Dans un environnement économique à faible croissance et à forte concurrence, l'avance technologique est importante, mais très souvent ne suffit plus. Pour être compétitif, il convient aussi, de faire le bon produit, c'est-à dire le produit qui correspond aux réels besoins, attentes et caractéristiques des utilisateurs. Par conséquent, l'usage du produit devient une source d'innovation pour les entreprises industrielles. Pour intégrer l'usage d'un produit en conception, nous choisissons d'étudier les phases de convergence multidisciplinaire sur le couple produit/usage car ce sont des phases de collaboration forte entre les acteurs métiers tout au long du processus de conception. Les différentes disciplines, connaissances et pratiques impliquées dans les projets de conception, rendent le transfert des connaissances difficile entre les acteurs métiers durant ces phases. Face à cette problématique, nous nous intéressons plus particulièrement aux Objets Intermédiaires de Conception (OICs) (ex.prototype virtuel, maquette physique, etc.) comme moyen pour faciliter l'échange et la communication entre les acteurs métiers. Notre objectif est d'améliorer la collaboration entre les acteurs à travers l'étude des OICs et une meilleure compréhension des apports de ces objets. Dans nos travaux de thèse, nous indiquons l'intérêt de l'ajout d'interactions dédiées aux acteurs métier à l'OIC pour améliorer la qualité de la collaboration sur le couple produit/usage. Cela a été montré à travers le développement et la validation d'un outil d'annotation et sketching 2D (Virtusketches) en environnement virtuel immersif. Nos résultats montrent des différences significatives entre prototype virtuel (sur une plateforme de réalité virtuelle) et modèle CAO (sur un système CAO) concernant la qualité de collaboration et les objectifs des acteurs métier durant des revues de projets de conception. Nous proposons aussi une approche méthodologique DCDO (Démarche méthodologique de Choix et de Définition des OICs) pour le choix et la définition des OICs. L'une des originalités de cette approche réside dans le fait de considérer tous lesaspects liés à la définition de l'OIC dans le contexte de la convergence sur le couple produit/usage. Cette approche méthodologique a été implémentée et mise en pratique dans un module de revue de projet en environnement PLM(Product Lifecycle Management). / In our economic environment with low growth and high competition, technological advance is important, but often not enough. To be competitive, it is also necessary to propose a product which corresponds to the real needs, expectations and characteristics of users. Therefore, product use becomes a source of innovation by industrial companies. In order to integrate product use in design process, we choose to study the multidisciplinary convergence phases about the product and its related use because they are phases of strong collaboration between design actors. However, different disciplines, knowledge and practices involved in design projects, make the transfer of knowledge between design actors difficult. To this end, we are particularly interested in Intermediary Objects of Design (IOs) (ex. Virtual prototype, physical prototype, etc.) as a means to facilitate the exchange and communication between design actors. Our goal is to improve collaboration between design actors through the study of IOs, a better understanding of theirs contributions and the definition of a methodology that allows designactors to define these objects depending on their own needs and expectations. In this context, we indicate the interest of adding interactions dedicated to design actors through the IOs to improve the quality of collaboration. This has been shown through the developing and validating an annotation and 2D (Virtusketches) sketching tool in immersive virtual environment. Our results also show significant differences between a virtual prototype using (virtual reality platform) and CAD model (using CAD system) concerning the quality of collaboration and the realized objectives in design reviews. We also propose a methodological approach for the choice and the definition of IOs (DCDO). One of the originalities of this approach lies in the fact to consider all aspects related to the definition of the IOs in the context of convergence on the product/use couple. This methodological approach has been implemented and put into practice using an application to prepare project reviews in PLM (Product Lifecycle Management).environment.

