Le comportement animal est souvent conçu comme résultant d'une association entre un stimulus et une réponse. Selon cette vision, comprendre le cerveau revient à dénouer les liens entre les entrées sensorielles et les sorties motrices. Toutefois, dans des conditions naturelles, l'influence entre l'action motrice et la perception sensorielle est réciproque. Les animaux utilisent constamment les rétroactions sensorielles causées par leurs actions pour ajuster les commandes motrices. Par ailleurs, le comportement n'est pas seulement une réponse à l'environnement sensoriel mais peut être généré par l'activité endogène du cerveau. Afin de comprendre le dialogue sensorimoteur en observant de larges régions cérébrales à une résolution cellulaire, j'ai étudié les comportements induits et spontanés chez la larve du poisson-zèbre. Les atouts de la larve du poisson zèbre sont sa petit taille et sa transparence. On peut utiliser des méthodes d'imagerie fonctionnelle optique, comme la microscopie par nappe laser, afin d'enregistrer l'activité dans une large portion des neurones. Afin d'étudier le comportement de navigation chez la larve dans des conditions compatibles avec l'observation du cerveau, j'ai développé un système de réalité virtuelle visuelle pour la larve du poisson zèbre. L'environnement visuel est mis à jour en fonction des mouvements du poisson. Cette rétroaction peut être choisie comme étant similaire à la rétroaction visuelle que le poisson expérimente en nage libre. En modifiant la rétroaction visuelle naturelle, on peut étudier la manière dont la larve s'adapte aux perturbations. Dans cette optique, j'ai d'abord généré une librairie de mouvements de nage libre. A partir de celle-ci, j'ai extrait la relation entre la trajectoire de la larve et la cinématique de ses mouvements de queue. Cette relation permet de décoder les intentions de déplacements chez une larve dont la tête est restreinte dans un gel et de mettre à jour un environnement visuel selon ses mouvements de queue. Dans un environnement virtuel, la larve parvient à contrôler son orientation et sa vitesse afin de suivre un mouvement d'ensemble ou bien à générer une séquence de mouvements nécessaires à atteindre une cible mobile. Lorsque la rétroaction visuelle n'est pas mise à jour continuellement mais à la fin de chaque mouvement, on observe que les mouvements sont alors plus longs. Cette faible perturbation réduit significativement le succès des déplacements du poisson vers des cibles virtuelles. Le comportement peut aussi résulter de l'activité endogène du cerveau. En absence de stimulus externe, la larve produit des mouvements stéréotypés similaires à ceux produits lorsqu'elle navigue en réponse à un stimulus. Après avoir établit une nouvelle méthode de classification des mouvements de queue, j'ai analysé la séquence des mouvements générés spontanément. Ces séquences sont composées de successions quasi rythmiques qui alternent avec de longues périodes de repos. Les mouvements consécutifs sont davantage similaires lorsqu'ils s’enchaînent rapidement (~10s). Afin d'étudier les mécanismes neuronaux responsables de la décision d'effectuer un mouvement spontané, j'ai couplé l’imagerie par nappe laser à l'analyse des mouvements. Des résultats préliminaires mettent en évidence des groupes de neurones dont l'activité prédit la direction des mouvements des virages. Deux groupes repartis bilatéralement oscillent en opposition de phase et l'état de cet oscillateur avant un mouvement prédit sa direction. Les neurones responsables de la décision du type de mouvement à effectuer spontanément sont différents des neurones qui contrôlent le timing de leur déclenchement. Ensemble, ces résultats éclairent les processus de rétroaction et de dynamique interne qui façonnent le comportement et ouvre la voie à l'étude de processus sensorimoteurs complexes dans des systèmes simples. / Behavior is often conceived as resulting from a stimulus-response association. Under this paradigm, understanding the nervous system is reduced to finding the relation between a sensory input and a motor output. Yet, in naturally behaving animals, motor actions influence sensory perceptions just as much as the other way around. Animals are continuously relying on sensory feedback to adjust motor commands. On the other hand, behavior is not only induced by the sensory environment, but can be generated by the brain's rich internal dynamics. My goal is to understand the sensory-motor dialogue by monitoring large brain regions, yet, with a single-neuron resolution. To tackle this question, I have used zebrafish larva to study visually induced and internally driven motor behaviors. Zebrafish larvae have a small and transparent body. These features enable using large-scale optical methods, such as selective plane illumination microscopy (SPIM), to record brain dynamics. In order to study goal-driven navigation in conditions compatible with imaging, I developed a visual virtual reality system for zebrafish larva. The visual feedback can be chosen to be similar to what the animal experiences in natural conditions. Alternatively, alteration of the visual feedback can be used to study how the brain adapts to perturbations. For this purpose, I first generated a library of free-swimming