Les êtres vivants sont caractérisés par leur rapport avec l'environnement dans lequel ils évoluent. Ils sont dotés de capacités de perception, d'action et de décision. L'animation comportementale s'inspire de cette architecture pour peupler des environnements virtuels avec des entités autonomes à l'image des organismes vivants. Dans ce domaine, il est un être vivant qui retient particulièrement l'attention : l'être humain. Dans cette thèse, nous proposons une architecture pour la description du comportement des humanoïdes virtuels. Dans un premier temps, nous étudions la relation entre l'humanoïde et son environnement dans le cadre de la navigation. Nous proposons un système de subdivision spatiale permettant d'extraire des propriétés topologiques à partir d'un environnement géométrique. Ces informations sont ensuite utilisées pour créer un algorithme de planification de chemin hiérarchique. Nous proposons, dans la continuité, un algorithme de navigation s'inspirant d'études sur le comportement piétonnier et permettant de simuler, en temps réel, des foules composées de plusieurs centaines de piétons. Dans un second temps, nous étudions les composantes réactives et cognitives du comportement. Nous proposons un modèle réactif dont la propriété est de synchroniser et d'adapter automatiquement le déroulement simultané de plusieurs comportements. Le modèle cognitif peut alors exploiter cette propriété pour choisir des actions permettant à l'humanoïde de réaliser un but. Ce modèle se base sur un langage orienté objet permettant de décrire le monde sous la forme des interactions qu'il offre aux humanoïdes. Différentes applications ont validé les travaux réalisés dans cette thèse : simulation de foule, fiction interactive et cinématographie virtuelle.

La réalité virtuelle est un domaine en plein essor actuellement. Un des sujets de recherche dans ce domaine concerne l'immersion et la sensation de présence en environnement virtuel. Pour augmenter l'immersion, les chercheurs se sont intéressés aux retours sensoriels comme le retour sonore, haptique ou tactile. Très peu de recherches ont été réalisées sur les retours olfactifs. Ce travail traite de l'intégration du retour olfactif en environnement virtuel. Dans un premier temps, différentes expériences ont été réalisées afin de mettre en place une méthodologie permettant de caractériser les types de diffuseurs. Les résultats ont montré que la subjectivité des sujets entraîne l'obligation de calibrer un diffuseur avant de l'utiliser dans une application. Ce document présente une taxinomie du choix de diffuseurs en fonction de différents paramètres comme les techniques d'interaction définies par D.A. Bowman et al. ou les interfaces de visualisation. Ce travail a permis également une première évaluation du retour olfactif sur deux points : la sensation de présence du sujet et la mémorisation d'objets ou d'événements.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la spécification de comportements d'agents autonomes situés dans un univers virtuel. L'objectif est la proposition d'un modèle comportemental qui exploite le concept d'intention comme lien sémantique entre les différentes étapes du cycle de d´eveloppement logiciel. A cette fin, la notion d'intention, et plus largement d'intentionnalité, est étudiée sous trois éclairages différents afin de considérer l'opportunité de son emploi dans l'exercice d'une telle spécification. Les aspects philosophiques (à travers la phénoménologie et la philosophie analytique), les aspects psychologiques et neurophysiologiques de cette notion sont ainsi abordés. Il ressort de cette analyse : · le rôle fondamental de l'intention dans le déclenchement, le contrôle en cours d'effectuation et l'arrêt de l'action ; · le rôle de l'intentionnalité dans le dialogue entre les différents intervenants impliqués dans le processus de spécification, l'agent étant alors l'objet de leur discours. Cette étude introduit une critique des approches de spécification comportementale existantes, particulièrement des architectures BDI (Belief Desire Intention). Il apparaît que celles qui exploitent la notion d'intention l'utilisent comme guide de la planification ou comme concept de modélisation. Il s'agit presque systèmatiquement d'approches symboliques. L'ensemble de ces réflexions pose les bases du modèle proposé : c'est un modèle réactif qui exploite la notion d'intention pour effectuer une sélection d'action. L'agent emploie des règles comportementales décrites dans un langage déclaratif afin de générer des intentions à satisfaire en fonction de sa situation. L'exploitation de connaissances des effets présumés de ses actions sur lui-même lui permet de mener un raisonnement qualitatif pour sélectionner l'action la plus adaptée. La notion d'intention permet donc d'établir un lien entre un ensemble