Pour assurer un niveau de coopération acceptable entre les diff érents utilisateurs, il faut prendre en considération certains critères. Nous pouvons diviser ces critères selon deux catégories : la première est visuelle/psychologique et elle est souvent liée à l'utilisateur. Il s'agit de comprendre les interactions de l'autre utilisateur : que fait-il ? Que va-t-il faire ? Sur quoi interagit-il ? ... Pour comprendre tout cela il faut assurer que l'utilisateur ait un certain niveau de conscience de tout ce qui évolue dans l'environnement. Cette conscience est la connaissance de l'état de l'environnement qui est assurée à travers des métaphores visuelles signi catives, d'où le facteur psycho-cognitif. La deuxième catégorie est technique et elle est liée au réseau. Pour garantir la mise à jour de l'évolution de l'environnement virtuel il faut assurer la transmission d'informations liées à cette évolution dans les meilleurs délais. L'assurance de la réception des mises-à-jour nécessite à son tour une qualité de service réseau jugée acceptable en terme de latence et de bande pas- sante. Qu'arrive-t-il si cette qualité de service est interrompue à un moment donné ? Quel est l'impact d'un problème au niveau réseau sur la coopéra- tion ? Jusqu'à quel point ? Cette thèse a pour objectif d'essayer de répondre à ces questions en mettant l'accent sur les conséquences indésirables d'un problème réseau sur les environne- ments virtuels coopératifs. Nous allons suivre le problème réseau dès le moment de son apparition au niveau de la couche de transport, et tout le long de son passage par les di érentes couches qui composent les environnements virtuels distribués. Ces couches comportent : la couche de communication, le noyau du support d'exécution d'environnements virtuels, et enfi n la couche applicative en relation directe avec l'utilisateur. Sur chaque niveau nous étudions les eff ets provoqués par le problème réseau et nous proposons des solutions.

La réalité virtuelle est une technologie qui voit ses applications s'étendre à de nombreux domaines (médical, automobile, etc.). Cette thèse se place dans le contexte des espaces virtuels complètement immersifs, et a pour but d'étudier les effets des deux principaux types d'interfaces proposés (manette avec 6 degrés de liberté, et système de suivi de doigts) sur l'expérience des utilisateurs, dans le cadre de la manipulation d'objets 3D. Nous nous intéressons à des paramètres tels que la facilité d'utilisation, la sensation d'immersion, la rapidité et la précision offertes... Pour cela, nous proposons des expériences évaluant ces paramètres à travers des tâches dont le succès est mesurable, et qui ne sont pas spécifiques à un domaine. Dans une première étude, nous nous intéressons aux tâches complexes d'ordre général, faisant appel à des compétences requises dans les manipulations quotidiennes, telles que le fait d'attraper, de relâcher, de translater, de tourner et de maintenir en équilibre des objets tout en se déplaçant. Nous affinons ensuite notre étude en observant les effets de ces interfaces sur les mouvements eux-mêmes, en les décomposant en degrés de liberté individuels et groupés. Enfin, nous testons l'applicabilité de notre système de manipulation directe dans le cadre d'une étude préliminaire sur l'utilisation de la réalité virtuelle pour le traitement de la maladie d'Alzheimer. Ces études analysent les propriétés de ces interfaces dans le but de fournir des indications aidant au choix de l'interface la plus appropriée pour des applications futures.