L'objectif principal de ce travail est de proposer des outils pour une synthèse en temps-réel, réaliste et expressive, des sons résultant d'interactions physiques entre objets dans une scène virtuelle. De fait, ces effets sonores, à l'exemple des bruits de collisions entre solides ou encore d'interactions continues entre surfaces, ne peuvent être prédéfinis et calculés en phase de pré-production. Dans ce cadre, nous proposons deux approches, la première basée sur une modélisation des phénomènes physiques à l'origine de l'émission sonore, la seconde basée sur le traitement d'enregistrements audio. Selon une approche physique, la source sonore est traitée comme la combinaison d'une excitation et d'un résonateur. Dans un premier temps, nous présentons une technique originale traduisant la force d'interaction entre surfaces dans le cas de contacts continus, tel que le roulement. Cette technique repose sur l'analyse des textures utilisées pour le rendu graphique des surfaces de la scène virtuelle. Dans un second temps, nous proposons une méthode d'analyse modale robuste et flexible traduisant les vibrations sonores du résonateur. Outre la possibilité de traiter une large variété de géométries et d'offrir une multi-résolution des paramètres modaux, la méthode permet de résoudre le problème de cohérence entre simulation physique et synthèse sonore, problème fréquemment rencontré en animation. Selon une approche empirique, nous proposons une technique de type granulaire, exprimant la synthèse sonore par un agencement cohérent de particules ou grains sonores. La méthode consiste tout d'abord en un prétraitement d'enregistrements destiné à constituer un matériel sonore sous forme compacte. Ce matériel est ensuite manipulé en temps réel pour, d'une part, une resynthèse complète des enregistrements originaux, et d'autre part, une utilisation flexible en fonction des données reportées par le moteur de simulation et/ou de procédures prédéfinies. Enfin, l'intérêt est porté sur les sons de fracture, au vu de leur utilisation fréquente dans les environnements virtuels, et en particulier les jeux vidéos. Si la complexité du phénomène rend l'emploi d'un modèle purement physique très coûteux, l'utilisation d'enregistrements est également inadaptée pour la grande variété de micro-événements sonores. Le travail de thèse propose ainsi un modèle hybride et des stratégies possibles afin de combiner une approche physique et une approche empirique. Le modèle ainsi conçu vise à reproduire l'événement sonore de la fracture, de son initiation à la création de micro-débris.

La perception visuelle est un élément déterminant pour interagir avec notre environnement. Lors des activités physiques et sportives, la prise d'informations visuelles permet notamment à un athlète d'extraire et de sélectionner les indices visuels nécessaires pour anticiper le mouvement adverse. L'analyse de cette prise d'informations visuelles a fait l'objet de nombreuses recherches dans le domaine sportif, cependant toutes les méthodes employées semblent limitées sur le plan fonctionnel ou matériel. Ce travail a pour objectif l'évaluation et la mise en oeuvre d'une nouvelle méthodologie d'analyse de la prise d'informations visuelles fondée sur l'utilisation des environnements virtuels. Cette méthodologie est appliquée à l'activité du gardien de but de handball en situation de duel. Dans un premier temps, nous comparons les performances des gardiens de but face à notre méthodologie avec ceux obtenus face à une séquence filmée afin de démontrer l'intérêt des environnements virtuels dans ce domaine. Puis, nous abordons la mise en place de notre méthodologie en nous focalisant sur l'influence du niveau de détail et de la représentation graphique de l'action de tir sur la performance du gardien de but de handball. Enfin, nous utilisons notre méthodologie pour étudier la prise d'informations visuelles du gardien de but de handball. Plus précisément, nous estimons l'importance relative des informations visuelles issues de la trajectoire du ballon et du mouvement de tir.

Une Interface Cerveau-Ordinateur (ICO) est un système de communication qui permet à ses utilisateurs d'envoyer des commandes à un ordinateur via leur activité cérébrale, cette activité étant mesurée, généralement par ÉlectroEncéphaloGraphie (EEG), et traitée par le système. Dans la première partie de cette thèse, dédiée au traitement et à la classification des signaux EEG, nous avons cherché à concevoir des ICOs interprétables et plus efficaces. Pour ce faire, nous avons tout d'abord proposé FuRIA, un algorithme d'extraction de caractéris- tiques utilisant les solutions inverses. Nous avons également proposé et étudié l'utilisation des Systèmes d'Inférences Flous (SIF) pour la classification. Nos évaluations ont montré que FuRIA et les SIF pouvaient obtenir de très bonnes performances de classification. De plus, nous avons proposé une méthode utilisant ces deux algorithmes afin de concevoir une ICO complétement interprétable. Enfin, nous avons proposé de considérer la conception d'ICOs asynchrones comme un problème de rejet de motifs. Notre étude a introduit de nouvelles techniques et a permis d'identifier les classifieurs et les techniques de rejet les plus appropriés pour ce problème. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons cherché à concevoir des applications de Réalité Virtuelle (RV) controlées par une ICO. Nous avons tout d'abord étudié les performances et les préférences de participants qui interagissaient avec une application ludique de RV à l'aide d'une ICO asynchrone. Nos résultats ont mis en évidence le besoin d'utiliser des ICO adaptées à l'utilisateur ainsi que l'importance du retour visuel. Enfin, nous avons développé une application de RV permettant à un utilisateur d'explorer un musée virtuel par la pensée. Dans ce but, nous avons conçu une ICO asynchrone et proposé une nouvelle technique d'interaction permettant à l'utilisateur d'envoyer des commandes de haut niveau. Une première évaluation semble montrer que l'utilisateur peut explorer le musée plus rapidement avec cette technique qu'avec les techniques actuelles.