de règles comportementales symboliques et un corpus de méthodes impératives (les schèmes sensori-moteurs de l'agent) via l'explicitation du "sens de l'action". D'autre part, l'instauration de ce lien sémantique au sein du modèle favorise la communication entre les différents intervenants impliqués dans la spécification du comportement. La proposition intentionnelle offre les concepts nécessaires à la fédération des points de vue de ces différents spécialistes. La traduction du comportement sous forme de règles comportementales se fait alors selon une sémantique proche de l'ontologie du domaine abordé par la simulation, le concept d'intention étant commun aux différentes phases de conception, depuis l'analyse jusqu'à l'implémentation. Après avoir détaillé le modèle issu de cette proposition, les prérequis techniques à son exécution et l'application réalisée, la thèse conclut sur les bénéfices de cet apport sémantique au sein d'un modèle réactif pour la spécification dans son ensemble (depuis l'analyse du problème jusqu'à l'interprétation des résultats) et dessine les perspectives en matière de conception d'architectures hybrides. Les voies ainsi ouvertes sont essentiellement : · l'apprentissage par l'agent de l'effet présumé de ses actions ; · l'échange de savoir-faire entre agents ; · la génération automatique d'explication, avec une application possible dans les environnements virtuels de formation ; · l'élaboration d'une démarche de conception basée sur le modèle comportemental proposé.

Pour pallier un manque d'outils spécialisés que les enseignants puissent s'approprier et utiliser en classe, l'objectif de cette étude, à l'intersection entre informatique et éducation, vise la réalisation d'un logiciel permettant de créer des supports de cours numériques. Basé sur la technologie MPEG-4 (compression, composition multimédia, interactivité) l'outil est cohérent avec une architecture de mutualisation de contenus. Trois axes de recherche en découlent. Le premier décrit la réalisation d'un prototype d'outil dont l'IHM basée sur celle des « assistants d'installation » apporte une simplicité d'utilisation pour les enseignants « novices », et qui dispose de modules destinés à enrichir les différents médias par des fonctionnalités. Le deuxième axe présente le « module vidéo » qui permet de créer des zones sensibles et des marques temporelles. Le dernier axe décrit un espace 3D de représentation des contenus multimédias dont les niveaux de structuration définis sont conservés.

Dans cette thèse, nous présentons différentes approches pour le calcul, en temps-réel, de la déformation de modèles anatomiques volumiques. Une des applications principales de ce type de modèles concerne la simulation de chirurgie laparoscopique. Cette technique chirurgicale récente, et en permanente évolution, nécessite une formation accrue. Dans ce cadre, l'utilisation d'un simulateur présente de multiples avantages : polyvalence, fréquences d'entraînement élevées, outils d'évaluation, simulation de cas pathologiques rares, etc. La première partie de cette thèse concerne la modélisation du comportement déformable des tissus mous, en prenant en compte les aspects biomécaniques ainsi que les contraintes de temps de calcul. Le premier modèle que nous proposons est basé sur une modélisation par éléments finis d'un solide élastique linéaire. Le calcul, en temps-réel, de la déformation repose sur des combinaisons linéaires de déformation élémentaires obtenues lors d'une étape de pré-calcul. Afin de prendre en compte, dans la déformation, d'éventuelles modifications topologiques du maillage - pouvant représenter, par exemple, l'incision de tissus mous - nous avons proposé un second modèle, appelé "masses/tenseurs". Enfin, nous proposons une formulation originale, appelée "modèle hybride", permettant de combiner, dans une même représentation, les deux modèles déformables précédents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes liés à l'utilisation de systèmes à retour d'effort pour les interactions avec un modèle déformable. Nous proposons ainsi une architecture matérielle intégrant les différents modules assurant le calcul des déformations, des forces, le contrôle des systèmes à retour d'effort, la détection de collision, l'affichage graphique, etc. Un premier prototype du simulateur, réalisé sur la base de cette architecture et incluant deux systèmes à retour d'effort, a permis de valider l'ensemble des algorithmes. Finalement, nous proposons en annexe une étude relative à une nouvelle technique de reconstruction faciale. En utilisant différents outils d'analyse et de traitement d'images médicales, nous avons réalisé une série d'expériences visant à retrouver une approximation du visage d'une personne à partir de la seule donnée de son crâne et d'un ensemble réduit de paramètres.

