancer, avec les spécificités de chacun, vers le défi commun des modèles interactifs ; 3) les pratiques et outils de gestion de modèles au delà des domaines de l'IHM et des SI.

Cette thèse porte sur la Conception Centrée Valeur (CCV) proposé par Gilbert Cockton dans le but d'aller au-delà de l'utilisabilité dans les systèmes interactifs. L'auteur propose un canevas pour la mise en oeuvre de la CCV. Cependant, les opérationnalisations restent partielles et sont réalisées par lui-même, d'où un manque de recul de la communauté vis-à-vis de la méthode. La thèse relate la conception centrée valeur de Cocoon, un système d'information mobile et sensible au contexte. Elle apporte des contributions à la fois sur les plans conceptuel et méthodologique. D'un point de vue conceptuel, elle introduit la taxonomie PIPE (Personnelle, Impersonnelle, Pérenne, Éphémère) pour la caractérisation de l'information. En outre, elle montre que les systèmes existants ne couvrent pas PIPE : ils sont surtout focalisés sur les informations impersonnelles. Alors, la thèse propose le concept d'arbre de vie et Cocoon. D'un point de vue méthodologique, la thèse apporte une compréhension meilleure de la notion de valeur. En outre, elle fournit un retour d'expérience sur la CCV accompagné de remarques et recommandations pour des mises en oeuvres futures plus performantes. Enfin, elle propose un canevas pour la construction des cartes de valeur et une stratégie pour l'estimation de la valeur.

Cette thèse étudie les problèmes de diagnostic itératif et propose des outilsd'aide au diagnostic interactif. Différents processus de diagnostic où des outils interactifshomme-automate sont utiles, sont présentés. Ces outils permettent de résoudre des difficultésliées à la représentation d'un grand nombre d'éléments d'un système, des difficultés liées àla représentation du comportement et du fonctionnement d'un système et des difficultés liéesà l'explicitation de l'expertise. Nos travaux ont conduit à la conception de différents typesd'outils interactifs d'aide au diagnostic. Le premier permet d'exploiter des représentationsstructuro-fonctionnelles pour construire et résoudre progressivement un problème de diagnostic.Le second outil interactif permet d'exploiter des modèles de comportement construitau 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'unexpert dans la résolution de problème de diagnostic. Un problème de diagnostic est doncprésenté comme un processus itératif avec des interactions homme-automate.

Dans ce travail de thèse, nous abordons les problèmes de commande posés en co-manipulation robotique pour des tâches de manutention à travers un point de vue dont nous pensons qu'il n'est pas suffisamment exploité, bien qu'il a recourt à des outils classiques en robotique. Le problème de commande en co-manipulation robotique est souvent abordé par le biais des méthodes de contrôle d'impédance, où l'objectif est d'établir une relation mathématique entre la vitesse linéaire du point d'interaction homme-robot et la force d'interaction appliquée par l'opérateur humain au même point. Cette thèse aborde le problème de co-manipulation robotique pour des tâches de manutention comme un problème de commande optimale sous contrainte. Le point de vue proposé se base sur la mise en œuvre d'un Générateur de Trajectoire Temps-Réel spécifique, combiné à une boucle d'asservissement cinématique. Le générateur de trajectoire est conçu de manière à traduire les intentions de l'opérateur humain en trajectoires idéales que le robot doit suivre ? Il fonctionne comme un automate à deux états dont les transitions sont contrôlées par évènement, en comparant l'amplitude de la force d'interaction à un seuil de force ajustable, afin de permettre à l'opérateur humain de garder l'autorité sur les états de mouvement du robot. Pour assurer une interaction fluide, nous proposons de générer un profil de vitesse colinéaire à la force appliquée au point d'interaction. La boucle d'asservissement est alors utilisée afin de satisfaire les exigences de stabilité et de qualité du suivi de trajectoire tout en garantissant l'assistance une interaction homme-robot sûre. Plusieurs méthodes de synthèse sont appliquées pour concevoir des correcteurs efficaces qui assurent un bon suivi des trajectoires générées. L'ensemble est illustré à travers deux modèles de robot. Le premier est le penducobot, qui correspond à un robot sous-actionné à deux degrés de liberté et évoluant dans le plan. Le deuxième est un robot à deux bras complètement actionné.

