Dans les mondes virtuels, une des tâches les plus complexes est l'intégration de personnages virtuels réalistes et le visage est souvent considéré comme l'élément le plus important car il concentre les canaux de communications humains les plus essentiels. La création de personnages virtuels convaincants passe ainsi par une meilleure compréhension et une meilleure reproduction de l'expressivité faciale naturelle. Dans ces travaux, nous nous concentrons sur les expressions faciales émotionnelles, qui selon nous représente le plus intéressant aspect de la communication non-verbale. Nous proposons une approche qui apprend les caractéristiques des expressions faciales directement sur des visages humains, et utilise cette connaissance pour générer des animations faciales réalistes pour des visages virtuels. Nos contributions sont les suivantes: - Une méthode capable d'extraire de données brutes un espace simple et pertinent pour la représentation des expressions faciales émotionnelles. Cet espace de représentation peut ensuite être utilisé pour la manipulation intuitive des expressions sur les visages de n'importe quel personnage virtuel. - Un système d'animation, basé sur une collection de modèles de mouvement, qui pilote l'aspect dynamique de l'expressivité faciale. Les modèles de mouvement apprennent la signature dynamique des expressions naturelles à partir de données, et reproduisent cette signature lors de la synthèse de nouvelles animations. Le système global d'animation issu des ces travaux est capable de générer des animations faciales réalistes et adaptatives pour des applications temps-réel telles que les jeux vidéos ou les agents conversationnels. En plus de ses performances, le système peut être associé aux notions plus abstraites d'émotions humaines. Ceci rend le processus d'animation faciale plus intuitif, en particulier pour les utilisateurs non-experts et les applications d''affective computing' qui travaillent généralement à un niveau sémantique.

Pour assister efficacement les personnes en perte d'autonomie dans le contexte des habitats intelligents, il est essentiel d'identifier les difficultés auxquelles ces personnes sont confrontées dans leur quotidien. L'objectif de ce travail est d'observer les processus exécutifs durant les activités de la vie quotidienne, ainsi que leur dysfonctionnement lors du vieillissement cognitif (normal ou lié à la maladie d'Alzheimer), puis d'élaborer un modèle théorique et informatique capable de simuler les comportements observés. Une phase d'observation et de qualification des processus de contrôle exécutif (capacités de régulation de l'action, de correction et d'adaptation lors de situations imprévues) a d'abord été réalisée, donnant lieu à la spécification d'un modèle théorique fondé sur le modèle de contrôle attentionnel de l'action de Norman et Shallice. Le modèle théorique a ensuite été implémenté informatiquement et permet de simuler une activité quotidienne spécifique.

Une carte topologique 3D est un modèle servant à représenter la partition en régions d'une image 3D pour le traitement d'images. Dans ce travail, nous développons des outils permettant de modifier la partition représentée par une carte topologique, puis nous utilisons ces outils afin de proposer des algorithmes de segmentation intégrant des critères topologiques. Dans une première partie, nous proposons trois opérations. La fusion de régions est définie avec une approche locale adaptée à une utilisation interactive et une approche globale pour une utilisation automatisée comme lors d'une segmentation. La division de régions est proposée avec une méthode d'éclatement en voxels et la division à l'aide d'un guide. Enfin, la déformation de la partition est basée sur la définition de points ML-Simples : des voxels pouvant changer de région sans modifier la topologie de la partition. À l'aide de ces opérations, nous mettons en œuvre dans une seconde partie des algorithmes de segmentation d'images utilisant les cartes topologiques. Notre première approche adapte au modèle des cartes topologiques un algorithme existant qui utilise un critère basé sur la notion de contraste. Nous proposons ensuite des méthodes de calcul d'invariants topologiques sur les régions : les nombres de Betti. Grâce à eux, nous développons un critère topologique de segmentation permettant de contrôler le nombre de tunnels et de cavités des régions. Enfin, nous illustrons les possibilités de tous nos outils en mettant en place une chaîne de traitement pour la segmentation de tumeurs cérébrales dans des images médicales.

La capacité à concevoir dans l'abstraction fait appel à la faculté qu'a notre cerveau <br />de combler ce qui n'est pas visible par l'image la plus proche. Cela crée alors une <br />illusion visuelle et l'imagination apporte ensuite à l'esprit des images mentales. Mes <br />recherches consistent à présenter un concept artistique à base d'interférences et <br />d'illusions pour créer des personnages tridimensionnels. Aussi cette thèse est-elle <br />composée de deux parties. La première partie, théorique, est une étude globale sur <br />les propriétés de la lumière, l'optique et la méthode de création des interférences. <br />Dans la deuxième partie j'aborde la pratique en expliquant tout le processus mis en <br />œuvre pour concevoir des personnages tridimensionnels grâce aux illusions <br />visuelles issues des franges d'interférence volontairement perturbées.