Dans ce mémoire est présentée une synthèse d'une dizaine d'années de travaux de recherche. Tous ces travaux ont un point en commun : l'assistance et deux problématiques : l'interaction et la collaboration pour utiliser ou simuler des systèmes complexes. Ces systèmes complexes peuvent être soit artificiels (cas de la robotique/télérobotique et de télétravail collaboratif) ou bien issus du vivant (cas de la simulation en biologie moléculaire). Ma recherche a consisté à étudier à la fois deux domaines de recherche qui sont la Réalité Mixte (RM) et le Travail Collaboratif (TC). Dans le domaine de la RM, les recherches sont focalisées sur l'assistance à l'interaction 3D dans des environnements qui peuvent être réels-augmentés ou virtuels, utilisant ou simulant des systèmes complexes. Ces derniers peuvent être artificiels (cas de l'interaction-homme-robot distant en réalité augmentée) ou issus du vivant (cas de l'interaction-homme-molécule en réalité virtuelle). Dans le domaine du TC, les recherches sont centrées sur l'assistance à la collaboration des utilisateurs. Ces derniers peuvent être soit en situation de télétravail avec des systèmes complexes artificiels (cas de la téléopération de robots en réalité mixte) ou encore en situation de travail dans un environnement virtuel commun (complètement simulé par ordinateur). Dans le contexte de l'assistance à l'interaction 3D, une réflexion particulière est menée sur la façon dont on peut aider l'Homme à interagir (naviguer, sélectionner, manipuler et contrôler l'application) d'une manière efficace et crédible avec son environnement. Cette réflexion nous a conduits à proposer des modèles et des techniques logicielles pour l'assistance à l'interaction 3D en réalité mixte. Dans le contexte de l'assistance à la collaboration, une attention particulière est accordée à la manière dont on peut structurer, organiser, gérer et assister une activité de collaboration. Cela nous a permis de proposer des formalismes et des modèles permettant d'assister une activité de collaboration (communication, coordination et production). Ces recherches menées conjointement dans chacun des deux domaines ont favorisé l'émergence des fondements de l'interaction collaborative en réalité mixte. En effet, l'étude des collecticiels (logiciels de collaboration sous l'angle du travail collaboratif) fournit les concepts de base que doit respecter un système de collaboration. Alors que l'étude des interactions en réalité mixte propose quant à elle des métaphores/techniques d'interaction 3D et des interfaces sensorimotrices (auditive, visuelle et haptique) dans le but d'améliorer le sentiment d'immersion des utilisateurs. Ce couplage de concepts interdisciplinaires (interaction en RM & collaboration du point de vue du TC) est très intéressant du fait de leurs interdépendances. En effet, pour collaborer, on a besoin d'interagir et pour interagir ensemble on a besoin de collaborer. Notre démarche de recherche propose donc de tirer partie de la manière la plus efficace possible des avancées scientifiques et technologiques issues des deux domaines de recherche afin de proposer des modèles permettant la conception de nouveaux systèmes d'assistance à l'interaction collaborative en réalité mixte.

