L'utilisation de personnages virtuels est devenue de plus en plus courante dans de nombreux domaines, par exemple, les jeux vidéos, la conception assistée par ordinateur ou l'étude du handicap. L'obtention de mouvements réalistes, reproduisant les mécanismes sensorimoteurs propres aux mouvements humains, est un verrou scientifique important. Cette thèse s'inscrit dans le courant des modèles de synthèse de mouvements utilisant des données capturées pour améliorer le réalisme. Notre proposition est d'intégrer la notion de synergie au sein d'une boucle de contrôle sensorimotrice pour améliorer le compromis entre réalisme, simplicité et autonomie. Une synergie est formée lorsque différentes entités collaborent pour atteindre un objectif commun. Nous avons étudié la possibilité de les modéliser au niveau des différents degrés de liberté du bras, lors de mouvements d'atteinte de cibles. Le modèle de synergies corrige le comportement de la boucle de contrôle en ajustant la dynamique du mouvement et les trajectoires des articulations. Les caractéristiques communes aux synergies mises en oeuvre sont représentées par des fonctions spatiales et temporelles qui peuvent être paramétrées pour reproduire les spécificités individuelles. Une méthode d'apprentissage permet d'ajuster les valeurs des paramètres afin d'obtenir les mouvements synthétisés les plus proches possible des exemples capturés. Les expériences réalisées comparent différents modèles de synergies et différentes heuristiques d'apprentissage. Les résultats obtenus sont utilisés pour trouver le meilleur compromis entre complexité du modèle, qualité du résultat et rapidité d'apprentissage. L'étude de caractéristiques des mouvements synthétisés montre la possibilité de reproduire la dynamique du mouvement et les trajectoires des articulations grâce à la modélisation proposée. Finalement, un mécanisme de classification des synergies est proposé. Le résultat obtenu représente les liens entre les conditions de réalisation du mouvement et les différentes synergies mises en oeuvre. Dans ce travail, ces liens sont exploités pour l'extrapolation et l'analyse des synergies mises en oeuvre par une personne. Le mécanisme d'extrapolation utilise un critère de sélection pour trouver, parmi les liens obtenus à l'issue de l'apprentissage, la synergie à mettre en oeuvre lors de la synthèse de nouveaux mouvements. L'analyse des similitudes entre différentes synergies est possible grâce à la sémantique apportée aux paramètres par le modèle de synergie. Les perspectives de ce travail concernent d'une part l'extension de ce modèle à d'autres types de gestes, et d'autres part son exploitation pour l'analyse des synergies de sujets particuliers, par exemple pour des personnes possédant des handicaps moteurs.

Ces travaux traitent de la scénarisation d’environnements virtuels, définie comme la spécification des déroulements possibles ou souhaitables d’une simulation, et la mise en place de mécanismes permettant de contrôler son déroulement effectif de manière dynamique. Nous visons pour cette scénarisation un ensemble d’objectifs, souvent considérés comme contradictoires : la liberté et la capacité d’action de l’utilisateur, l’ampleur, le caractère dynamique et l’efficacité du contrôle exercé sur le scénario, la cohérence des comportements présentés et l’adaptabilité du système, nécessaire pour la variabilité des scénarios. Nous proposons SELDON, un modèle basé sur le contrôle centralisé et indirect d’une simulation émergente à partir de modèles du contenu scénaristique. L’environnement est peuplé de personnages virtuels autonomes et l’utilisateur y est libre de ses actions. La scénarisation est réalisée en deux étapes : des objectifs dynamiques sont déterminés à partir de l’activité de l’utilisateur, puis est généré en fonction de ces objectifs et exécuté au travers d’ajustements sur la simulation.Le moteur DIRECTOR permet de générer et de réaliser ce scénario. DIRECTOR utilise les modèles qui sous-tendent la simulation pour prédire son évolution, et guide cette évolution au travers d’un ensemble d’ajustements indirects, qui influencent les réactions des systèmes techniques et les décision des personnages. Il utilise un moteur de planification pour générer des scénarios composés d’étapes de prédiction, dont il suit la réalisation dans la simulation, et d’ajustements, qu’il déclenche.Les objectifs scénaristiques pris en compte sont à la fois dynamiques, au travers de situations prescrites et proscrites et de contraintes sur les propriétés globales du scénario, et statiques, sous la forme d’espaces de scénario. Le contenu scénaristique et les objectifs scénaristiques statiques sont représentés à l’aide de l’ensemble de langages que nous avons proposé : DOMAIN-DL, ACTIVITY-DL et CAUSALITY-DL. Ces contributions permettent d’allier la réactivité et la variabilité permises par des simulations émergentes et la pertinence des scénarios offerte par les systèmes basés sur de la planification. / This work addresses the orchestration of virtual environments, defined as the specification