Previous studies investigating how humans build reliable spatial knowledge representations allowing them to find their way from one point to another in complex environments have been focused on comparing the relative importance of the two-dimensional visual geometry of routes and intersections, multi-dimensional data from direct exposure with the real world, or verbal symbols and/or instructions. This thesis sheds further light on the multi-dimensional and multi-sensorial aspects by investigating how the cognitive processing of spatial information derived from different sources of sensory and higher order input influences the performance of human observers who have to find their way from memory through complex and non-familiar real-world environments. Three experiments in large-scale urban environments of the real world, and in computer generated representations of these latter (Google Street View), were run to investigate the influence of prior exposure to 2D visual or tactile maps of an itinerary, compared with a single direct experience or verbal instructions, on navigation performances in sighted and/or visually deficient individuals, and in individuals temporarily deprived of vision. Performances were analyzed in terms of time from departure to destination, number of stops, number of wrong turns, and success rates. Potential strategies employed by individuals during navigation and mental mapping abilities were screened on the basis of questionnaires and drawing tests. Subjective levels of psychological stress (experiment 2) were measured to bring to the fore possible differences between men and women in this respect. The results of these experiments show that 2D visual maps, briefly explored prior to navigation, generate better navigation performances compared with poorly scaled virtual representations of a complex real-world environment (experiment 1), the best performances being produced by a single prior exposure to the real-world itinerary. However, brief familiarization with a reliably scaled virtual representation of a non-familiar real-world environment (Google Street View) not only generates optimal navigation in computer generated testing (virtual reality), but also produces better navigation performances when tested in the real-world environment and compared with prior exposure to 2D visual maps (experiment 2). Congenitally blind observers (experiment 3) who have to find their way from memory through a complex non-familiar urban environment perform swiftly and with considerable accuracy after exposure to a 2D tactile map of their itinerary. They are also able to draw a visual image of their itinerary on the basis of the 2D tactile map exposure. Other visually deficient or sighted but blindfolded individuals seem to have greater difficulty in finding their way again than congenitally blind people, regardless of the type of prior exposure to their test itinerary. The findings of this work here are discussed in the light of current hypotheses regarding the presumed intrinsic nature of human spatial representations, replaced herein within a context of working memory models. It is suggested that multi-dimensional temporary storage systems, capable of processing a multitude of sensory input in parallel and with a much larger general capacity than previously considered in terms of working memory limits, need to be taken into account for future research.

Les tâches dans les environnements virtuels immersifs sont associées à des techniques et à des dispositifs d'interaction 3D (e.g. la sélection d'objets 3D à l'aide de la main virtuelle via un flystick). Alors que les environnements et les tâches deviennent de plus en plus complexes, les techniques ne peuvent plus être les mêmes pour chaque application, voire pour les différentes situations au sein d'une application. Une solution est d'adapter l'interaction en fonction des besoins de la situation pour améliorer l'utilisabilité. Ces adaptations peuvent être effectuées manuellement par le concepteur ou l'utilisateur, ou automatiquement par le système créant ainsi une interaction adaptative. La formalisation d'une telle assistance automatique nécessite la gestion d'informations pertinentes au vu de la situation. L'ensemble de ces informations fait émerger le contexte de l'interaction. L'assistance adaptative obtenue en raisonnant à partir de ces informations est ainsi consciente du contexte. De nombreuses possibilités existent pour l'obtenir. Notre objectif est une gestion du contexte qui préserve ses degrés élevés d'expressivité et d'évolutivité tout en étant facile à intégrer. Nous proposons une modélisation de ce problème par des graphes conceptuels basés sur une ontologie et gérés par un moteur externe en logique du premier ordre. Le moteur est générique et utilise une base de connaissance contenant des faits et des règles, qui peuvent être changés dynamiquement. Nous avons intégré une notion de confiance, afin d'établir l'adéquation d'une situation à la base de connaissances. La confiance des réactions est comparée à leur impact afin de ne garder que les pertinentes tout en évitant de saturer l'utilisateur. Les applications utilisent des outils qui peuvent être contrôlés par le moteur. Des capteurs permettent d'extraire des informations sémantiques pour le contexte. Des effecteurs permettent d'agir sur l'application et d'obtenir des adaptations. Un jeu d'outils et une base de connaissance pour l'interaction 3D ont été créés. De nombreuses étapes sont introduites dans la base de connaissance pour de bonnes combinaisons et une réflexion indépendante d'outils spécifiques. Nos premières applications illustrent la compréhension de la situation, dont les intérêts et difficultés de l'utilisateur, et le déclenchement d'assistances adaptées. Une étude hors ligne montre ensuite l'accès et l'évolution des étapes du moteur selon la situation. Le raisonnement sémantique générique obtenu est alors expressif, compréhensif, extensif et modifiable dynamiquement. Pour l'interaction 3D, il permet une assistance universelle automatique, ponctuelle ou manuelle à l'utilisateur et des analyses hors-lignes d'activités ou de conceptions pour le concepteur.