Depuis plusieurs années, la simulation de mouvements d'humains virtuels est devenue un enjeu important pour de nombreux domaines. Comprendre le fonctionnement du mouvement humain et le simuler intéresse des disciplines variées, telles que l'animation par ordinateur, la robotique, la biomécanique, etc. Dans le cas de l'animation d'humains virtuels, le but est d'utiliser ces connaissances pour créer des humanoïdes aussi réalistes que possible. De nombreux travaux ont été déjà été réalisés, permettant désormais de gérer de nombreuses tâches avec des mouvements fidèles à ce qu'un humain aurait réalisé. L'une des contraintes importante du réalisme du mouvement humain est le respect des lois de la dynamique. Tout humain est soumis à ces lois inviolables, faisant partie des lois de la physique. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude et la modélisation simplifiée de la dynamique du mouvement humain afin d'atteindre des performances compatibles avec des applications interactives. Le travail proposé se décompose donc en trois parties : analyser le comportement de l'être humain face à certaines contraintes dynamiques, évaluer la capacité d'un utilisateur à percevoir les subtilités gestuelles induites par ces contraintes et proposer une nouvelle méthode d'animation d'humains virtuels tirant le meilleur profit de ces connaissances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes donc tout d'abord penchés sur l'étude de la mesure d'équilibre dynamique du mouvement humain. Différents critères de mesure de l'équilibre et du déséquilibre du mouvement humain existent depuis des années en biomécanique et robotique. Dans le but d'évaluer l'efficacité de ces critères, nous avons réalisé une étude portant sur différent types de mouvements pour catégoriser le domaine d'utilisation optimal de chaque critère. Cependant, si la dynamique joue un rôle crucial dans le réalisme du mouvement, peu de travaux traitent de la perception des propriétés dynamiques. Dans le but de définir un seuil de perception, nous avons étudié la capacité des utilisateurs à détecter la masse d'un objet porté par un humain réel (vidéo) ou virtuel (animation). Il sort de l'étude réalisée qu'une faible différence de charge portée par un humain n'est pas perçue. Cependant, nous ne notons pas différence de précision si la séquence provient d'une vidéo ou d'une animation en images de synthèse. Ainsi, malgré le fait que des informations soient perdues lors du processus de capture de mouvements et de synthèse, les éléments liés à la dynamique du mouvement sont préservées et perçus par l'utilisateur. Au vu de l'imprécision avec laquelle un utilisateur perçoit les adaptations gestuelles dues à des contraintes dynamiques, nous avons proposé un modèle simplifié d'adaptation du mouvement en réponse à de nouvelles contraintes dynamiques. Lorsqu'un humain virtuel est soumis à des perturbations non présentes dans le mouvement d'origine, la méthode traite séparément l'adaptation posturale et temporelle du mouvement, entraînant une légère imprécision au profit d'une amélioration considérable du temps de calcul. Le mouvement obtenu est davantage adapté aux contraintes dynamiques que ne l'était celui d'origine, à moindre coût de calcul.

Depuis quelques années, la plupart des constructeurs automobiles innovent en faisant appel aux techniques de la réalité virtuelle (RV). Cette approche possède un fort potentiel en termes de gain de temps et de réduction des coûts. Elle permet également d'évaluer de nouvelles approches liées au processus de conception lui-même. Cependant, un certain nombre de verrous technologiques et méthodologiques subsistent. Ils concernent en particulier (i) la simplification et la physicalisation des maquettes numériques issues des logiciels de CAO, (ii) le développement de configurations visuo-haptiques adaptées aux différentes tâches impliquées par le prototypage virtuel, et (iii) l'identification des retours sensoriels les plus pertinents, permettant à l'opérateur d'effectuer ces tâches efficacement. Un ensemble de problématiques soulevées par le service R&D de Valeo Lighting Systems (Angers) nous a conduit à traiter les trois aspects évoqués ci-dessus. Les tâches étudiées sont l'accessibilité, l'extraction et la manipulation de lampes sur prototype virtuel à l'échelle 1:1. Dans le manuscrit, nous commençons par aborder les limites du prototypage réel et les apports liés au prototypage virtuel. Ces apports sont examinés en particulier pour les phases de création et de validation des prototypes. Puis, nous présentons un état de l'art exhaustif des dispositifs d'affichage et des interfaces à retour d'effort, que nous avons classées en fonction de leur architecture mécanique et de leur support de référence. Ensuite, nous traitons la simplification et l'intégration de maquettes virtuelles ainsi que l'intégration du modèle biomécanique de l'opérateur humain. Différentes simulations permettant de valider la méthodologie d'intégration proposée sont décrites. Celles-ci sont basées sur l'utilisation de notre plate-forme de réalité virtuelle. Enfin, nous décrivons une série cohérente et progressive d'expérimentations permettant d'évaluer la pertinence et l'influence de différentes modalités sensorielles (visuelle, sonore, vibro-tactile, et kinesthésique) sur la performance humaine. L'objectif est d'identifier les avantages et inconvénients de ces retours d'information dans différentes configurations matérielles. Les résultats sont analysés via différents indicateurs de performance (temps de réalisation des tâches, précision de placement). Des données subjectives sont également recueillies via l'observation des sujets pendant l'exécution des tâches et à partir de questionnaires.

