Les Interfaces Cerveau-Ordinateur basées sur l’Imagerie Mentale (IM-ICO) permettent auxutilisateurs d’interagir uniquement via leur activité cérébrale, grâce à la réalisation de tâchesd’imagerie mentale. Cette thèse se veut contribuer à l’amélioration des IM-ICO dans le but deles rendre plus utilisables. Les IM-ICO sont extrêmement prometteuses dans de nombreuxdomaines allant de la rééducation post-AVC aux jeux-vidéo. Malheureusement, leurdéveloppement est freiné par le fait que 15 à 30% des utilisateurs seraient incapables de lescontrôler. Nombre de travaux se sont focalisés sur l’amélioration des algorithmes de traitementdu signal. Par contre, l’impact de l’entraînement des utilisateurs sur leur performance estsouvent négligé. Contrôler une IM-ICO nécessite l’acquisition de compétences et donc unentraînement approprié. Or, malgré le fait qu’il ait été suggéré que les protocolesd’entraînement actuels sont théoriquement inappropriés, peu d’efforts sont mis en oeuvre pourles améliorer. Notre principal objectif est de comprendre et améliorer l’apprentissage des IMICO.Ainsi, nous cherchons d’abord à acquérir une meilleure compréhension des processussous-tendant cet apprentissage avant de proposer une amélioration des protocolesd’entraînement afin qu’ils prennent en compte les facteurs cognitifs et psychologiquespertinents et qu’ils respectent les principes issus de l’ingénierie pédagogique. Nous avonsainsi défini 3 axes de recherche visant à investiguer l’impact (1) de facteurs cognitifs, (2) de lapersonnalité et (3) du feedback sur la performance. Pour chacun de ces axes, nous décrivonsd’abord les études nous ayant permis de déterminer les facteurs impactant la performance ;nous présentons ensuite le design et la validation de nouvelles approches d’entraînementavant de proposer des perspectives de travaux futurs. Enfin, nous proposons une solution quipermettrait d’étudier l’apprentissage de manière mutli-factorielle et dynamique : un systèmetutoriel intelligent. / Mental-imagery based brain-computer interfaces (MI-BCIs) enable users to interact with theirenvironment using their brain-activity alone, by performing mental-imagery tasks. This thesisaims to contribute to the improvement of MI-BCIs in order to render them more usable. MIBCIsare bringing innovative prospects in many fields, ranging from stroke rehabilitation tovideo games. Unfortunately, most of the promising MI-BCI based applications are not yetavailable on the public market since an estimated 15 to 30% of users seem unable to controlthem. A lot of research has focused on the improvement of signal processing algorithms.However, the potential role of user training in MI-BCI performance seems to be mostlyneglected. Controlling an MI-BCI requires the acquisition of specific skills, and thus anappropriate training procedure. Yet, although current training protocols have been shown tobe theoretically inappropriate, very little research is done towards their improvement. Our mainobject is to understand and improve MI-BCI user-training. Thus, first we aim to acquire a betterunderstanding of the processes underlying MI-BCI user-training. Next, based on thisunderstanding, we aim at improving MI-BCI user-training so that it takes into account therelevant psychological and cognitive factors and complies with the principles of instructionaldesign. Therefore, we defined 3 research axes which consisted in investigating the impact of(1) cognitive factors, (2) personality and (3) feedback on MI-BCI performance. For each axis,we first describe the studies that enabled us to determine which factors impact MI-BCIperformance; second, we describe the design and validation of new training approaches; thethird part is dedicated to future work. Finally, we propose a solution that could enable theinvestigation of MI-BCI user-training using a multifactorial and dynamic approach: an IntelligentTutoring System.

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.