Il est important, pour la développement rapide et à moindre coût d'un produit, de considérer différentes contraintes liées à la conception, l'assemblage/ désassemblage (A/D), l'usinage, l'ergonomie, etc. L'utilisation des outils comme les systèmes de réalité virtuelle (RV) donne une nouvelle dimension en terme de développement efficace du produit. Cette thèse propose d'appliquer les technologies de RV à l'étude/ optimisation des systèmes mécaniques complexes et, en particulier, à la simulation d'A/D de composants flexibles. Afin de tenir compte d'un comportement complexe de ces pièces, une telle simulation est basée sur leur modélisation mécanique. Le modèle non-linéaire de poutres flexibles est utilisé, adapté à des spécificités de la RV, étudié et intégré dans un démonstrateur de simulation. Une telle modélisation permet de générer des informations réalistes (efforts, déformations, trajectoires d'A/D,...) et de les utiliser dans l'étude/ évaluation adéquate et rapide des opérations d'A/D en se basant sur la méthodologie proposée. Cette méthodologie tient compte des spécificités dues à la simulation mécanique temps réel, à la caractérisation des propriétés du matériau, aux interfaces de RV, aux problèmes des modèles CAO. Ainsi, les problèmes de stabilité numérique et de recherche rapide de solutions adéquates, la validation expérimentale, les contraintes d'interfaçage en RV, la caractérisation d'A/D à travers des expérimentations physiques et numériques, etc. sont considérés dans ce mémoire. De nombreux tests et exemples montrent l'intérêt de la démarche proposée vis-à-vis des besoins industriels.

Les deux principaux problèmes à résoudre pour concevoir un simulateur dynamique interactif sont la détection de collisions entre les objets virtuels, et le calcul de leur mouvement contraint. La plupart des méthodes de détection de collisions sont discrètes : elles détectent seulement des interpénétrations entre les objets virtuels à des instants discrets successifs. Afin de détecter efficacement des collisions entre objets polyédriques rigides en continu, c'est-à-dire de calculer l'instant de premier contact entre eux et éviter les problèmes inhérents aux méthodes discrètes, nous proposons d'utiliser un mouvement intermédiaire arbitraire pour remplacer le mouvement réel de l'objet et obtenir des équations de détection de collisions faciles à résoudre. Nous présentons deux approches, fondées sur l'exploitation de mouvements intermédiaires arbitraires, qui permettent de détecter des collisions en continu entre objets polyédriques complexes en temps réel. Nous proposons ensuite d'ajouter des informations géométriques aux volumes englobants afin d'exploiter le mouvement de recul relatif des objets et accélérer significativement la détection de collisions lorsque les objets sont proches les uns des autres. La plupart des méthodes classiques de calcul de mouvement contraint sont formulées dans l'espace des contacts. Grâce au principe des moindres contraintes de Gauss, il est possible d'obtenir une formulation équivalente des problèmes dynamiques sans friction dans l'espace des mouvements. Nous montrons que cette formulation est plus avantageuse sur le plan algorithmique. Ceci nous incite à proposer un modèle de friction dans l'espace des mouvements. Les algorithmes proposés ont été implantés et rassemblés dans une librairie C++, CONTACT Toolkit. Nous présentons plusieurs applications de cette librairie, notamment à des cas industriels fournis par Renault et Airbus-EADS, ainsi que son utilisation dans la simulation avec retour d'efforts.