ofpossible or wanted unfoldings of events in a simulation and the implementation of control mechanisms over the actual unfolding. We aim at a set of objectives often considered contradictory : user freedom/agency, range, dynamicity and efficiency of control over the scenario, behavioural coherence, and system adaptability, which is essential for scenario variability. We propose SELDON, a model based on centralised and indirect control of an emergent simulation. Scenario content is represented by domain and activity models in the DOMAIN-DL and ACTIVITY-DL lanquages. The virtual environement is populated by autonomous characters, and the user’s choices of actions are unconstrained. Orchestration is carried out in two steps: first, a set of dynamic objectives is determined from the user’s profile and activity, then a scenario is generated from these objectives and executed through adjustements on the simulation. The DIRECTOR engine performs scenario generation and execution. DIRECTOR uses the simulation’s models to predict its evolution and guide it through a set of indirect adjustements that influence technical systems’ reactions and characters’ decisions. It uses planning to generate scenarios made up of prediction steps that DIRECTOR monitors in the simulation and adjustements that it triggers in the virtual environment. Scenario objectives can be defined dynamically through prescribed/proscribed situations and constraints on global scenario properties or statically as a space of scenarios of interest represented in the CAUSALITY-DL language.

L’utilisation de personnages virtuels dans le cadre de simulations basées sur les lois de la physique trouve maintenant des applications allant de la biomécanique à l’animation. L’un des éléments incontournables de cette performance est le contrôleur de mouvement, capable de transformer les actions souhaitées en mouvements synthétisés. La conceptualisation de ces contrôleurs a profondément évolué grâce à l'apport des connaissances en biomécanique qui a conduit à l'utilisation de modèles de personnages encore plus détaillés car s'inspirant de l’appareil squelettique et surtout musculaire de l’être humain (ou personnages à modèle musculaire). Contrôler les personnages virtuels implique un défi de taille : contrôler la redondance, ou le fait même qu’un nombre important de muscles ou d’actionneurs aient besoin d’être contrôlés simultanément pour exécuter la tâche de motricité demandée.L’objectif de cette thèse est d’y répondre en s’inspirant du système de contrôle moteur humain permettant de gérer cette redondance. Une solution de contrôle, pour les personnages virtuels, est proposée d’après la théorie des synergies musculaires et appliquée à des mouvements de contrôle du lancer. Les synergies musculaires sont des représentations de contrôle à faible dimension et qui permettent aux muscles d’être contrôlés en groupe, réduisant ainsi de manière significative le nombre de variables. Grâce à cette stratégie, cette thèse permet les contributions suivantes : en premier lieu, la validation de la théorie des synergies musculaires, utilisée ici pour étudier un nouveau mouvement et pour tenter de contrôler un personnage virtuel. Et elle contribue également à l'ensemble des domaines impliquant des simulations corporelles, ayant recours aux personnages à modèle musculaire (comme par exemple, la biomécanique ou l'animation) en leur proposant une solution de contrôle permettant de réduire la redondance. / The use of virtual characters in physics-based simulations has applications that range from biomechanics to animation. An essential component behind such applications is the character’s motion controller, which transforms desired tasks into synthesized motions. The way these controllers are designed is being profoundly transformed through the integration of knowledge from biomechanics, which motivates the idea of using more detailed character models, inspired by the human musculoskeletal system (or muscle-based characters). Controlling these characters implies solving an important challenge: control redundancy, or the fact that numerous muscles or actuators need to be coordinated simultaneously to achieve the desired motion task.The goal of this thesis is to address this challenge by taking inspiration from how the human motor control system manages this redundancy. A control solution for virtual characters is proposed based on the theory of muscle synergies, and applied on the control of throwing motions. Muscle synergies are low-dimensional control representations that allow muscles to be controlled in groups, thus reducing significantly the number of control variables.Through this solution this thesis has the following contributions: 1) A contribution to the validation of the muscle synergy theory by using it to study a new motion, and challenging it with the control of a virtual character, and 2) a contribution to the variety of domains involving physical simulation with muscle-based characters (e.g, biomechanics, animation) by proposing a control solution that reduces redundancy.