behaviors from which I learned the relationship between the trajectory of the larva and the shape of its tail. I then use this technique to infer the intended displacements of head-fixed larvae. The visual environment was updated accordingly. In the virtual environment, larvae were capable of maintaining the proper speed and orientation in the presence of whole-field motion and produced fine changes in orientation and position required to capture virtual preys. I demonstrate the sensitivity of larvae to visual feedback by updating the visual world only after the discrete swimming episodes. This feedback perturbation induced a decay in the performance of prey capture behavior, suggesting that larva rely on real-time visual feedback during swimming. Behavior can also be induced by the internal dynamics of the brain. In the absence of salient sensory cues, zebrafish larva spontaneously produces stereotypical tail movements, similar to those produced during goal-driven navigation. After having developed a new method to classify tail movements, I analyzed the sequence of spontaneously generated tail movements. The latter switched between period of quasi-rhythmic activity and long episodes of rest. Moreover, consecutive movements were more similar when executed at short time intervals (~10s). In order to study the mechanisms responsible for the spontaneous decisions to move, I coupled SPIM to tail movement analysis. Using dimensionality reduction, I identified clusters of neurons predicting the direction of spontaneous turn movements but not their timings. This Preliminary result suggests that distinct pathways could be responsible for the timing (when) and the selection (what) of spontaneous actions. Together, the results shed light on the role of feedback and internal dynamics in shaping behaviors and open the avenue for investigating complex sensorimotor process in simple systems.

L’intérêt de la simulation pour apprendre les gestes de base est démontré en chirurgie gynécologique. Objectifs : Évaluer la validité d’un programme reproduisant une hystérectomie cœlioscopique (HC) sur un simulateur de réalité virtuelle (RV), et développer un parcours d’entraînement basé sur des preuves. Développer une échelle d’évaluation spécifique des compétences techniques pour l’HC (H-OSATS).Méthodes : Étude 1. 40 participants ont été évalués. La preuve de validité retenue était la capacité à différencier 3 niveaux d’expérience. Les performances étaient évaluées par les paramètres quantitatifs et par une échelle OSATS de qualité opératoire. Étude 2. H-OSATS a été développée par une analyse séquentielle, puis une méthode Delphi auprès d’experts. La validité d’H-OSATS a été testée sur un simulateur de RV.Résultats : Étude 1. Il y avait une différence entre les groupes expérimentés, intermédiaires et inexpérimentés pour le temps (1369, 2385 et 3370s; p<0.001), le nombre de mouvements (2033, 3195 et 4056; p= 0.001), et le nombre de plaies vésicales. Les scores OSATS étaient différents entre les groupes (25.5, 19.5 et 14 ; p<0.001). Étude 2. L’analyse séquentielle identifia 76 étapes. 14 experts ont répondu au Delphi, et un consensus fut obtenu pour l’intégration de 64 étapes. Il y avait une différence entre les 3 groupes pour le score H-OSATS (178.25, 155.9 et 133; p=0.002). Conclusion : Le programme de RV pour l’HC a montré des preuves de validité et permis la construction d’un curriculum d’entraînement. L’échelle H-OSATS est valide pour évaluer les performances sur le simulateur de RV. Elle permettra de faciliter la pratique délibérée lors de la formation. / Background: Substantial evidence supports the use of simulation for training on basic skills in gynecology. Objectives: To evaluate the validity of a laparoscopic hysterectomy (LH) program on a virtual reality (VR) simulator, and to develop an evidence-based training curriculum. To develop an objective scale specific for the assessment of technical skills for LH (H-OSATS).Methods: Study 1. 40 participants were tested on a VR simulator. Validity evidence was proposed as the ability to differentiate between 3 levels of experience. Outcomes were simulator-derived metrics and OSATS scores. Study 2. The H-OSATS scale was developed using a hierarchical task analysis (HTA) and a Delphi panel of experts. H-OSATS was evaluated by reviewing LH performed on a VR simulator.Results: Study 1. There was differences between experienced intermediate and inexperienced groups for time (1369, 2385 and 3370 s; p<0.001), number of movements (2033, 3195 and 4056; p= 0.001), and number of bladder injuries. Qualitative analysis found intergroup OSATS score differences (25.5, 19.5 and 14; p<0.001). Study 2. 76 steps were identified by the HTA. 14 experts answered the Delphi. 64 steps reached consensus. There was a significant difference between the 3 groups for H-OSATS scores (178.25, 155.9 and 133; p=0.002). Conclusion: The LH program accrued validity evidence and allowed the development of a VR training curriculum. A next step will be to evaluate whether this training program leads to improved operative skills when transferred to the OR. H-OSATS scale is a valid instrument for performances assessment on a simulator. H-OSATS is expected to facilitate deliberate practice during LH training.