Cette étude est fondée sur deux constats dans le domaine du transport aérien : la conception des systèmes automatisés, et notamment du système de gestion de vol, découle d’un point de vue techno-centré ne prenant pas en compte le point de vue des opérateurs ; le système de gestion de vol est un système complexe entrainant une difficulté à l’appréhender pour optimiser l’accès aux fonctions existantes. Cette recherche a pour objectif de fournir des recommandations en vue de la conception d’une nouvelle interface du système de gestion de vol partant d’un point de vue centré sur l’opérateur. Pour cela, deux études ont été menées ayant pour objectif la réalisation d’une analyse cognitive de la tâche de navigation (tâche pour laquelle le système de gestion de vol a été initialement conçu). Pour ce faire, nous avons conduit des entretiens auprès de pilotes aux expériences diverses. Les résultats de ces deux premières études fournissent des éléments d’informations quant aux besoins informationnels des pilotes et nous informent aussi sur les exigences de la tâche et leur impact sur la conscience de la situation des pilotes. A la suite de ces résultats, des recommandations de conception pour une nouvelle interface de système de gestion de vol ont été émises visant à répondre aux besoins informationnels des pilotes et ainsi à améliorer leur conscience de la situation. Ces recommandations ont été testées lors d’une troisième étude. Les résultats enregistrés montrent que la réduction de l’effet de dissociation de l’attention ainsi que la contextualisation de l’information de manière cohérente par rapport à l’activité des pilotes permet d’améliorer leur conscience de la situation. / This study is based on two observations in the airway field: (i) the design of automated systems - particularly of the flight management system - is currently based on a techno-centered point of view that doesn’t take into account the user point of view; (ii) the flight management system is a complex system resulting in a long time of training and in a difficulty in both the knowledge and the access to the existing functions. This study aims to provide design recommendations for a new flight management system interface from the point of view of the pilots. In order to do this, two studies were carried out with the objective to produce a cognitive task analysis, and more particularly a cognitive task analysis of the navigation task (which is the task for which the system was initially created). Interviews were thus conducted with pilots with different experiences. The results of these two first studies provide information on the informational needs of the pilots, on the task requirements as well as on their impacts on the situation awareness of the pilots. Following these results, design recommendations for a new flight management system interface were produced in order to answer to the informational needs of the pilots and thus to improve their situation awareness. These recommendations were tested during a third study. The results show that the decrease of the attention dissociation’s effect as well as the consistency of the information contextualization of the pilot activity improves the situation awareness.

Les visualisations de données permettent de transmettre de l’information aux utilisateurs. Pour explorer et comprendre les données, les utilisateurs sont amenés à interagir avec ces visualisations.Toutefois, l’interaction avec les visualisations modifie le visuel. Pour éviter des changements brusques et garder l’utilisateur focalisé sur les objets graphiques d’intérêt, des transitions visuelles sont nécessaires pour accompagner les modifications de la visualisation. Ces transitions visuelles peuvent être codées sous la forme d’animations, ou de techniques qui permettent de faire des correspondances, ou des liens avec des données représentées sur plusieurs affichages. Le premier objectif de cette thèse était d’étudier les bénéfices et les propriétés des animations pour l’exploration et la compréhension de grandes quantités de données multidimensionnelles. Nous avons établi en conséquence une taxonomie des transitions animées en visualisation d’information basée sur les tâches des utilisateurs. Cette taxonomie a permis de constater qu’il n’existe pas de contrôle utilisateur sur la direction des objets durant l’animation. Nous avons donc proposé des interactions pour le contrôle de la direction des objets graphiques lors d’une transition animée. D’autre part, nous avons étudié une technique de transition animée mettant en jeu une rotation 3D entre visualisations. Nous avons identifié les avantages qu’elle pouvait apporter et en avons proposé une amélioration.Le second objectif était d’étudier les transitions visuelles dans le domaine du Contrôle du Trafic Aérien. En effet, les contrôleurs utilisent de nombreuses visualisations qui comportent des informations étalées et dupliquées sur plusieurs affichages: l’écran Radar, le tableau de strips, des listes spécifiques d’avions (départ, arrivées) etc. Ainsi dans leur activité, les Contrôleurs Aériens réalisent des transitions visuelles en recherchant et en reliant de l’information à travers les différents affichages. Nous avons étudié comment les animations pouvaient être utilisées dans le domaine du contrôle aérien en implémentant un prototype d’image radar regroupant trois visualisations usuelles pour instrumenter l’activité de supervision du trafic aérien. / Data visualizations allow information to be transmitted to users. In order to explore and understand the data, it is often necessary for users to manipulate the display of this data. When manipulating the visualization, visual transitions are necessary to avoid abrupt changes in this visualization, and to allow the user to focus on the graphical object of interest. These visual transitions can be coded as an animation, or techniques that link the data across several displays. The first aim of this thesis was to examine the benefits and properties of animated transitions used to explore and understand large quantities of multidimensional data. In order to do so, we created a taxonomy of existing animated transitions. This taxonomy allowed us to identify that no animated transition currently exists that allows the user to control the direction of objects during the transition. We therefore proposed an animated transition that allows the user to have this control during the animation. In addition, we studied an animated transition technique that uses 3D rotation to transition between visualizations. We identified the advantages of this technique and propose an improvement to the current design. The second objective was to study the visual transitions used in the Air Traffic Control domain. Air Traffic Controllers use a number of visualizations to view vast information which is duplicated in several places: the Radar screen, the strip board, airplane lists (departures/arrivals) etc. Air traffic controllers perform visual transitions as they search between these different displays of information. We studied the way animations can be used in the Air Traffic Control domain by implementing a radar image prototype which combines three visualizations typically used by Air Traffic Controllers.