Nous nous intéressons dans cette thèse au problème de l’automatisation du processus de choix et de paramétrage des visualisations en fouille visuelle de données. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un assistant utilisateur "VizAssist" dont l’objectif principal est de guider les utilisateurs (experts ou novices) durant le processus d’exploration et d’analyse de leur ensemble de données. Nous illustrons, l’approche sur laquelle s’appuie VizAssit pour guider les utilisateurs dans le choix et le paramétrage des visualisations. VizAssist propose un processus en deux étapes. La première étape consiste à recueillir les objectifs annoncés par l’utilisateur ainsi que la description de son jeu de données à visualiser, pour lui proposer un sous ensemble de visualisations candidates pour le représenter. Dans cette phase, VizAssist suggère différents appariements entre la base de données à visualiser et les visualisations qu’il gère. La seconde étape permet d’affiner les différents paramétrages suggérés par le système. Dans cette phase, VizAssist utilise un algorithme génétique interactif qui a pour apport de permettre aux utilisateurs d’évaluer et d’ajuster visuellement ces paramétrages. Nous présentons enfin les résultats de l’évaluation utilisateur que nous avons réalisé ainsi que les apports de notre outil à accomplir quelques tâches de fouille de données. / In this thesis, we deal with the problem of automating the process of choosing an appropriate visualization and its parameters in the context of visual data mining. To solve this problem, we developed a user assistant "VizAssist" which mainly assist users (experts and novices) during the process of exploration and analysis of their dataset. We illustrate the approach used by VizAssit to help users in the visualization selection and parameterization process. VizAssist proposes a process based on two steps. In the first step, VizAssist collects the user’s objectives and the description of his dataset, and then proposes a subset of candidate visualizations to represent them. In this step, VizAssist suggests a different mapping between the database for representation and the set of visualizations it manages. The second step allows user to adjust the different mappings suggested by the system. In this step, VizAssist uses an interactive genetic algorithm to allow users to visually evaluate and adjust such mappings. We present finally the results that we have obtained during the user evaluation that we performed and the contributions of our tool to accomplish some tasks of data mining.

La conception de nouveaux produits industriels nécessite le développement de prototypes avant leur déploiement grand public. Afin d'accélérer cette phase et de réduire les coûts qui en découlent, une solution intéressante consiste a utiliser des prototypes virtuels le plus longtemps possible en particulier dans la phase de conception. Certaines des étapes de la conception consistent à effectuer des opérations d'assemblage ou de désassemblage. Ces opérations peuvent être effectuées manuellement ou automatiquement à l'aide d'un algorithme de planification de mouvement. La planification de mouvement est une méthode permettant à un ordinateur de simuler le déplacement d'un objet d'un point de départ à un point d'arrivée tout en évitant les obstacles. Le travail de recherche de cette thèse apporte des solutions pour l'interaction entre un humain et un algorithme de planification de mouvement pendant l'exploration de l'espace libre. Le temps de recherche est partagé entre l'humain et la machine selon un paramètre de partage d'autorité permettant de déterminer le pourcentage d'allocation du temps à l'une ou l'autre entité. L'utilisation de ces deux entités en même temps permet d'accélérer grandement la vitesse d'exploration par rapport à la vitesse d'un humain seul ou d'un algorithme seul. Ces travaux apportent ensuite une nouvelle méthode de planification de mouvement avec contact permettant de générer des trajectoires à la surface des obstacles au lieu de les générer uniquement dans l'espace libre. La planification au contact permet d'effectuer des opérations spécifiques telles que le glissement ou l'insertion utiles pour la résolution de problèmes de planification dans des environnements encombrés. Enfin, détecter les intentions d'un utilisateur lorsqu'il interagit avec une m achine permet de lui fournir des ordres efficacement et intuitivement. Dans le cadre de la planification interactive au contact, un algorithme de détection d'intention est proposé. Ce dernier s'appuie sur l'utilisation d'un robot haptique permettant à un opérateur de ressentir les obstacles virtuels lors de la manipulation d'un objet virtuel dans un environnement de réalité virtuelle. L'algorithme interactif s'adapte en temps réel aux actions de l'opérateur pour une exploration pertinente de la surface des obstacles. Ces travaux ont été menés en partie au laboratoire toulousain LAAS au sein de l'équipe Gepetto et en partie dans le laboratoire LGP de l'ENIT au sein de l'équipe DIDS. Nous remercions la région Midi-Pyrénées pour avoir financé ces recherches. / Designing new industrial products requires to develop prototypes prior to their launch phase. An interesting solution to speedup the development phase and reduce its costs is to use virtual prototypes as long as possible. Some steps of the development consist in assembly or disassembly operations. These operations can be done manually or automatically using a motion planning algorithm. Motion planning is a method allowing a computer to simulate the motion of an object from a start point to a goal point while avoiding obstacles. The following research work brings solutions for the interaction between a human operator and a motion planning algorithm of virtual objects for the exploration of free space. Research time is split between the human and the machine according to an authority sharing parameter determining the percentage of time allowed to one or the other entity. The simultaneous use of a human and a machine greatly speedup the exploration in comparison with the time needed by any of the to alone. This work then presents a new interactive motion planning with contact method. This method permits to generate trajectories at the surface of obstacles instead of free space trajectories. This contact motion planning method allows specific operations such as sliding or insertion. This greatly diminishes the solving time of motion planning problems in cluttered environments. Detecting the intentions of a user when he interacts with a machine is a good way to convey orders efficiently and intuitively. An algorithm for interactive contact planning with intention detection techniques is proposed. This algorithm uses a haptic robot allowing a user to feel virtual obstacles when manipulating a virtual object in a virtual reality environment. The interactive algorithm adapts to the the actions of the user in real time for a pertinent exploration of the surfaces of obstacles. This work has been done partly in LAAS-CNRS laboratory in Toulouse in Gepetto team and partly in LGP-ENIT laboratory in Tarbes in DIDS team. We wish to thank the Midi-Pyrénées region for funding this research.