Le trouble obsessionnel-compulsif (TOC) se caractérise par la présence de pensées, images ou impulsions qui provoquent une détresse (obsessions) qui est habituellement soulagée par des rituels mentaux ou comportementaux (compulsions). De nos jours, le traitement reconnu comme étant le plus efficace est la thérapie cognitive comportementale (TCC), et plus particulièrement la technique d’exposition et de prévention de la réponse (EX/PR). Dans la plupart des études ainsi que dans les contextes pratiques, les individus souffrant du TOC sont habituellement traités par l’exposition in vivo, c’est-à-dire qu’ils sont exposés à des stimuli contaminés réels. Toutefois, ce traitement comporte des limites. Les études récentes démontrent l’efficacité des environnements virtuels à induire une réaction d’anxiété chez les phobiques ainsi que son potentiel comme outil dans le cadre d’exposition dans le traitement de troubles anxieux (Robillard et al., 2003). Dans un premier temps, une recension des écrits portant sur la possibilité de l’utilisation de cette technologie dans le traitement du TOC est effectuée et la question de la contribution de la réalité virtuelle dans la TCC du TOC est explorée. Dans un deuxième temps, nous examinons l’efficacité d’un environnement virtuel à induire une détresse chez les personnes souffrant d’un TOC (n = 12) à sous-type de contamination en comparant les résultats aux mesures subjectives et objectives à ceux d’un groupe contrôle (n = 20). Les résultats aux ANOVAs à mesures répétées ont démontré une réaction d’anxiété significativement plus élevée chez le groupe souffrant du TOC comparé au groupe contrôle. Dans un troisième temps, nous examinons à l’aide d’un devis à niveaux de bases multiples en fonction des individus l’efficacité d’un traitement cognitif comportemental d’une durée de 12 sessions avec exposition in virtuo quant à la réduction des symptômes chez trois participantes souffrant d’un TOC à sous-type principal de contamination. Des analyses de séries chronologiques ont été menées sur les données et ont révélées une amélioration statistiquement significative chez les participantes. Ces études préparent le terrain pour des études contrôlées effectuées à partir d’un échantillon plus large en plus de montrer le potentiel de la réalité virtuelle dans le traitement de troubles anxieux chroniques et complexes.