Pour répondre aux enjeux de la longue vie opérationnelle des systèmes et de l’incertitude de l’environnement, la résilience complète la sûreté de fonctionnement pour prendre en compte les situations imprévisibles, sans précédent : l’objectif est de comprendre la situation pour éviter un accident. La qualité de l’interaction homme-machine est essentielle pour atteindre cet objectif. L’état de l’art présente la résilience des systèmes sociotechniques comme complémentaire à la sécurité. Mettre en œuvre la résilience affecte tant l’architecture système que les processus d’ingénierie système. Enfin, elle affecte aussi l’interaction homme-machine, tant son processus de conception centrée utilisateur, ses modèles utilisateur (persona), que ses modèles d’architecture. Nous avons créé le patron de conception « surveiller et alerter » appliqué à la fonction « éviter » de la résilience, pour donner aux opérateurs la capacité de comprendre la dynamique du système, le conduire à vue face à des situations imprévisibles, sans précédent afin d’éviter la survenue d’un accident. La proposition comprend aussi des processus à mettre en œuvre pour contribuer à la résilience d’un système critique à longue durée de vie. L’application au domaine ferroviaire s’appuie sur l’analyse de rapports d’enquête technique d’accidents. Elle se décline sur le patron de conception « surveiller et alerter » et sur le persona, in fine pour proposer des améliorations des interfaces utilisateur. Des perspectives de recherche complètent le mémoire. / The long operational lifecycle of systems and the uncertainty of the environment are a great challenge to engineers. Resilience enhances reliability and safety to take into account the unforeseeable situations, without precedent. The goal is to understand the situation to avoid an accident. The quality of the human-machine interaction is the key issue to achieve this goal. The state of the art explains that sociotechnical systems resilience completes safety approach. Implementaing resilience impacts both system architecture and systems engineering processes. At the end, implementing resilience impacts human-computer interaction, user centred design as well as architecture models. We created the design pattern “to monitor and alert” applied to the function “to avoid” of the resilience. Its goal is to give to the operators the capacity to understand the dynamics of the system, to control at sight vis-a-vis unforeseeable situations, in order to avoid an accident. The proposal contents the processes to be implemented to contribute to the resilience of long lifecycle critical systems. The application to the railway domain is based on the analysis of three accident technical reports. It is declined, on the processes to be implemented to contribute to the resilience of a system, on the design pattern “to monitor and alert” for the architecture of a resilient system and to propose improvements of the user interface. Research forecasts supplement the report.