Ce travail porte sur la simulation de champs sonores de haute qualité pour des applications graphiques interactives. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à trois problèmes : le calcul interactif des effets de l'occultation des ondes sonores par des obstacles, l'intégration du son dans un système d'animation et de réalité virtuelle et la simulation adaptative des réflections du son dans des environnements réverbérants. Nous présentons une méthode originale permettant d'approcher les effets des obstacles sur la propagation des ondes sonores. Cette méthode qualitative est fondée sur le calcul de l'obstruction des premiers ellipsoïdes de Fresnel. Pour cela nous utilisons le rendu câblé des cartes graphiques spécialisées pour effectuer un calcul interactif entre une source et un récepteur ponctuels dans des environnements généraux. Une extension plus quantitative, basée sur la théorie de Fresnel-Kirchhoff est également décrite. Nous décrivons également un système interactif de simulation acoustique. Il permet le rendu synchronisé du son et de l'image dans le cadre d'applications d'animation de synthèse et de réalité virtuelle. Nous y avons intégré notre approche de traitement des occultations sonores. Nous présentons comment d'autres effets, comme les réflections spéculaires du son ou l'effet Doppler sont également pris en compte. Enfin, nous introduisons une technique originale de simulation adaptative fondée sur un formalisme proche de la radiosité hiérarchique utilisée en synthèse d'images. Elle permet de prendre en compte efficacement des réflections globales spéculaires et diffuses dans le cadre d'échanges énergétiques dépendants du temps. La solution obtenue est indépendante du point d'écoute et ouvre la porte à des applications de parcours interactifs de l'environnement virtuel. En outre, la complexité du processus peut être contrôlée, permettant des applications plus quantitatives, comme la prévision des qualités acoustiques de lieux d'écoute. Ces trois contributions peuvent permettre de réaliser un système de simulation complet d'une scène sonore virtuelle pouvant être utilisé dans une variété d'applications. Celles-ci ne se limitent toutefois pas à l'acoustique, mais peuvent être étendues à la simulation de propagation d'ondes radioélectriques pour la téléphonie mobile ou les réseaux sans fils.

Les applications de Réalité Virtuelle requièrent une puissance de calcul importante qui peut être apportée par les grappes de PC, des ensembles d'ordinateurs connectés par des réseaux performants. Afin d'exploiter la puissance de ces architectures, une approche consiste à décomposer les applications en plusieurs composants qui sont ensuite déployés sur les différentes machines. Les performances de telles applications dépendent alors du matériel ainsi que des synchronisations entre les différents composants. Evaluer les performances d'une application de RV suivant un déploiement donné consiste à observer si son exécution permet l'interactivité. Cependant, cette phase de test rend la recherche d'un déploiement répondant à ce critère longue et fastidieuse et monopolise l'architecture. Nous proposons donc de définir un modèle permettant l'évaluation des performances à partir de la modélisation de l'architecture, de l'application et de son déploiement. Nous proposons ensuite d'utiliser la programmation par contraintes pour résoudre les contraintes extraites de notre modèle et permettre ainsi d'automatiser la génération de déploiements capables de fournir le niveau d'interactivité souhaité. Cette approche permet ainsi de répondre aux nombreuses questions que peut se poser un développeur : Existe t'il un ou plusieurs déploiements de mon application permettant l'interactivité sur mon architecture ? Si oui, quels sont ils ? L'ajout de machines supplémentaires permet il un gain de performances ?