L'hémiplégie est une préoccupation mondiale pour la santé; C'est une partie de la Paralysie Cérébrale (PC) où une moitié verticale du corps est affectée. Cela peut avoir un impact significatif sur le niveau du handicap. Les déficiences motrices concernant les membres supérieurs, sont fréquentes chez les personnes hémiplégiques. Ces handicaps surviennent en raison de la perte de la communication entre le cerveau et le côté affecté du corps. Dans cette thèse, une stimulation visuelle, audio et tactile a été fournie aux patients pour une réhabilitation de ces membres affectés. La stratégie de contrôle haptique a été développée en utilisant des dispositifs haptiques, qui sont moins coûteux. Des scénarios de Réalité Virtuelle (RV) pour la thérapie haptique-RV, ont été développés afin de s'assurer la cohérence entre les flux visuels, audio et tactiles. Un dispositif haptique à 3 degrés de liberté (DDL) (Novint Falcon) que nous avons associé à un dispositif de rotation avec 1 DDL, que nous avons réalisé, a été utilisé pour appliquer cette stratégie de contrôle en mode-actif. La stratégie développée fournit des trajectoires libres dans des scènes RV et force feed-back dans d'autres directions, autrement dit modèle ‘résistant aux besoins’. Deux méthodes ont été développées pour évaluer les performances des membres supérieurs ciblés. La première méthode a été développée en utilisant une kinectTM pour Windows. Cet appareil a été choisi et utilisé dans notre système en raison sa portabilité, de son espace de travail, de sa facilité d'utilisation et de son prix bas. Le but principal de cette méthode d'évaluation est de valider la relation entre les différents scénarios de RV et le type de mouvement effectué par les membres supérieurs affectés des enfants. La deuxième méthode d'évaluation a été développée en utilisant les données collectées du système lui-même afin de fournir aux thérapeutes la qualité et la quantité de performance à chaque type de mouvements. Cette méthode a été construite en utilisant l'approche de la logique floue. Enfin, trois expériences ont été réalisées. Deux expériences de thérapie et une expérience d'évaluation. Les résultats illustrent la faisabilité de notre approche. Des perspectives ont été données en vue d’une validation au près d’un groupe d’enfant hémiplégique plus important dans l’avenir. Ce travail nécessite une préparation importante et une coordination sur le très long terme avec le corps médical et les familles des enfants atteints. / Hemiplegia is a global concern for health; it is a part of Cerebral Palsy (CP) where a vertical half of the body is affected. This can have a significant impact on the level of disability. Upper extremity motor impairments are common in hemiplegic patients. These disabilities occur because of the loss of communication between the brain and the affected side of the body. In this thesis, visual, audio and tactile stimulation was provided to patients for rehabilitation of these affected limbs. The haptic control strategy has been developed using haptic devices, which are less costly. Virtual Reality (VR) scenarios for haptic-VR therapy have been developed to ensure coherence between visual, audio and tactile flows. A 3-degree-of-freedom (DOF) haptic device (Novint Falcon) which we have associated with a rotation device with 1 DOF, which we have realized, has been used to apply this active-mode control strategy. The developed strategy provides free trajectories in VR scenes and forces feedback in other directions, 'resistant when needed' model. Two methods have been developed to evaluate the performance of the targeted upper limbs. The first method was developed using a kinectTM for Windows. This device was chosen and used in our system because of its portability, workspace, ease of use and low price. The main purpose of this evaluation method is to validate the relationship between the different VR scenarios and the type of movement performed by the affected upper limbs of children. The second evaluation method was developed using the collected data from the system itself in order to provide the therapists with the quality and the quantity of the performance for each type of movements. This method was constructed using the fuzzy logic approach. Finally, three experiments were carried out. Two therapy experiments and one evaluation experiment. The results illustrate the feasibility of our approach. Prospects have been given for validation with a larger group of hemiplegic children in the future. This work requires considerable preparation and coordination over the very long term with the medical profession and the families of affected children.