Cette thèse s'intéresse à la distribution de primitives graphiques dans les domaines du rendu expressif et des systèmes d'impressions. Une distribution est le placement d'objets dans un espace, dans notre cas un espace à deux dimensions. Cette distribution suit une fonction d'importance décrivant la densité de primitives souhaitée en chacun des points de l'espace. La qualité de la distribution se mesure par l'observation de la position des objets placés, notamment au moyen d'analyses spectrales. Dans le domaine du rendu expressif, nous nous intéressons à la distribution de points dans le cadre du rendu animé à base de marques. Le rendu à base de marques permet d'obtenir des images mimant des médias traditionnels tels que la peinture. L'animation est obtenue en déplaçant les marques d'une image à l'autre. Pour obtenir un rendu visuellement satisfaisant, les marques doivent suivre un mouvement en entrée et remplir l'image suivant une fonction d'importance pour correctement représenter le style visé. De plus, les changements brutaux sont à éviter. Nous appelons cohérence temporelle le compromis entre ces trois contraintes. Nous développons une approche complète pour le rendu animé à base de marques proposant plusieurs méthodes de distribution de marques ainsi qu'un mécanisme de contrôle du style. Dans le cadre des systèmes d'impressions, nous proposons une méthode de distribution de points d'encre avec de bonnes qualités d'un point de vue perceptif, supprimant les répétitions présentes dans les travaux précédents. Cette méthode est suffisamment peu coûteuse en temps de calcul pour être utilisée par les imprimantes actuelles.

En informatique graphique, l'anatomie constitue un excellent domaine applicatif. Les besoins formulés actuellement, tant en enseignement qu'en recherche, sont à l'origine de deux mouvements convergents. Le premier consiste à impliquer d'avantage l'utilisateur dans le processus de modélisation en mettant à sa disposition des outils informatiques interactifs et intuitifs. Le second consiste à formaliser les connaissances anatomiques afin d'élaborer des processus automatiques qui dépassent la simple représentation des formes pour aborder un niveau supérieur de type conceptuel. Je présente ici dans le cadre de mon HDR de Médecine un résumé de mes travaux sur l'utilisation de l'informatique en Anatomie. Trois thèmes sont abordés : (1) la reconstruction 3D à partir de coupes sériées à l'aide de surfaces implicites à squelettes, (2) l'élaboration d'une interface de type sketching (croquis) destinée à l'enseignement de l'anatomie, (3) la construction d'une base de connaissances anatomiques formelle accessible aux systèmes informatiques et dédiée la simulation patient spécifique.