La téléprésence, ou la présence virtuelle, devient de plus en plus courante grˆace à l'évolution technologique, impliquant une ouverture du potentiel du télétravail. Ce dernier est fortement lié à la virtualité et à la téléprésence, donc aussi à la robotique et à l'informatique, autant qu'aux communications. Cette thèse étudie les méthodes et les outils nécessaires à la réalisation d'un système de télétravail via Internet. Dans un premier temps, nous présentons les tendances technologiques qui ont contribué à l'évolution du télétravail. Ensuite, nous nous intéressons à la téléopération et la télérobotique, nous verrons comment les techniques de la réalité virtuelle et augmentée ont contribué à percer certains verrous, liés généralement à la distance qui sépare les deux sites maˆýtre et esclave. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à l'assistance au télétravail via Internet. Nous étudions les méthodes et les outils nécessaires à la réalisation des guides virtuels portables et paramétrables en proposant ainsi le formalisme implanté. Dans un troisième temps, nous étudions les méthodes utiles pour un contrôle en réalité augment ée (modélisation d'environnement et calibration de la caméra et du robot). Nous présentons la méthode retenue pour le télétravail via Internet. Ensuite, nous présentons notre système expérimental de télétravail baptisé ARITI (Augmented Reality Interface for Telerobotic applications via Internet). Dans un quatrième temps, nous présentons deux applications, une pour la télémanipulation et l'autre, pour la téléopération d'un robot mobile. Enfin, dans un cinquième temps, Nous évaluons quelques tâches de téléopération ainsi que les méthodes de compression d'image vidéo utilisées. Nous montrons d'une part, la stabilité du serveur du système ARITI vis à vis des différentes connexions, locale, moyenne et grande distance. D'autre part, comment le retour prédictif distribué facilite à plusieurs opérateurs de télétravailler en coopération.

Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer correctement l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.

Le Web 3D atteint actuellement un nouveau stade de maturité grâce à la convergence de nouvelles technologies et l'émergence de nouveaux standards permettant l'exploitation du matériel graphique depuis les navigateurs Web. Malgré l'émergence de ces technologies, nous pouvons constater une faible pénétration des contenus 3D sur le Web, due entre autre au manque d'outils de création de haut niveau facilitant la production d'interfaces graphiques 3D pour le Web. Afin de palier ce manque, nous proposons un formalisme basé sur les technologies Web permettant de définir des métaphores complètes, attractives et efficientes pour la visualisation de grands ensembles de données, ainsi que la génération des interfaces graphiques 3D correspondantes. Ce formalisme doit être flexible en termes d'extensibilité, de modularité, de généricité en ce qui concerne les formats de données en entrée et en sortie du système, ainsi qu'en terme de gamme d'interfaces graphiques 3D pouvant être définies par le concepteur d'une interface Web. Le pipeline de création que nous proposons permet la description de métaphores de visualisation d'information prenant en compte à la fois la structuration des données (la façon dont l'utilisateur explore et accède aux données), et la présentation (la géométrie et la présentation des données) et les interactions utilisateur. Les interfaces générées peuvent être de complexité variable allant des interfaces graphiques 3D immersives à l'intérieur desquelles l'utilisateur final est représenté par un avatar et peut interagir avec d'autres utilisateurs, à des interfaces graphiques 3D très simples.

Ces travaux se placent dans le cadre de l'utilisation de la réalité virtuelle pour la conception et le développement de produits. Les revues d'intégration virtuelles utilisées, au niveau industriel, sont actuellement limitées à la revue de projet statique, sans possibilité de modification de la conception initiale. Nous proposons une méthode destinée à la revue de projet virtuelle, dont le but est de permettre à l'utilisateur de modifier le plus naturellement possible la maquette numérique depuis l'environnement virtuel. Cette méthode appelée D3 est basée sur trois étapes : une étape de sélection par dessin, une étape de déformation par manipulation de la zone sélectionnée et une étape de reprise qui permet aux ingénieurs de reprendre les modifications. Afin que la méthode soit un support de communication, elle se doit d'être simple, intuitive et utilisable par tous. Une expérimentation a été menée dans le but d'évaluer la méthode au niveau de la facilité d'apprentissage et des erreurs commises par les sujets lors d'une tâche de modification. Enfin, dans le but de faciliter le travail de reprise, cette méthode offre plusieurs moyens permettant aux ingénieurs de répliquer les modifications sur la maquette CAO.