Grâce au diverse applications prévues dans le divertissement, l’éducation et les domaines professionnels, la création d’un monde virtuel interactif a intéressé beaucoup de chercheurs dans l’académie et l’industrie. L’espace acoustique trois-dimensionnelle peut être synthétisé à partir de deux perspectives : les approches physiques et les approches perceptives. Méthode de transfert de rayonnement acoustique est une méthode efficace pour modéliser les réflexions diffuses et la réverbération tardive. Une extension de la méthode de transfert de rayonnement est proposée dans cette thèse, qui permet de modéliser les réflexions précoces et spéculaires, en conservant son avantage pour la simulation de réverbération tardive. Les approches perceptives utilisent des paramètres acoustiques pour modéliser la perception acoustique principale de l’environnement modélisé. Des réseaux récursifs de lignes à retard sont beaucoup utilisés pour générer de la réverbération tardive. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est présentée, qui hérite l’efficacité de la structure des réseaux récursifs de lignes à retard, mais en le même temps, relie les paramètres des réseaux directement à la géométrie de l’environnement modélisé. Puis, l’approche physique et l’approche perceptive ont été combinées. La méthode de transfert de rayonnement acoustique simplifiée, avec extension à modéliser les réflexions spéculaires et diffuses, est incorporée à la structure des réseaux récursifs de lignes à retard. Le nouveau filtre réverbérant, en dépit de la modélisation des réfections diffuses et la réverbération tardive, est également capable de simuler les réflexions précoces et spéculaires avec précision. / There is an increasing interest in creating interactive virtual worlds due to the wide variety of potential applications in entertainment and education. The 3D acoustic scene can be synthesized from two perspectives : the physical approaches and the perceptual approaches. Acoustic radiance transfer method is an efficient ray-based method to model the diffuse reflections and the late reverberation. An extension of the Radiance Transfer Method (RTM) is proposed in this thesis, which allows modeling the early part of specular reflections while keeping the advantage of the original model for the late reverberation simulation. Feedback delay networks are widely used structures to generate the late reverberation. A new method is presented in this thesis, which inherits the efficiency of the Feedback Delay Network (FDN) structure, but aims at linking the parameters of the FDN directly to the geometries of the modeled environment. The relation is achieved by assigning a physical meaning to each delay line and studying the sound energy exchange between them. Then the physical approachand the perceptual approach are combined. The simplified acoustic Radiance Transfer Method, with extension for both specular and diffuse reflections, is incorporated with the Feedback Delay Networks. The new reverberator, despite of modeling the diffuse and late reverberation, is also capable of simulating the early and specular reflections with accuracy.

Attention is important in learning, Attention-deficit/hyperactivity disorder, Driving, and many other fields. Hence, intelligent tutoring systems, Attention-deficit/hyperactivity disorder diagnosis systems, and distraction detection of driver systems should be able to correctly monitor the attention levels of individuals in real time in order to estimate their attentional state. We study the feasibility of detecting distraction and concentration by monitoring participants' attention levels while they complete cognitive tasks using Electroencephalography and Eye Tracking in a virtual reality environment. Furthermore, we investigate the possibility of improving the concentration of participants using relaxation in virtual reality. We developed an indicator that estimates levels of attention with a real value using EEG data. The participant-independent indicator based on EEG data we used to assess the concentration levels of participants correctly predicts the concentration state with an accuracy (F1 = 73%). Furthermore, the participant-independent distraction model based on Eye Tracking data correctly predicted the distraction state of participants with an accuracy (F1 = 89%) in a participant-independent validation setting. / La concentration est importante dans l’apprentissage, Le trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité, la conduite automobile et dans de nombreux autres domaines. Par conséquent, les systèmes de tutorat intelligents, les systèmes de diagnostic du trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité et les systèmes de détection de la distraction au volant devraient être capables de surveiller correctement les niveaux d’attention des individus en temps réel afin de déduire correctement leur état attentionnel. Nous étudions la faisabilité de la détection de la distraction et de la concentration en surveillant les niveaux d’attention des participants pendant qu’ils effectuent des tâches cognitives en utilisant l’Électroencéphalographie et l’Eye Tracking dans un environnement de réalité virtuelle. En outre, nous étudions la possibilité d’améliorer la concentration des participants en utilisant la relaxation en réalité virtuelle. Nous avons mis au point un indicateur qui estime les niveaux d’attention avec une valeur réelle en utilisant les données EEG. L’indicateur indépendant du participant basé sur les données EEG que nous avons utilisé pour évaluer les niveaux de concentration des participants prédit correctement l’état de concentration avec une précision (F1 = 73%). De plus, le modèle de distraction indépendant des participants, basé sur les données d’Eye Tracking, a correctement prédit l’état de distraction des participants avec une précision (F1 = 89%) dans un cadre de validation indépendant des participants.