L’objectif de cette thèse était d’étudier et développer une aide logicielle, nommée ComMob (communication et mobilité), permettant d’aider l’utilisateur lors de la saisie d’information en situation dégradée, en se centrant sur des utilisateurs à fort handicap moteur. La thèse se situe dans le domaine de l’interaction homme-machine, domaine particulièrement important puisque les interactions homme-machine se déroulent désormais continuellement et en tous lieux (domicile, lieux publics, travail…). Sous l’angle applicatif, cette recherche est plus particulièrement centrée sur la mobilité, en lien avec les transports collectifs, l’accès aux informations voyageur, l’incitation à utiliser ceux-ci, tout en faisant le lien avec des activités journalières. Mais dans ce cadre on s’intéresse plus particulièrement aux utilisateurs de profil Infirme Moteur Cérébral de type tétraplégique athétosique ; ces utilisateurs éprouvant des difficultés à effectuer des actions à l’aide de leurs membres supérieurs à cause de fréquents mouvements parasites. De plus, ces personnes ont un problème de dysarthrie. Le système ComMob exploite des pictogrammes pour accélérer la saisie des phrases ; différentes fonctionnalités sont proposées incluant une aide à la programmation. Plusieurs évaluations ont été effectuées, aussi bien en mobilité qu’en laboratoire. Différentes pers-pectives de recherche sont également proposées. / The objective of the thesis is the study and development of a software aid named ComMob (Communication and Mobility) aimed at assisting disabled users when inputting information, nota-bly those with high mobility impairment. The thesis is in the field of Human-Computer Interaction, a particularly important area given that user interfaces are present on every device used continuously in all places (home, public places, offices ...). This research targets increased public transport use, better access to traveler information, and also daily activities of users with athetoid quadriplegic cerebral palsy. These users have difficulties performing actions with their arms because of frequent uncontrolled movements. In addition, they also have a dysarthria problem. The ComMob system uses pictograms to accelerate the input of sentences via different functions, including a program-ming aid. Several evaluations have been conducted in mobility situations and in laboratory condi-tions. Different research perspectives are also proposed.

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.

Les systèmes complexes, naturels et artificiels, ont reçu récemment une attention renouvelée : les systèmes naturels, notamment biologiques, du fait de la nécessité de les appréhender dans une démarche systémique ; les systèmes artificiels, du fait de la dématérialisation de l'ordinateur amorcée avec l'informatique ubiquitaire. L'art, de son côté, explore depuis toujours le détournement des dernières avancées scientifiques et technologiques pour la création d'oeuvres singulières. Le travail mené depuis dix ans se situe à la croisée de ces chemins, dans le cadre unificateur des systèmes multi-agents. Je me suis intéressé plus particulièrement à l'interaction homme-machine dans le contexte de l'informatique ambiante, dans l'idée d'une construction automatique et d'une régulation dynamique de systèmes d'interaction. Ce travail est alimenté par la recherche menée dans le cadre de la simulation à base d'agents, aussi bien du point de vue des concepts et outils développés, que du point de vue de l'inspiration tirée des mécanismes d'auto-organisation et de régulation des systèmes étudiés. L'art fournit quant à lui un cadre expérimental original par la mise en scène métaphorique, dans des performances numériques interactives, des situations étudiées.