Les environnements de réalité virtuelle devenant de plus en plus complexes et de très grandes dimensions, un niveau d'interaction temps-réel devient impossible à garantir. En effet, de par leur complexité, due à une géométrie détaillée et aux propriétés physiques spécifiques, ces environnements large échelle engendrent un goulet d'étranglement calculatoire critique sur les algorithmes de simulation physique. Nous avons focalisé nos travaux sur la première étape de ces algorithmes qui concerne la détection de collision, car les problématiques font partie intégrante de ce goulet d'étranglement et leur complexité peut parfois se révéler quadratique dans certaines situations. Le profond bouleversement que subissent les architectures machines depuis quelques années ouvre une nouvelle voie pour réduire le goulet d'étranglement. La multiplication du nombre de cœurs offre ainsi la possibilité d'exécuter ces algorithmes en parallèle sur un même processeur. Dans le même temps, les cartes graphiques sont passées d'un statut de simple périphérique d'affichage graphique à celui de supercalculateur. Elles jouissent désormais d'une attention toute particulière de la part de la communauté traitant de la simulation physique. Afin de passer au large échelle et d'être générique sur la machine d'exécution, nous avons proposé des modèles unifiés et adaptatifs de correspondance entre les algorithmes de détection de collision et les architectures machines de type multi-coeur et multi-GPU. Nous avons ainsi défini des solutions innovantes et performantes permettant de réduire significativement le temps de calcul au sein d'environnements large échelle tout en assurant la pérennité des résultats. Nos modèles couvrent l'intégralité du pipeline de détection de collision en se focalisant aussi bien sur des algorithmes de bas ou de haut niveau. Nos modèles multi-coeur, GPU et multi-GPU allient différentes techniques de subdivision spatiale à des algorithmes basés topologie ainsi que des techniques d'équilibrage de charge basées sur le vol de données. Notre solution hybride permet d'accroitre l'espace et le temps de calcul ainsi que le passage au large échelle. L'association de ces nouveaux algorithmes nous a permis de concevoir deux modèles d'adaptation algorithmique dynamique basés, ou non, sur des scénarios de pré-calcul hors-ligne. Enfin, il nous est apparu indispensable d'ajouter au pipeline de détection de collision une nouvelle dimension révélant la prise en compte des architectures pour une exécution optimale. Grâce à ce formalisme, nous avons proposé un nouveau pipeline de détection de collision offrant une granularité de parallélisme sur processeurs multi-coeur. Il permet une exécution simultanée des différentes étapes du pipeline ainsi qu'un parallélisme interne à chacune de ces étapes.

Un jeu pédagogique constitue une déclinaison relative à l'apprentissage du concept de jeu sérieux (serious game). Ce type d'outil permet la ludification (gamification) de l'activité afin d'utiliser des éléments de jeu dans un contexte non ludique et conduit à catalyser l'attention, faire accroître l'engagement et augmenter la motivation des joueurs-apprenants dans les situations d'apprentissage. Les jeux pédagogiques reposent sur la mise en situation et l'immersion des apprenants, utilisant les ressorts ludiques dans des simulations axées vers la résolution de problèmes. Parmi des recherches antérieures, certains retours d'expériences font écho d'une trop grande artificialité de l'activité notamment par manque de contextualisation de l'apprentissage dans l'environnement d'utilisation des connaissances apprises. Nous avons proposé la mise en place un environnement mixte (physique et numérique) et l'utilisation de techniques collaboratives pour raffiner l'approche pédagogique. Ces orientations nous ont menés à la mise en place de ce que nous appelons des "Jeux Pédagogiques Collaboratifs Situés " (JPCS). Les deux questions de recherche qui nous ont été posées dans le cadre du projet SEGAREM et qui sont devenues les nôtres sont : 1/ comment accompagner les jeux sérieux par l'approche Réalité Augmentée (RA) et l'approche Interface Tangible (IT)? 2/ comment rendre la conception et la mise en œuvre des JPCS (Jeux Pédagogiques Collaboratifs Situés) plus explicite et plus systématique ? Les réponses que nous présentons dans cette thèse sont les suivantes : 1/ la conception et la mise en œuvre des pupitres interactifs supportant des objets réels augmentés, associés à un protocole de communication existant, proposant un support générique des techniques d'interaction détectée et de prise en compte du contexte physique d'utilisation ; 2/ une approche de production de JPCS se situant après l'étape de scénarisation ludo-pédagogique qui constitue notre cahier des charges. Nous avons basé notre approche sur des modèles pour permettre un support d'expression qui précise les caractéristiques des JPCS. Ces modèles sont soutenus par des éditeurs contextuels et produisent comme résultat des fichiers de descriptions en XML. La projection des descriptions obtenues sur une architecture générique d'exécution du JPCS permet une spécialisation pour obtenir une version exécutable. Dans les six modèles, certains sont adaptés des travaux antérieurs de l'équipe, d'autres issues de la littérature et les derniers sont directement proposés ici. Ces six modèles décrivent l'activité (un modèle d'orchestration de l'activité et un modèle de tâches), la structure de différents environnements, l'état initial de l'environnement et les conditions nécessaires d'un état final et les interactions possibles entre les joueurs et l'environnement. Nos travaux tant sur les pupitres que sur les modèles et le support d'exécution ont été concrétisés dans la mise en place de Lea(r)nIt. Ce JPCS avait pour but de consolider des acquis méthodologiques en Lean Manufacturing par l'utilisation et l'optimisation d'une chaîne de production simulée sur pupitres (supportant interactions tactiles, interactions tangibles et pouvant être assemblés) et sur téléphones mobiles (permettant la mobilité des joueurs-apprenants).