Ce mémoire couvre le développement d'une interface bimanuelle pour IMAGE v2, une application de simulation visuelle interactive aidant à la compréhension de situations complexes. Cette interface est centrée sur l'utilisateur et est développée principalement pour les environnements immersifs, environnements dans lesquels IMAGE v2 doit être déployé. Il s'agit d'une interface gestuelle, car l'utilisateur devra interagir avec les objets de l'application à l'aide de ses mains. Deux variantes de l'interface ont été implémentées, l'une requérant l'utilisation d'une seule main et l'autre permettant d'utiliser les deux mains. Ces deux variantes ont été comparées dans une étude sur un groupe d'utilisateurs qui devaient exécuter une série de tâches avec chaque variante de l'interface, le temps étant mesuré. L'étude a montré que l'interface bimanuelle augmente significativement la performance et la précision des utilisateurs. / This thesis covers the conception of a bimanual interface for IMAGE v2, an application of visual interactive simulation aiming to help in understanding complex situations. This interface is user-centric and is developed principally for virtual immersive environments, environments in which IMAGE v2 is to be used. It is a gestural interface because users will interact with the application by using their hands. Two variants of the interface have been implemented, the first requiring the user to use only one hand and the other allowing the use of both hands. Those two variants were compared in a study on a group of users who executed a series of tasks with each variant of the interface, time being measured. This study showed that the bimanual interface increased significantly the performance and precision of the users.

La recherche effectuée dans cette thèse porte sur le problème de la synthèse de vue c'est-à-dire, comment, d'un ensemble de photographies calibrées d'un objet, générer l'image de cet objet d'un point de vue non photographié. On s'intéresse plus particulièrement au rôle que joue la géométrie dans ce problème. Pour explorer cette question, on analyse les deux approches proposées dans la littérature, soit l'approche géométrique et l'approche par images. L'approche géométrique est basée sur la physique et requiert d'inférer la forme de l'objet, sous l'hypothèse de ses propriétés de réflectance et des conditions d'éclairage, en optimisant une mesure de photo-cohérence. La synthèse de vue s'effectue ensuite par la projection de la forme obtenue selon le point de vue et l'éclairage désirés. Le rôle de la géométrie dans cette approche est donc de définir la surface de l'objet pour permettre le calcul de son interaction avec la lumière. L'approche par images propose quant à elle d'effectuer la synthèse de vue directement par interpolation. La fonction à interpoler est le champ de lumière, qui décrit la couleur de tous les rayons de lumière issus de l'objet. Les pixels de chaque photographie constituent les échantillons à utiliser pour calculer l'approximation du champ de lumière. La synthèse de vue s'effectue en évaluant cette approximation en chacun des rayons qui traversent les pixels de l'image à synthétiser pour en obtenir la couleur. En théorie, la forme de l'objet n'est pas nécessaire dans ce cas, ce qui a l'avantage d'éviter l'inférence de cette forme et les hypothèses que son obtention requiert. En contrepartie, l'approche par images nécessite un nombre plus élevé de photographies que l'approche géométrique pour produire une image de qualité visuellement équivalente. Pour mitiger ce défaut, plusieurs chercheurs ont montré comment exploiter la forme de l'objet ou encore une approximation de celle-ci, obtenue par une approche géométrique, pour améliorer la qualité de l'interpolation. Cette forme permet un meilleur choix des rayons à utiliser pour interpoler un rayon inconnu puisque ce choix est maintenant basé sur la géométrie de l'objet. Ils arrivent ainsi à une diminution significative Résumé iii des artefacts autrement visibles lors de la synthèse. Une telle forme utilisée dans le but d'améliorer l'interpolation porte le nom de proxy, pour la distinguer de la forme de l'objet à laquelle elle n'a pas nécessairement à correspondre. L'utilisation d'un proxy correspond à une approche hybride, dès lors que l'obtention du proxy nécessite les hypothèses de l'approche géométrique. De ce fait, l'approche hybride limite malheureusement la portée de l'approche par images, qui autrement s'applique directement sans supposition au sujet de l'objet. L'idée principale de cette thèse vise remédier à cette situation en montrant que l'obtention d'un proxy n'a pas à s'appuyer sur l'approche géométrique et en partager les hypothèses. Plutôt que tenter d'obtenir un proxy qui approxime la forme de l'objet, on propose un proxy qui améliore directement la qualité de l'interpolation. La