Les visualisations, dans le sens général de représentations externes et physiques de données, sont plus anciennes que l'invention de l'écriture. De manière générale, les représentations externes encouragent la cognition et la pensée visuelle, et nous avons développé des savoir-faire pour les créer et les exploiter. La révolution informatique a augmenté la quantité de données qu'il est possible de collecter et de traiter, et a diversifié les façons de les représenter visuellement. Les systèmes de visualisation assistés par ordinateur, et étudiés dans le domaine de la visualisation d'information, sont aujourd'hui si puissants et complexes que nous avons besoin de techniques d'interaction très sophistiqués. Grâce au développement des possibilités technologiques au-delà des ordinateurs de bureau, un large éventail d'utilisations émerge. Non seulement des surfaces d'affichage de formes et de tailles variées permettent de montrer des visualisations plus riches, mais aussi des dispositifs d'entrée de nouvelle génération peuvent être utilisés qui exploitent les aptitudes humaines à manipuler les objets physiques. Cependant, ces technologies sont peu étudiées dans le contexte de la visualisation d'information. Tout d'abord, un premier problème découle d'une terminologie insuffisante. Dans cette thèse, je définis et étudie entre autres le concept de corporalisation (embodiment) pour la visualisation d'information. Concernant les visualisations, la corporalisation réfère à la congruence entre les éléments visuels d'une visualisation et leurs formes physiques. Ce concept intègre des concepts déjà connus tels que la tangibilité. Par exemple, l'interaction tangible s'attache à la représentation d'objets virtuels par des objets physiques. Mais en réalité, leur forme physique n'est pas nécessairement congruente avec l'objet virtuel. Un second problème découle du peu d'exemples convaincants d'interfaces tangibles appliquées à la visualisation d'information. Dans le domaine de la visualisation d'information, les écrans standard et les dispositifs d'entrée génériques tels que la souris, sont toujours les plus courants et considérés comme les plus efficaces. Cependant, aussi bien la partie affichage que la partie contrôle fournit des possibilités de corporalisation : les dispositifs d'entrée peuvent être spécialisés et adaptés de façon à ce que leur forme physique ressemble à leur fonction; les écrans peuvent être rendus déformables ou, dans l'avenir, être composés d'une matière programmable capable de prendre n'importe quelle forme imaginable. Mais la recherche sur les écrans et matières déformables est pour l'instant principalement dirigée par l'innovation technologique sans tenir compte des applications possibles à la visualisation d'information. Dans cette thèse, j'propose la corporalisation comme principe de conception pour la visualisation d'information. Je démontre l'efficacité et l'utilisabilité des dispositifs d'entrée corporalisés ainsi que des affichages corporalisés, en présentant trois expériences contrôlées. Par la suite, je présente un modèle d'interaction conceptuel et un système de notation visuelle pour décrire, comparer et critiquer différents types de systèmes de visualisation, et j'illustre l'utilisation de ce modèle à partir d'études de cas. Enfin, je présente un outil de conception pour aider à la création de visualisations physiques. Cet outil s'adresse à des utilisateurs novices en visualisation d'information et en fabrication numérique, et peut contribuer à sensibiliser ces utilisateurs à l'intérêt d'explorer des données qui les concernent dans leur vie quotidienne. En résumé, cette thèse contribue à la compréhension de la valeur ajoutée des interfaces physiques pour la visualisation d'information.

Des voitures complètement automatisées pourraient circuler sur les routes dans les décennies à venir. Elles permettraient aux automobilistes d’être conduits dans leur véhicule par un système informatique. Une telle innovation pourrait engendrer une révolution qui affecterait le rôle du conducteur et ses activités pendant le trajet. Actuellement, ces véhicules ne sont pas encore accessibles au grand public, et il demeure difficile de prédire précisément quand cela se produira, et quelles seront leurs caractéristiques techniques finales. Dans ce contexte, un des objectifs de cette thèse a été d’étudier dans quelle mesure la conduite complètement automatisée sera acceptée. Bien que l’automobiliste soit conduit par son véhicule, il pourrait être amené à en reprendre le contrôle manuel dans différentes circonstances. En effet, cette manœuvre pourrait être effectuée en situation d’urgence ou de manière anticipée par le conducteur alors qu’il pourrait être engagé dans une autre activité que la conduite. La réalisation de cette reprise de contrôle manuel pourrait être plus ou moins difficile selon la situation et l’expérience d’interactions avec le système complètement automatisé. Nous avons examiné la manière dont cette manœuvre pourrait être apprise par des conducteurs, en testant l’effet de différentes formes d’entrainement sur la performance et la sécurité (temps de réponse et qualité de la reprise de contrôle). L’acceptabilité et la confiance, les attitudes des conducteurs, les intentions d’utilisation du système de conduite complètement automatisée et l’impact de ces variables sur les comportements dans le véhicule ont été mesurés. / Fully automated cars could possibly be on the road in the decades to come. They will allow drivers to be driven by an informatics system in their own vehicle. Such an innovation could lead to a revolution that would change the driver’s status and its activities during the trips, but also the infrastructure, freight, some professions, etc. Nowadays, these vehicles are not available for sale yet, and it is difficult to forecast accurately when they will be, and also what their features will be. Considering this, one of the aims of the present thesis is to examine to what extend fully automated driving will be accepted. Even though the driver is driven by its vehicle, he could have to resume manual control in different circumstances. Indeed, this maneuver could be performed in an emergency or in an anticipated situation while he could be engaged in a non driving-related activity. Performing a manual control recovery could be more or less difficult according to the situation and the experience with the fully automated system. The way this maneuver could be learned by drivers has been examined, testing the impact of different kinds of training on performance and safety (response time and control recovery quality). Acceptability, trust, drivers’ attitudes, intentions to use the fully automated driving system and the impact of these variables on behaviors inside the vehicle have been assessed.