La communication multimodale, qui est primordiale dans les relations interpersonnelles, reste encore très limitée dans les interfaces homme-machine actuelles. Parmi les différentes modalités qui ont été adoptées par les recherches en interaction homme-machine, la modalité posturale a été moins explorée que d’autres modalités comme la parole ou les expressions faciales. Les postures corporelles sont pourtant indispensables pour interpréter et situer l’interaction entre deux personnes, que ce soit en termes de contexte spatial ou de contexte social. Les briques de base que sont les dispositifs et les modalités d’interaction (par exemple la kinect ou les avatars) sont pourtant disponibles. Il manque cependant des modèles informatiques reliant ces médias et modalités aux fonctions de communication pertinentes dans les interactions interpersonnelles comme celles liées à l’espace ou aux émotions.L’objectif de cette thèse est de concevoir un premier modèle informatique permettant d’exploiter les postures dans les interactions homme-machine. Cela soulève plusieurs questions de recherche : comment représenter symboliquement des postures exprimées durant des interactions interpersonnelles ? Comment spécifier les comportements posturaux de personnages virtuels ? Quelles doivent être les caractéristiques d’un modèle d’interaction corporel permettant des interactions entre un personnage virtuel et un utilisateur dans différents contextes physiques ou sociaux ?L’approche proposée consiste dans un premier temps à prendre comme point de départ des corpus vidéo filmés dans différentes situations. Nous avons défini un schéma de codage pour annoter manuellement les informations posturales à différents niveaux d’abstraction et pour les différentes parties du corps. Ces représentations symboliques ont été exploitées pour effectuer des analyses des relations spatiales et temporelles entre les postures exprimées par deux interlocuteurs.Ces représentations symboliques de postures ont été utilisées dans un deuxième temps pour simuler des expressions corporelles de personnages virtuels. Nous nous sommes intéressés à un composant des émotions particulièrement pertinent pour les études sur les postures : les tendances à l’action. Des animations impliquant deux personnages virtuels ont été ainsi conçues puis évaluées perceptivement.Enfin, dans un troisième temps, les expressions corporelles d’un personnage virtuel ont été conçues dans une application mixte faisant intervenir un personnage virtuel et un utilisateur dans un cadre d’interaction ambiante. Les postures et gestes du personnage virtuel ont été utilisées pour aider l’utilisateur à localiser des objets du monde réel.Cette thèse ouvre des perspectives sur des études plus spécifiques de l’interaction corporelle nécessitant par exemple des annotations automatiques via des dispositifs de capture de mouvement ou la prise en compte des différences individuelles dans l’expression posturale. / Multimodal communication is key to smooth interactions between people. However, multimodality remains limited in current human-computer interfaces. For example, posture is less explored than other modalities, such as speech and facial expressions. The postural expressions of others have a huge impact on how we situate and interpret an interaction. Devices and interfaces for representing full-body interaction are available (e.g., Kinect and full-body avatars), but systems still lack computational models relating these modalities to spatial and emotional communicative functions.The goal of this thesis is to lay the foundation for computational models that enable better use of posture in human-computer interaction. This necessitates addressing several research questions: How can we symbolically represent postures used in interpersonal communication? How can these representations inform the design of virtual characters' postural expressions? What are the requirements of a model of postural interaction for application to interactive virtual characters? How can this model be applied in different spatial and social contexts?In our approach, we start with the manual annotation of video corpora featuring postural expressions. We define a coding scheme for the manual annotation of posture at several levels of abstraction and for different body parts. These representations were used for analyzing the spatial and temporal relations between postures displayed by two human interlocutors during spontaneous conversations.Next, representations were used to inform the design of postural expressions displayed by virtual characters. For studying postural expressions, we selected one promising, relevant component of emotions: the action tendency. Animations were designed featuring action tendencies in a female character. These animations were used as a social context in perception tests.Finally, postural expressions were designed for a virtual character used in an ambient interaction system. These postural and spatial behaviors were used to help users locate real objects in an intelligent room (iRoom). The impact of these bodily expressions on the user¡¯s performance, subjective perception and behavior was evaluated in a user studyFurther studies of bodily interaction are called for involving, for example, motion-capture techniques, integration with other spatial modalities such as gaze, and consideration of individual differences in bodily interaction.