Nous présentons une approche de rendu à base d'images qui permet, à partir de photos, de naviguer librement et générer des points de vue quelconques dans des scènes urbaines. Les approches précédentes se basent sur un modèle géométrique complet et précis de la scène. La qualité des résultats produits par ces méthodes se dégrade lorsque la géométrie est approximative. Dans cette thèse, nous proposons une approximation basée sur l'image pour compenser le manque de précision de la géométrie. Dans une première approche, nous utilisons une déformation discontinue des photos guidée par des cartes de profondeur quasi-denses, ce qui produit de meilleurs résultats que le plaquage de texture utilisé par les méthodes précédentes, en particulier lorsque la géométrie est imprécise. Cette approche nécessite quelques indications utilisateur pour identifier les bordures d'occlusion dans les photos. Nous proposons ensuite une méthode entièrement automatique basée sur la même idée de déformation d'image. Cette méthode permet de traiter des scènes plus complexes avec un plus grand nombre de photos. Nous évitons l'intervention utilisateur en sur-segmentant les images d'entrées pour former des superpixels. Nous déformons chaque superpixel indépendamment en utilisant l'information de profondeur clairsemée. Nous proposons également un algorithme de synthèse de profondeur approximative pour traiter les zones de l'image où la géométrie n'est pas disponible. Nous comparons nos résultats à de nombreuses approches récentes et montrons que notre méthode permet une navigation virtuelle libre. Nous avons aussi étudié les défauts du rendu à base d'images d'un point de vue perceptif. Dans une première études controlées, nous avons évalué la perception des distorsions de perspective produites lorsqu'une seule image est projetée sur une géométrie planaire. Les données obtenues lors de cette étude nous ont permis de développer un modèle quantitatif permettant de prédire les distorsions perçues en fonction des paramètres de capture et de visualisation. Dans une autre étude nous comparons les défauts visuels produits par des transitions d'images douces ou abruptes. Nous avons déduit de cette étude des conseils pour choisir le meilleur compromis entre les deux types de transition. Ces deux études ont motivé des choix de conception de nos algorithmes de rendu à base d'images. Enfin, nous démontrons l'utilisation de notre approche pour la thérapie cognitive, ce qui représente la première application de réalité virtuelle à base d'images. Notre méthode permet de réduire considérablement le coût de modélisation 3D d'une scène de réalité virtuelle tout en produisant des visites virtuelles très réalistes.

Cette thèse de doctorat développe un questionnement de nature épistémologique à propos du domaine architectural et des connaissances qui lui sont associées. La théorie architecturale se distingue par la grande diversité de ses formes, par la multiplicité des acteurs qui la mobilisent et surtout par la grande complexité de l'objet qu'elle vise :l'œuvre architecturale. Pour pouvoir aborder de manière lucide ces différents filtres, nous proposons d'en décoder les origines pour une notion théorique particulière: le contexte de l'œuvre architecturale.<p>Le contexte d'une œuvre rassemble l'ensemble des conditions matérielles, sociocognitives et culturelles qui contribuent à sa signification. Cependant l'interprétation d'un contexte est souvent faite de manière équivoque tant les sources du sens sont multiples et variées pour l'architecture. <p>Un examen rapide de l'évolution de la culture architecturale dans le courant du 20e siècle permet de situer la grande popularité de la question du contexte dans la seconde moitié de ce siècle. L'importance du contexte y apparaissait comme une force effective pour endiguer la crise du sens que connaissait l'architecture. Une sensibilité commune émergea au sein de trois courants architecturaux – appelés dans cette étude la Team 10, les Italiens et les Américains. Tous fondaient leurs interprétations sur l'idée que les conditions matérielles et historiques d'une situation donnée participent à la signification que prend l'œuvre architecturale chez ses habitants. Ils en déduisirent une série de notions originales qui constituent l'objet de cette étude.