La plupart des métiers du travail de l’information requièrent maintenant de passer la majeure partie de nos journée devant un écran. Ceci s’ajoute au temps déjà consacré à ce médium dans nos temps libres pour le divertissement et la communication, que ce soit en utilisant des téléphones intelligents, tablettes ou ordinateurs. Alors que les avancées technologiques dans le domaine des écrans tactiles nous ont permis d’interagir avec ces appareils de manière plus expressive, par exemple en utilisant nos doigts pour interagir directement avec le contenu numérique, ce que nous voyons et manipulons sur écran reste “intouchable” ; nos doigts ne pouvant pénétrer la surface de l’écran pour toucher le contenu numérique qui se trouve derrière. Pour que l’interaction avec le monde numérique soit écologique dans le futur, elle doit mettre à profit l’ensemble des différentes capacités de l’humain au lieu de ne se concentrer que sur certaines d’entre elles (comme le toucher et la vision), laissant les autres sens s’atrophier. Une façon de considérer le problème est d’utiliser le monde réel physique comme support pour le monde numérique, permettant d’imaginer un futur où les objets du quotidien auront de riches et expressives fonctions numériques, tout en étant ancrés dans le monde réel. La réalité augmentée spatiale est une modalité permettant d’aller dans cette direction. Cette thèse s’intéresse principalement à deux aspects en lien avec ces objets tangibles augmentés. Dans un premier temps, nous soulevons la question de comment interagir avec du contenu numérique lorsqu’il est supporté par des objets physiques. Comme point de départ de notre investigation, nous avons étudié différentes modalités qui utilisent des dispositifs d’entrée/sortie typiquement retrouvés dans un environnement de bureau. Cette approche est justifiée par le désir d’utiliser au maximum l’expérience que les utilisateurs ont déjà acquise avec leurs outils numériques tout en se dirigeant vers un espace d’interaction comprenant des éléments physiques. Dans un second temps, nous sommes allés au delà du thème de l’interaction avec le contenu numérique pour se questionner sur le potentiel des objets tangibles augmentés comme support pour un médium plus humain. Nous avons investigué comment ces artéfacts augmentés, combinés à différents capteurs physiologiques, pourraient permettre d’améliorer notre conscience des processus internes de notre corps et de notre esprit, pour éventuellement favoriser l’introspection. Cette partie a pris la forme de deux projets où un avatar tangible a été proposé pour laisser les utilisateurs explorer et personnaliser le retour d’information sur leurs propres états internes en temps réel. / Most of our waking hours are now spent staring at a screen. While the advances in touch screens have enabled a more expressive interaction space with our devices, by using our fingers to interact with digital content, what we see and manipulate on screen is still being kept away from us, locked behind a glassy surface. The range of capabilities of the human senses is much richer than what screens can currently offer. In order to be sustainable in the future, interaction with the digital world should leverage these human capabilities instead of letting them atrophy. One way to provide richer interaction and visualization modalities is to rely on the physical world itself as a host for digital content. Spatial Augmented Reality provides a technical mean towards this idea, by using projectors to shed digitally controlled light onto real-world objects to augment them and their environment with features and content. This paves the way to a future where everyday objects will be embedded with rich and expressive capabilities, while still being anchored in the real world. In this thesis, we are interested in two main aspects related to these tangible augmented objects. In a first time, we are raising the question on how to interact with digital content when it is hosted on physical objects. As a basis for our investigation, we studied interaction modalities that leverage traditional input and output devices found in a typical desktop environment. Our rationale for this approach is to leverage the experience of users with traditional digital tools – tools which researchers and developers spent decades to make simpler and more efficient to use – while at the same time steering towards a physically enriched interaction space. In a second time, we go beyond theinteraction with the digital content of augmented objects and reflect on their potential as a humane medium support. We investigate how these augmented artifacts, combined with physiological computing, can be used to raise our awareness of the processes of our own bodies and minds and, eventually, foster introspection activities. This took the form of two different projects where we used tangible avatars to let users explore and customize real-time physiological feedback of their own inner states.

