La simulation réaliste de foule est un problème ouvert et difficile à cause de la multitude d'informations qui sont prises en compte par un humain pour déterminer sa trajectoire de marche. Dans cette thèse nous cherchons à modéliser puis à simuler de manière aussi réaliste que possible les interactions de suivis entre individus se déplaçant dans les foules. Nous proposons une approche en trois grandes étapes. Dans un premier temps, nous constituons une base de données cinématiques pour observer le comportement de suivi lors du déplacement de groupes de piétons à partir d'un procédé expérimental original utilisant la technologie de capture de mouvements optoélectronique. Le traitement des données acquises requiert le développement d'une méthode spécifique de reconstruction des données brutes. La base de données ainsi obtenue représente le premier résultat de notre travail. Dans un deuxième temps, nous proposons une analyse détaillée de ces données. Nous mettons en évidence d'une part, la nature des interactions locales entre les sujets, et d'autre part les phénomènes globaux qui émergent de la combinaison de ces interactions dont en particulier la formation de vague de vitesses qui se propagent. Cette analyse constitue notre deuxième résultat majeur et conduit à notre troisième et dernier résultat : un modèle numérique d'interaction locale de suivi que nous calibrons sur les données expérimentales acquises. Les résultats de simulation sont finalement évalués quant à leur capacité à reproduire les phénomènes macroscopiques observés et analysés. Enfin, nous montrons des cas d'usage pratique de notre modèle.

Le but de la thèse est d’améliorer les simulations de foule dans des situations complexes. Notamment, de comprendre comment les êtres humains naviguent en évitant les collisions avec plusieurs personnes. Pour cela, des expériences furent menées avec l’aide de la réalité virtuelle avec des participants qui devaient naviguer dans un environnement peuplé de plusieurs individus. Les données récoltées durant ces expériences ont été analysées, notamment les trajectoires et les adaptations effectuées par les participants pour éviter des collisions. Le regard des participants a aussi été étudié pour comprendre comment un être humain choisie avec qui interagir. Ces analyses ont permis de mieux comprendre comment les êtres humains réagissent face à des situations complexes. Enfin, avec l’aide de ces analyses, des algorithmes ont été créés pour reproduire la navigation des êtres humains et simulé des foules avec de nombreux humains virtuelles se comportant comme des vrais êtres humains. / The goal of this thesis has been to improve crowd simulation for complex situations. Especially, we tried to understand how humans combine many interactions, during the avoidance of multiple targets for example, and to model this combination process. Some experiments have been performed using Virtual Reality with participants navigating through a heavy populated environment. Data have been recorded and analyzed, especially the trajectories and adaptations made by participants to avoid collisions. The gaze of the participants has also been studied to better understand how humans select the target to interact with. These analyses have helped us better understand how human interact during complex situations. Using these results, algorithms have been designed to reproduced human like navigation and simulate crowd with many virtual human acting like real one.

La simulation constitue une approche majeure pour la conception, le développement, l’analyse et l’évolution des systèmes urbains. Dans le contexte de cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation des déplacements de flux (piéton, véhicule, cycle) au sein d’environnements urbains. Le contexte industriel dans lequel s’inscrit également cette thèse impose de considérer les déplacements de chaque entité dans un univers modélisé en trois dimensions. Nous proposons d’aborder les nombreux défis scientifiques et technologiques en modélisant les flux sous la forme d’entités autonomes appelées agents. La simulation orientée-agent nécessite de définir trois mécanismes principaux : le comportement des agents, leurs interactions avec les autres agents et leurs interactions avec l’environnement dans lequel ils évoluent. Ce dernier modélise la structure du monde ainsi que sa dynamique endogène. Malheureusement, il reste difficile de trouver des modèles d’environnement répondant aux différentes problématiques scientifiques et technologiques abordées dans cette thèse. Par conséquent, nous proposons un modèle d'environnement, nommé HEDGE (HEterogenous Dual Graph Environment). Il est basé sur une décomposition de l’environnement en zones reliées par des liens de navigation et de perception. Cette structure de graphe est au centre de notre modèle. Elle a été conçue pour permettre une modélisation naturelle de l’environnement et une simulation efficace du système constitué par cet environnement et les agents. Les missions et les processus dynamiques de l’environnement sont modélisés à l’aide de mécanismes inspirés des lois de la Physique. Les actions fournies par les agents et par les algorithmes calculant la dynamique endogène de l’environnement sont des forces à appliquer aux objets du monde. Un modèle de détection et de résolution de conflits entre ces forces est utilisé afin de garantir un état cohérent du modèle de l’environnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous illustrons l’utilisation du modèle HEDGE dans le cadre de deux projets d’aménagement de la ville de Belfort et de sa communauté d’agglomérations Le produit de l’application de ce modèle est utilisé à des fins d’études techniques (études préliminaires, avant-projet), de communication (concertations et débats publics) et de promotion (expositions, valorisation) sous la forme de logiciels interactifs en 3D. / Simulation constitutes a major approach for the conception, development, analysis and evolution of urban systems. This thesis focusses on the modeling and simulation of movements (pedestrian, vehicle, cycle) within urban environments. The industrial context associated with this thesis requires to consider the movements of each entity in a three dimensional universe. In this thesis, we propose to address the scientific and technological challenges by using autonomous entities, called agents, to model the individuals. In agent-based simulation three elements must be defined: the agent behaviors, their interactions with other agents, and with the environment. The environment models the structure of the world and its endogenous dynamics. Unfortunately, it is still difficult to find an environment model that answers all the different scientific and technological problems addressed in this thesis. Consequently, an environment model named HEterogenous Dual Graph Environment (or HEDGE) is proposed. The HEDGE model is based on a decomposition of the environment using zones that are linked with navigation and perception links. This graph structure is at the center of our model. It is designed to “naturally” model the environment, and it allows an efficient simulation of the system composed of the environment and the agents. The environment’s missions and dynamic processes are modeled using mechanisms, which are inspired by the laws of Physics. The actions provided by the agents and the endogenous dynamics algorithms correspond to physical forces to apply to objects in the world. A model of conflict detection and resolution between those forces is used to ensure the coherence of the environment model state. In the last part of this thesis, the HEDGE model is used in the context of two urban planning projects in the city of Belfort, and its metropolitan area. The product of this model’s application is used in the context of technical studies (preliminary studies, pre-project), communication (consultation and public debates) and promotion (exposition, valorization) in the form of interactive 3D software.