<p>Au moment du repli théorique amorcé au moment du postmodernisme, ces interprétations furent formalisées au sein de trois doctrines :le structuralisme, le rationalisme et le contextualisme. Dans ce cadre doctrinal, à chaque situation donnée pouvaient correspondre plusieurs contextes élaborés a priori et conditionnant sans détour l'œuvre architecturale qui y prenait place. Ainsi, alors que la signification d'un contexte est liée à sa spécificité, ces interprétations formalisées encourageaient la reproduction de stratégies d'interventions architecturales abstraites de toute contingence. <p>La critique du postmodernisme expliqua ces pratiques caricaturales par l'oubli du rôle actif des auteurs architectes dans le travail d'interprétation du contexte d'une œuvre. Un contexte ne doit pas être interprété seulement en tant que réalité habitée – trouvant son sens chez les habitants de l'œuvre – mais aussi en tant que réalité projetée. – trouvant son sens dans la conception de l'œuvre. <p>La première hypothèse de cette recherche avance qu'au sein des trois courants à l'origine des doctrines du structuralisme, du rationalisme et du contextualisme s'exprimait consciemment cette différence entre réalité habitée et réalité projetée. Si les formalisations doctrinales écartèrent l'importance de l'engagement créatif des architectes dans l'interprétation d'un contexte n'avait pas été oubliée chez les principaux auteurs de ces trois courants. La seconde hypothèse de cette recherche avance que l'interprétation d'un contexte en tant que réalité projetée est nécessaire pour renouveler le sens de l'œuvre qui y est associée. Par l'engagement de l'auteur architecte, peut naître une relation spécifique entre l'œuvre architecturale et son contexte, spécificité garante de la signification.<p>Ces deux hypothèses s'appuient sur deux développements. D'abord un double inventaire des principales notions relatives à la compréhension du contexte de l'œuvre architecturale en tant que réalité habitée et en tant que réalité projetée. Ces inventaires sont illustrés par quelques projets exemplaires traduisant l'impact de ces interprétations sur l'architecture construite. Ensuite par une réflexion théorique plus générale développant la relation possible entre la connaissance architecturale et l'œuvre au sein d'une réalité projetée. A la suite de ce second développement de nature épistémologique, nous avançons que par la nature intermédiaire que prennent les connaissances dans le cadre d'une réalité projetée, il s'instaure une relation de réciprocité – et non pas d'autorité - entre le théorique et le pratique.<p> / Doctorat en Art de bâtir et urbanisme / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour but de développer un système de réalité virtuelle d'aide à la réalisation et à l'évaluation d'exercices physiques. La notion d'exercice physique étant très large, nous avons pris le parti de cibler des exercices réalisés dans le cadre médical de traitements de rééducation fonctionnelle. Dans un premier temps, nous avons mis au point un socle technologique et algorithmique basé sur du matériel standard, peu coûteux, simple à installer et à utiliser. Il met en place les fondations nécessaires pour le développement d'applications de réalité virtuelle destinées à supporter et à superviser des exercices de rééducation, qu'ils soient réalisés dans un centre de rééducation, dans le cabinet d'un kinésithérapeute, ou à domicile. Sur base de ce socle, nous avons ensuite développé deux applications de rééducation ciblant des pathologies différentes. La première application est destinée aux patients atteints de douleurs neuropathiques telles que les douleurs fantômes (DF) chez les amputés ou le Syndrome Douloureux Régional Complexe (SDRC). Grâce à la réalité virtuelle, nous donnons l'illusion au patient qu'il peut à nouveau bouger son membre amputé ou pathologique, réduisant ainsi l'intensité des douleurs. La seconde application a pour but d'offrir au thérapeute et au patient un outil de quantification des mouvements réalisés dans le cadre d'exercices de rééducation motrice. Les mesures ainsi obtenues vont permettre d'aider le médecin à identifier et à objectiver le diagnostic d'une pathologie du mouvement, et, par la suite, vont permettre au kinésithérapeute d'en suivre l'évolution tout au long du traitement de rééducation. Pour chacune de ces applications, un algorithme spécifique de suivi de mouvements, basé sur le socle commun, est au cœur de la solution mise en œuvre. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les besoins grandissant en santé rendent des technologies comme la téléprésence à domicile de plus en plus intéressantes. Cependant, dans le domaine des interfaces humains-machines, il est souvent noté que négliger la façon dont est présentée l'information provenant du robot peut nuire à l'opérateur dans sa compréhension de la situation, ce qui entraîne une efficacité réduite. C'est en considérant la façon dont est traitée l'information chez l'opérateur que nous arriverons à développer une interface permettant d'allouer le maximum des capacités cognitives de l'opérateur à la tâche. De plus, les développements récents de matériel à haute performance et à coûts réduits nous permettent de mettre en oeuvre des techniques modernes de traitement d'images en temps réel. Nous proposons donc de développer un système flexible pour étudier les différentes façons de présenter l'information pertinente à la navigation efficace d'une plateforme robotique mobile. Ce système est basé sur une reconstruction en trois dimensions de l'environnement parcouru à partir des lectures de capteurs retrouvés couramment sur