Cette thèse s’inscrit dans le thème de la réalité augmentée spatiale (RAS). La RAS permet d’améliorer ou de modifier la perception de la réalité, au travers d’informations virtuelles affichées directement dans l’environnement réel, à l’aide d’un vidéoprojecteur. Bien des domaines peuvent en profiter, tels que le tourisme, le divertissement, l’éducation, la médecine, l’industrie ou le patrimoine culturel. Les techniques informatiques actuelles permettent d’acquérir, d’analyser et de visualiser la géométrie de la surface d’objets réels, comme par exemple pour des artefacts archéologiques. Nous proposons une technique d’interaction et de visualisation en RAS qui combine les avantages de l’étude d’artefacts archéologiques réels et de l’étude d’artefacts archéologiques 3D. Pour cela, nous superposons sur l’objet une visualisation expressive en RAS basée sur les courbures, permettant par exemple de montrer le détail des gravures. Nous simulons ensuite l’utilisation d’une lampe torche grâce à un interacteur à 6 degrés de liberté. L’utilisateur peut ainsi spécifie la zone de l’objet à augmenter et ajuster les nombreux paramètres nécessaires au rendu expressif. L’une des principales caractéristiques de la réalité augmentée spatiale est de permettre à plusieurs utilisateurs de participer simultanément à la même expérience. Cependant, en fonction de l’application souhaitée, cela peut être vu comme un inconvénient. Nous proposons un nouveau dispositif d’affichage permettant de créer des expériences en RAS qui soient multi-utilisateurs et personnalisées, en prenant en compte le point de vue de l’utilisateur. Nous utilisons pour cela un support de projection rétroréfléchissant semi-transparent que l’on positionne en face de l’objet à augmenter. Nous proposons deux implémentations différentes de ce nouveau dispositif, ainsi que deux scénarios d’application. Lorsque l’on veut augmenter des objets déformables, la plupart des techniques de tracking actuelles et la connaissance préalable de la géométrie de l’objet ne suffisent plus. En vue d’être par la suite utilisée pour augmenter un objet, nous proposons une technique de reconstruction de surfaces développables par approximation de cylindres paraboliques, basée sur les MLS. Ce type de surface peut représenter par exemple des vêtements ou des tissus. Nous proposons une solution pour supprimer les problèmes d’approximation dans les zones à forte ambiguïté. / This thesis extends the field of spatial augmented reality (SAR). Spatial augmented reality allows to improve or modify the perception of the reality with virtual information displayed directly in the real world, using video-projection. Many fields such as tourism, entertainment, education, medicine, industry or cultural heritage may benefit from it. Recent computer science techniques allow to measure, analyse and visualise the geometry of the surface of real objects, as for instance archeological artefacts. We propose a SAR interaction and visualisation technique that combines the advantages of the study of both real and 3D archeological artefacts. Thus, we superimpose on the object an expressive rendering based on curvatures with SAR, allowing for example to show details of engravings. Next, we simulate the use of a flashlight with the help of a 6-degree-of-freedom controller. The user can then specify the area on the object to be augmented and adjust the various necessary parameters of the expressive rendering. One of the main caracteristics of SAR is to enable multiple users to simultaneously participate to the same experience. However, depending on the target application, this can be seen as a drawback. We propose a new display device that allows to create experiences in SAR that are both multi-user and personalised by taking into account the user point of view. In order to do so, the projection display, set in front of the object to augment, is made from a material that is both retro-reflective and semi-transparent. We suggest two different uses of this new device, as well as two scenarios of application. Most of recent tracking solutions, even with the knowledge of the geometry of the object beforehand, fail when applied to the augmentation of deformable objects. In order to adress this issue, we propose a reconstruction technique for developable surfaces using parabolic-cylinders based on MLS. This kind of surface may represent cloth or fabric for instance. We show a solution addressing approximation issues in areas where the problem becomes ambiguous.