Le domaine de l’informatique 3D est vaste, contenant de nombreuses directions de recherche possible. Une de ces directions est la numérisation d’objetsréels, via des scanners. De nombreux objectifs peuvent requérir cela, de l’affichage et de l’interaction avec le modèle dans un environnement 3D comme un jeu vidéo à l’analyse dudit modèle pour de la rétro-ingénierie, comme l’analyse de l’évolution de l’objet dans le temps pour de la maintenance. Le problème est alors d’être capable de traiter les modèles ainsi acquis. Cette thèse se focalise plus particulièrement sur les modèles de bâtiments acquis à l’aide d’un scanner laser, résultant en un nuage de points 3D. Le processus d’acquisition n’étant pas parfait, le modèle obtenu comporte des défauts comme des trous ou du bruit. Notre première contribution est alors de pouvoir sélectionner une partie de ce nuage de points, dans le but par exemple de cibler des traitements. Le principe est de faire une sélection par étape en créant un volume formé d’une succession de contours de forme libre. Des tests expérimentaux ont montré que cette technique est efficace et préférée par rapport aux deux autres techniques de sélection testées. Notre deuxième contribution est un processus visant à corriger les défauts dus à l’acquisition du modèle. Pour cela, le processus se base sur d’autres sources contenant des informations sur l’objet représenté pour détecter un ensemble de zones contenant des problèmes. Il essaie ensuite autant que possible de prendre automatiquement des décisions pour la correction, mais laisse toujours le choix final à un utilisateur. Les résultats montrent que le modèle obtenu est d’une bien meilleure qualité visuelle. / The computer science field is vast, containing numerous areas of possible research focus. One of those areas is the transposition of real objects in 3D worlds, using scanners. A variety of goals can need such a step, from displaying and interacting with the resulting model in a 3D environment such as a video game to analyzing that model for retro-engineering, such as analyzing the evolution in time of the object for maintenance. The problem then becomes to be capable to treat the models thus acquired. This thesis focuses more particularly on models of building, acquired with a laser scanner, giving a 3D point cloud. The acquisition process being not perfect, the resulting model contains defects such as holes or noise. Our first contribution is then to enable a user to select a part of the cloud, for example to target treatments. The principle is to perform the selection in several steps by creating a volume composed of successive free-formed outlines. Experimental tests showed that this technique is effective and preferred to the two other compared selection techniques. Our second contribution is a process aiming at correcting the defects caused by the acquisition. To that end, the process bases itself on other sources having information on the represented object to detect a set of areas containing problems. It tries then as much as possible to take automatic decisions to correct the problems, but always leaves the final choice to a user. The experiment showed the the resulting model looks much better.