ces plateformes. De plus, l'utilisation d'une caméra vidéo stéréoscopique permet de reproduire l'effet de perspective tel qu'une personne sur place le percevrait. La présence d'un flux vidéo est souvent appréciée par les opérateurs et nous croyons que d'ajouter la profondeur dans notre reproduction de celui-ci est un avantage. Finalement, la caméra virtuelle de l'interface peut être continuellement réorientée de façon à fournir une perspective soit égocentrique, soit exocentrique, selon les préférences de l'opérateur. Nous validons l'utilisation de ce système en évaluant selon différentes métriques les performances d'opérateurs, autant néophytes qu'experts en robotique mobile, de façon à bien cibler les besoins fonctionnels de ce genre d'interfaces et leurs évaluations avec des populations-cibles. Nous croyons que la flexibilité quant au positionnement de la caméra virtuelle de l'interface demeure l'aspect le plus important du système. En effet, nous nous attendons â ce que cela permette à chaque opérateur d'adapter l'interface à ses préférences et les tâches en cours pour qu'il effectue son travail le plus efficacement possible. Bien que nous n'incluons pas de tâches spécifiques au domaine de la télésanté dans nos expérimentations, nous croyons que les observations de ce travail quant à la téléopération en général pourront s'appliquer éventuellement à ce domaine en particulier.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit à la fois dans le domaine de l'informatique musicale et dans celui de la réalité virtuelle. Nous présentons tout d'abord les avantages des environnements virtuels immersifs et de l'interaction graphique 3D pour les instruments multi-processus et en particulier pour le live-looping hiérarchique, un nouveau modèle d'instrument que nous définissons. Nous proposons ensuite des solutions pour la visualisation et la manipulation des processus sonores dans ces environnements virtuels. Afin de représenter les processus sonores, nous introduisons les widgets réactifs 3D qui s'appuient sur des mappings audiovisuels que nous évaluons. Nous développons un nouveau dispositif d'interaction 3D adapté à l'interaction musicale, appelé Piivert, ainsi que des techniques associées, dont les tunnels afin de manipuler les widgets réactifs 3D. Finalement, nous mettons en œuvre le live-looping hiérarchique avec l'instrument immersif Drile, en utilisant les techniques développées précédemment, et nous étudions plusieurs scènes pour les performances musicales immersives.

L'une des finalités de la Biologie Moléculaire (BM) est l'étude de l'architecture spatiale (ie. structure 3D) des molécules. Les expérimentations in silico (ie. simulations numériques) permettant la modélisation 3D utilisent le plus souvent des approches automatiques. Or, ces approches présentent certains inconvénients: temps de traitement important, modélisation souvent partielle, modèle 3D généralement figé, etc. L'apport des connaissances des experts, de manière interactive, pendant le processus de modélisation automatique peut pallier certains défauts des méthodes calculatoires usuelles. Il s'agit de placer le biologiste au centre des essais virtuels plutôt qu'en observateur de résultats de simulations. C'est ce que nous appelons l'approche hybride, qui associe les avantages des expérimentations in silico (capacité de calcul) à ceux des Interactions Homme-Machine (IHM) et de la Réalité Virtuelle (RV) : commande naturelle, immersion dans l'environnement virtuel (EV), multimodalité, etc. Le résultat de cette approche est la création d'analyses in virtuo, qui comportent trois phases fondamentales: la modélisation 3D, la visualisation et l'interaction 3D (I3D). Cependant, des domaines complexes tels que la BM sont régis par un ensemble de contraintes qui peuvent être locales (liées aux objets 3D ou aux tâches d'I3D) et globales (liées à l'espace des objets 3D ou au système d'I3D). Par conséquent, l'intervention des experts ne peut pas être réalisée efficacement par des techniques d'I3D classiques, indépendantes de la complexité et des contraintes du domaine. Plus généralement, nous sommes confrontés au problème innovant de l'I3D sous contraintes qui intègre les règles de comportement imposées par l'EV. Pour y répondre, nous formalisons un modèle d'assistance qui associe les contraintes, les tâches d'interaction et des outils d'assistance que sont les guides virtuels. Nous avons appliqué ces deux concepts, d'approche hybride et d'assistance à l'I3D sous contraintes, au problème de la modélisation 3D du chromosome. Les contraintes identifiées sont ici architecturales (ie. données physico-chimiques) et fonctionnelles (ie. modèles biologiques). Ces contraintes issues des lois de la Biologie imposent l'ordonnancement spatial du chromosome. Le système d'interaction Hommme-Molécule in virtuo proposé peut être considéré plus crédible puisqu'il respecte les contraintes environnementales, tant au niveau de la structure 3D qu'au niveau de l'I3D.