Les travaux de cette thèse en informatique s’inscrivent dans le domaine de l’interaction homme-machine (IHM). Le sujet de ce mémoire concerne l’utilisation d’une nouvelle forme d’ordinateur appelée table interactive. Il s’agit d’une table dont le plateau est à la fois un écran et une surface de détection multi-tactile. Les tables interactives ouvrent de nouveaux usages de l’informatique en permettant des applications multi-utilisateurs en coprésence. Les utilisateurs d’une même table interactive ont naturellement envie d’interagir simultanément sur la surface partagée. Cette simultanéité est toutefois difficile à observer dans un contexte collaboratif et non artificiel. Les études existantes n’ont pas suffisamment analysé les problèmes rencontrés ni cherché comment le système peut aider à gérer les accès simultanés.Notre approche a consisté à étudier les interactions simultanées en nous orientant vers des situations originales où la couche applicative du système exerce une forte pression sur le rythme d’utilisation. Nous justifions ainsi l’utilisation d’un jeu vidéo comme outil d’exploration et d’expérimentation. Ce mémoire retrace la conception et le développement de RealTimeChess, un jeu pour 2 à 4 joueurs, adapté aux caractéristiques des tables interactives, et inspiré des échecs dans une version s’affranchissant du tour par tour. Nous rapportons les résultats d’expériences menées sur des groupes de 2 à 4 participants en situations de coopération et de compétition, qui ont permis de mettre en évidence des problèmes de gênes physiques et d’accessibilité aux objets distants ; de perception des informations importantes en contexte dynamique ; et de contrôle du rythme de l’interaction.Ce mémoire expose en outre les leçons apprises au niveau de l’interaction simultanée de plusieurs utilisateurs, des aspects de territorialité, des comportements collaboratifs et enfin en proposant des recommandations de Game Design pour tables interactives. / This thesis presents our work in computer science in human-computer interaction (HCI). The subject concerns the use of a new kind of computer called the interactive tabletop display. It is a table whose top is both a screen and a multi-touch detection device. Interactive tabletops open up new uses of computer applications by allowing several co-located users to work or play together on the same system. Tabletop’s users naturally want to interact simultaneously on the shared surface. This simultaneity is difficult to observe in a collaborative and not artificial environment. Existing studies have not sufficiently analyzed the problems nor sought how the system can help manage concurrency.Our approach was to exploring simultaneous interactions by studying original situations where the system puts pressure on users. We explain how we used a video game as an exploration and experimentation tool. This thesis traces the design and development of RealTimeChess, a game for 2-4 players, a real-time version of Chess adapted to tabletops. We report the results of experiments on groups of 2 to 4 participants in situations of cooperation and competition, which helped to highlight problems and physical discomfort of access to remote objects, awareness in dynamic context, and control the pace of interaction.This thesis also presents lessons learned on simultaneous interactions of multiple users, territoriality aspects, collaborative behavior, and finally gives tabletop Game Design guidelines.

Le point de départ de cette thèse a pour origine les difficultés constatées dans la communauté EIAH pour concevoir des applications éducatives exploitant des informations géographiques. A terme, il s'agit de proposer une nouvelle plateforme susceptible de rendre possible et opérationnel la conception d'applications Web géographiques portées par des utilisateurs non-informaticiens de façon autonome. La proposition scientifique est basée sur un processus de conception piloté par les contenus et par les interactions. Il est opérationnalisé dans une plateforme nommée WINDMash offrant aux concepteurs un environnement visuel de spécification et d'évaluation des interactions. Nous proposons un modèle unifié sous-jacent de description des applications Web géographiques comportant trois facettes qui permettent de représenter les contenus géographiques manipulés, de les afficher sur une interface graphique et de décrire le comportement de l’application (scénario d’interaction) à l'aide d'un langage visuel dont le formalisme graphique est inspiré du diagramme de séquence UML. En utilisant des techniques d'Ingénierie Dirigée par les Modèles, la plateforme WINDMash permet de générer automatiquement le code de l'application finale sur la base des instances de trois facettes du modèle unifié. La plateforme WINDMash utilise pour cela l’API WIND (Web INteraction Design) que nous avons programmée. Les concepteurs peuvent ainsi prototyper rapidement des applications Web géographiques correspondant à leurs besoins. / The starting point of this thesis is to deal with the difficulties encountered in the TEL community for designing educational applications exploiting geographic information. Ultimately, it is to provide a new framework allowing for the operational design of geographic Web applications for experts in the domain (and particularly for teachers). The scientific proposal is based on a design process driven by contents and interaction. It is operationalized on a framework called WINDMash offering designers a visual environment for simply specifying and immediately evaluating interactions. The unified model for describing geographic Web applications has three parts: one for representing geographic contents, one for displaying them on a graphical user interface (GUI) and one for describing the behaviour of the application using a visual language whose graphical formalism is based on the UML diagram sequence. Using Model-Driven Engineering (MDE) techniques, the WINDMash framework can automatically generate the code of the final application based on the instances of three parts of the unified model. The WINDMash framework used for this the WIND API (Web INteraction Design) that we programmed. Designers can thus rapidly prototype geographic Web applications corresponding to their needs.