La pléthymographie pénienne est considérée comme la méthode la plus objective pour évaluer les intérêts sexuels d'hommes adultes. Par contre, un nombre grandissant de chercheurs déplorent le manque de correspondance qui existe entre les stimuli présentés dans ce type d'évaluation et la réalité. Il est proposé de tenter de remédier à cette lacune en utilisant des personnages virtuels générés par ordinateur et présentant une variété de dispositions affectives lors d'évaluations pléthysmographiques. Ces stimuli n'ont jamais été utilisés dans l'évaluation des intérêts sexuels auprès d’agresseurs sexuels d'enfants. Cette thèse est composée de deux articles qui visent à soutenir le recours à ce type de stimuli lors d'évaluations pléthysmographiques. Afin d'atteindre cet objectif, des hommes ayant eu ou non des contacts sexuels avec des enfants ont été recrutés dans le but de les comparer. Une première étude empirique est bipartite. Elle vise en premier lieu à déterminer auprès d'une population étudiante si les dispositions affectives simulées par les personnages virtuels sont identifiables. Elle cherche ensuite à déterminer la capacité des personnages virtuels à générer un profil d'excitation sexuelle propre à un groupe d'individus n'ayant pas de problématique sexuelle. La seconde étude expérimentale porte sur la comparaison des profils de réponses érectiles issus de la présentation des personnages virtuels et évalue leur capacité à discriminer les individus selon qu'ils possèdent ou non des antécédents en matière de délinquance sexuelle envers les enfants. Dans l'ensemble, les résultats soutiennent l'utilisation de ces stimuli lors d'évaluations pléthysmographiques. Ils démontrent que les personnages virtuels simulent les dispositions affectives prévues et qu'ils génèrent des profils d'excitation sexuelle et des indices de déviance permettant de discriminer entre les groupes à l'étude. Ce projet de recherche présente les avantages associés à la présentation des personnages virtuels simulant différentes dispositions affectives lors de l'évaluation des intérêts sexuels chez les agresseurs d'enfants et propose des avenues intéressantes en termes d'évaluation et de traitement auprès de cette population. / Penile plethysmography is considered the most objective method to assess adult men's sexual interests. However, a growing number of researchers underline the poor correspondence between the stimuli used during this type of assessment and reality. It is proposed to try to overcome this issue by using computer generated virtual characters that present a variety of affective dispositions during plethysmographic assessments. These stimuli have never been used in the assessment of child molesters' sexual interests. This thesis is composed of two articles that aim at supporting the use of this type of stimuli during plethysmographic assessments. In order to reach this goal, men who have or not engaged in sexual contact with children were recruited so that they could be compared. A first empirical study is bipartite. On one hand, it aims to determine in a student sample whether the affective dispositions simulated by the virtual characters represent what was intended. Its second goal is to determine the ability of the charcarters to generate a sexual arousal profile representative of non-deviant men. The second experimental study focuses on comparing profiles of erectile responses recorded to the virtual characters and determining their ability to discriminate individuals according to their group membership. Overall, results support the use of these stimuli during plethysmographic assessments. They demonstrate that the virtual characters simulate intended affective dispositions as well as their ability to generate profiles of sexual arousal and deviance differentials representative of group membership. This research project presents the advantages of using virtual characters that simulate varying affective dispositions in the assessment of child molesters' sexual interests and proposes interesting avenues in terms of assessment and treatment with this population.

Ces travaux visent à fournir un système de scénarisation d'environnements virtuels assurant à la fois la liberté d'action de l'utilisateur, l'ampleur, le caractère dynamique et l'efficacité du contrôle exercé sur le scénario, la cohérence des comportements présentés et l'adaptabilité du système. Nous proposons SELDON, un modèle basé sur le contrôle centralisé et indirect d'une simulation émergente. Le contenu scénaristique y est représenté par des modèles du domaine et de l'activité dans les langages DOMAIN-DL et ACTIVITY-DL. L'environnement est peuplé de personnages virtuels autonomes et l'utilisateur y est libre de ses actions. La scénarisation est réalisée en deux étapes : des objectifs dynamiques sont déterminés à partir de l'activité de l'utilisateur, puis un scénario est généré en fonction de ces objectifs et exécuté au travers d'ajustements sur la simulation. Le moteur DIRECTOR permet de générer et de réaliser ce scénario. DIRECTOR utilise les modèles qui sous-tendent la simulation pour prédire son évolution, et guide cette évolution au travers d'un ensemble d'ajustements indirects, qui influencent les réactions des systèmes techniques et les prises de décision des personnages. Il utilise un moteur de planification pour générer des scénarios composés d'étapes de prédiction, dont il suit la réalisation dans la simulation, et d'ajustements, qu'il déclenche. Les objectifs scénaristiques pris en compte sont à la fois dynamiques, au travers de situations prescrites et proscrites et de contraintes sur les propriétés globales du scénario, et statiques, sous la forme d'espaces de scénario représentés en CAUSALITY-DL.