Within Virtual Reality Environments (VREs), spatial relationships among objects convey fundamental knowledge about the environment, namely direction ("left", "right", "front of"), distance ("near", "far"), topology ("inside", "disjoint"), and projection ("between", "surrounded by"). Modelling spatial relationships is critical in a variety of applications of VREs, such as human learning environments, virtual museums, or navigation-aids systems. However, spatial relationships have been considered as abstract information and thus, difficult to specify. Addressing this issue, this thesis proposes an approach to model spatial relationships among virtual objects in VREs. First, we formalise a formal model of spatial relationships dedicated to VREs. Second, we provide a language and a framework to specify spatial relationships at a conceptual level. Finally, we apply our model to specify spatial relations in two real applications: Virtual Physics Laboratory -- a VRE for learning physics, and BrestCoz -- an application for visiting Brest harbour in the 18th century. We claim that the proposed language is a relevant basis to specify spatial constraints related to activities of agents and users within VREs.

Dans des environnements de réalité virtuelle, les relations spatiales entre les objets transmettent les connaissances fondamentales sur l'environnement, par exemple la direction (« à gauche », « à droite »), la distance (« proche », « loin »), la topologie (« disjoint », « en contact »), et la projection (« entre », « entourée par »). La modélisation des relations spatiales est essentielle dans une grande variété d'applications de réalité virtuelle, tel que des environnements d'apprentissage humain, des musées virtuels, des systèmes d'aides à la navigation. Cependant, les relations spatiales ont été considérées comme des informations abstraites et donc, difficiles à spécifier. Afin d'aborder cette question, cette thèse propose une approche pour modéliser les relations spatiales entre les objets virtuels dans des environnements de réalité virtuelle. Nous formalisons un modèle formel des relations spatiales dédié aux environnements de réalité virtuelle. Ensuite, nous proposons un langage et un cadre pour spécifier les relations spatiales à un niveau conceptuel. Enfin, nous appliquons notre modèle pour spécifier les relations spatiales dans deux applications réelles : TPPhysique – un environnement d'apprentissage humain des exercices de physiques, et BrestCoz – une application pour visiter le port de Brest au 18ème siècle. Nous montrons que le langage proposé est une base pertinente pour spécifier des contraintes spatiales liées aux activités des agents et des utilisateurs dans les environnements de réalité virtuelle. / Within Virtual Reality Environments (VREs), spatial relationships among objects convey fundamental knowledge about the environment, namely direction ("left", "right", "front of"), distance ("near", "far"), topology ("inside", "disjoint"), and projection ("between", "surrounded by"). Modelling spatial relationships is critical in a variety of applications of VREs, such as human learning environments, virtual museums, or navigation-aids systems. However, spatial relationships have been considered as abstract information and thus, difficult to specify. Addressing this issue, this thesis proposes an approach to model spatial relationships among virtual objects in VREs. First, we formalise a formal model of spatial relationships dedicated to VREs. Second, we provide a language and a framework to specify spatial relationships at a conceptual level. Finally, we apply our model to specify spatial relations in two real applications: Virtual Physics Laboratory -- a VRE for learning physics, and BrestCoz -- an application for visiting Brest harbour in the 18th century. We claim that the proposed language is a relevant basis to specify spatial constraints related to activities of agents and users within VREs.

Ce travail de thèse se situe dans le cadre du projet Terra Dynamica visant à peupler une ville virtuelle avec des agents qui simulent des piétons et des véhicules. L’objectif de notre travail est de rendre l’environnement compréhensible par les agents de la simulation afin qu’ils puissent exhiber des comportements crédibles. Les premiers travaux qui ont été proposés pour la modélisation sémantique des environnements virtuels gardent toujours un lien de dépendance avec la représentation graphique pré-existante de l’environnement. Cependant, l’information sémantique représentée dans ce genre d’approches est difficilement exploitable par les agents pour effectuer des procédures de raisonnement complexes en dehors des algorithmes de navigation. Nous présentons dans cette thèse un modèle de représentation de la sémantique de l’environnement qui fournit aux agents des données sur l’utilisation des objets de l’environnement pour permettre au mécanisme d’aide à la décision de produire des comportements crédibles. Par ailleurs, en réponse à des contraintes inhérentes à la simulation urbaine, notre approche est capable de traiter un grand nombre d’agents, en temps réel. Notre modèle est basé sur le principe que les objets de l’environnement proposent des services permettant de réaliser les actions avec différentes qualités. Nous avons donc représenté les informations sémantiques des objets liées à leur utilisation sous forme de services dans une ontologie de services. Nous avons utilisé cette ontologie de services pour calculer une qualité de service QoS qui nous permet de trier les différents objets permettant de réaliser une même action. Ainsi, nous pouvons comparer entre les services proposés par les objets pour proposer aux agents les meilleurs objets leur permettant de réaliser leurs actions afin d’acquérir une crédibilité comportementale. Afin d’évaluer l’impact de notre modèle sur la crédibilité des comportements produits, nous avons défini un protocole d’évaluation dédié aux modèles de représentation de la sémantique dans les environnements. Dans ce protocole, des observateurs doivent évaluer le caractère crédible des comportements produits par le simulateur à partir d’un modèle sémantique de l’environnement. Grâce à cette évaluation, nous montrons que notre modèle permet de simuler des agents dont le comportement est jugé comme crédible par des observateurs humains. Nous présentons également une évaluation qualitative de la capacité de notre modèle de passer à l’échelle et de répondre aux contraintes d’une simulation temps-réel. Cette évaluation, nous a permis de montrer que les caractéristiques de l’architecture de notre modèle nous permettent de répondre en un temps raisonnable aux demandes d’un grand nombre d’agents. / This work is part of the Terra Dynamica project whose objective was to populate a virtual city with agents that simulate pedestrians and vehicles. The aim of our work is to make agents which understand their environment so they can produce credible behaviors The first proposed solutions for the semantic modeling of virtual environments still keep a link with the pre-existing graphic representation of the environment. However, the semantic information represented in this kind of approach is difficult to use by the agents to perform complex reasoning procedures outside the navigation algorithms. In this thesis we present a semantic representation model of the environment that provides the agents with data on the use of environmental objects in order to allow the decision mechanism to produce credible behaviors. Furthermore, in response to the constraints that are inherent to the urban simulation, our approach is capable of handling a large number of agents in real time. Our model is based on the principle that environmental objects provide services for performing actions with different qualities. We have therefore represented the semantic information of the objects related to their use, as services in an ontology of services. We used this ontology of services to calculate a QoS which allows us to sort the different objects which all perform the same action. Thus, we can compare between the services offered by different objects in order to provide the agents with the best objects that allow them to carry out their actions and exhibit behavioral credibility. To assess the impact of our model on the credibility of the produced behaviors, we defined an evaluation protocol for the semantic representation of virtual environment models. In this protocol, observers must assess the credibility of behaviors produced by the simulator using a semantic model of the environment. Through this evaluation, we show that our model can simulate agents whose behavior is deemed credible by human observers. We also present a qualitative assessment of the ability of our model to scale and meet the constraints of a real-time simulation. This evaluation allowed us to show that the characteristics of the architecture of our model allow us to respond in a reasonable amount of time to requests from a large number of agents.