caractérisation de la forme recherchée viendra de l'analyse de la borne de l'erreur d'interpolation, issue de la théorie de l'approximation. Il deviendra clair qu'un proxy correspond à une reparamétrisation du domaine du champ de lumière qui en influence la régularité. Un proxy adapté mène à un champ de lumière régulier, ce qui diminue l'erreur d'interpolation et explique la diminution des artefacts visibles lors de la synthèse. On clarifie ainsi le rôle de la géométrie dans l'approche par images. Cette analyse suggère donc d'opter pour un proxy dont la forme maximise la régularité du champ de lumière correspondant, ce que l'on proposera de faire ensuite. Pour permettre cette recherche, on développe une mesure de régularité, appelée le contenu fréquentiel. Cette mesure possède plusieurs avantages comparativement aux mesures existantes dans l'approche géométrique, ce que l'on mettra en évidence. On utilisera le contenu fréquentiel pour obtenir des points de la surface qui maximise la régularité du champ de lumière, que l'on appellera surface de paramétrisation optimale. En cherchant à obtenir la surface de paramétrisation optimale, on rencontre divers problèmes d'ordre pratique. Le premier est la sensibilité du contenu fréquentiel aux erreurs de visibilité, ce qui nuit à sa minimisation. On résout ce problème en proposant une approche de minimisation robuste à ces erreurs. Une autre difficulté est que l'ensemble des points obtenus possède des profondeurs aberrantes, issues d'ambiguïtés quant aux profondeurs qui optimisent le contenu fréquentiel. On proposera une procédure de reconstruction de surface robuste basée sur les fonctions de base radiales combinées aux M-estimateurs. Cette procédure sera utilisée pour reconstruire la surface de paramétrisation optimale. Résumé iv La synthèse de vue d'objets divers à l'aide de la surface de paramétrisation optimale montrera qu'il est possible d'obtenir des résultats de qualité visuellement comparable à ceux que l'on obtient en utilisant la surface de l'objet. On explorera davantage les liens entre la surface de paramétrisation optimale et la surface de l'objet. On montre que les deux ne correspondent pas nécessairement, sauf dans le cas d'un objet lambertien texture, où la surface de l'objet atteint le maximum théorique de régularité. Dans ce cas, on évaluera les performances de l'approche proposée en comparant la surface de paramétrisation optimale à celle de l'objet, obtenue par un capteur télémétrique. Dans les autres cas, on montrera que la surface de paramétrisation optimale possède une forme qui tient compte des reflets dans l'objet. Elle mène ainsi à une géométrie originale qui constitue un meilleur proxy que la surface de l'objet elle-même. La surface de paramétrisation optimale est donc un candidat nouveau pour l'étude de la géométrie multi-vues.

Nous proposons une approche basée sur la géosimulation multi-agent et un outil d’aide à la décision pour supporter l’analyse « What-if » durant la planification des suites d’actions (plans) dans un environnement géographique dynamique. Nous présentons les caractéristiques du raisonnement « What-if » en tant 1) que simulation mentale 2) suivant un processus en trois étapes et 3) basé sur du raisonnement causal qualitatif. Nous soulignons les limites de la cognition humaine pour appliquer ce raisonnement dans le cadre de la planification des suites d’actions dans un environnement géographique dynamique et nous identifions les motivations de notre recherche. Ensuite, nous présentons notre approche basée sur la géosimulation multi-agent et nous identifions ses caractéristiques. Nous traitons en particulier trois problématiques majeures. La première problématique concerne la modélisation des phénomènes géographiques dynamiques. Nous soulignons les limites des approches existantes et nous présentons notre modèle basé sur le concept de situation spatio-temporelle que nous représentons en utilisant le formalisme de graphes conceptuels. En particulier, nous présentons comment nous avons défini ce concept en nous basant sur les archétypes cognitifs du linguiste J-P. Desclés. La deuxième problématique concerne la transformation des résultats d’une géosimulation multi-agent en une représentation qualitative exprimée en termes de situations spatio-temporelles. Nous présentons les étapes de traitement de données nécessaires pour effectuer cette transformation. La troisième problématique concerne l’inférence des relations causales entre des situations spatio-temporelles. En nous basant sur divers travaux traitant du raisonnement causal et de ses caractéristiques, nous proposons une solution basée sur des contraintes causales spatio-temporelles et de causalité pour établir des relations de causation entre des situations spatio-temporelles. Finalement, nous présentons MAGS-COA, une preuve de concept que nous avons implémentée pour évaluer l’adéquation de notre approche comme support à la résolution de problèmes réels. Ainsi, les principales contributions de notre travail sont: 1- Une approche basée sur la géosimulation multi-agent pour supporter l’analyse « What-if » des suites d’actions dans des environnements géographiques virtuels. 2- L’application d’un modèle issu de recherches en linguistique à un problème d’intérêt pour la recherche en raisonnement spatial. 3- Un modèle qualitatif basé sur les archétypes cognitifs pour modéliser des situations dynamiques dans un environnement géographique virtuel. 4- MAGS-COA, une plateforme de simulation et d’analyse qualitative des situations spatio-temporelles. 5- Un algorithme pour l’identification des relations causales entre des situations spatio-temporelles. / We propose an approach and a tool based on multi-agent geosimulation techniques in order to support courses of action’s (COAs) “What if” analysis in the context of dynamic geographical environments. We present the characteristics of “What if” thinking as a three-step mental simulation process based on qualitative causal reasoning. We stress humans’ cognition limits of such a process in dynamic geographical contexts and we introduce our research motivations. Then we present our multi-agent geosimulation-based approach and we identify its characteristics. We address next three main problems. The first problem concerns modeling of dynamic geographical phenomena. We stress the limits of existing models and we present our model which is based on the concept of spatio-temporal situations. Particularly, we explain how we define our spatio-temporal situations based on the concept of cognitive archetypes proposed by the linguist J-P. Desclés. The second problem consists in transforming the results of multi-agent geosimulations into a qualitative representation expressed in terms of spatio-temporal situations and represented using the conceptual graphs formalism. We present the different steps required for such a transformation. The third problem concerns causal reasoning about spatio-temporal situations. In order to address this problem, we were inspired by works of causal reasoning research community to identify the constraints that must hold to identify causal relationships between spatio-temporal situations. These constraints are 1) knowledge about causality, 2) temporal causal constraints and 3) spatial causal constraints. These constraints are used to infer causal relationships among the results of multi-agent geosimulations. Finally, we present MAGS-COA, a proof on concept that we implemented in order to evaluate the suitability of our approach as a support to real problem solving. The main contributions of this thesis are: 1- An approach based on multi-agent geosimulation to support COA’s “What if” analysis in the context of virtual geographic environments. 2- The application of a model proposed in the linguistic research community to a problem of interest to spatial reasoning research community. 3- A qualitative model based on cognitive archetypes to model spatio-temporal situations. 4- MAGS-COA, a platform of simulation and qualitative analysis of spatio-temporal situations. 5- An algorithm to identify causal relationships between spatio-temporal situations.

Ce mémoire présente les concepts et la réalisation d’outils de visualisation d’information dans un objectif d’aide à la compréhension de systèmes complexes. L’implantation des différents outils proposés a été réalisée dans le cadre du projet IMAGE mené au centre RDDC Valcartier. L’objectif principal de ce projet est de fournir une méthodologie et des outils afin d’aider à la compréhension de systèmes complexes. Le concept proposé par IMAGE repose principalement sur la synergie de quatre principes, soit la représentation, la scénarisation, la simulation et l’exploration. Nous nous attarderons ici essentiellement à l’aspect exploration. On propose d’abord une version desktop non immersive du module d’exploration. Différents outils de visualisation ont été développés à l’aide de l’outil de développement graphique Eye-Sys. Un ensemble d’affichages graphiques interactifs est proposé et s’inspire notamment de plusieurs techniques dans le domaine de la visualisation d’information. Ensuite, une version immersive des outils de visualisation a été réalisée. À partir de différents concepts de réalité virtuelle connus comme la stéréoscopie off-axis, des outils de visualisation ont été adaptés pour que l’on puisse les utiliser de façon immersive dans un environnement virtuel de type CAVE. On propose également l’intégration de différents périphériques de contrôle comme une télécommande sans fil et une tablette PC afin de faciliter la navigation dans l’environnement et la manipulation des différents outils de visualisation développés.