Ce document explore l'utilisation de méthodes de planification automatique dans des simulations interactives. Lors de simulations de montage et de démontage de composants industriels en environnement virtuel, l'utilisateur peut nécessiter une assistance. Cette assistance est réalisée par l'utilisation d'une solution de planification de trajectoire en temps réel. Cette solution permet la construction interactive d'une chemin par la combinaison de l'avis de l'utilisateur avec la performance de planificateurs automatiques. / This PhD thesis explores the use of motion planning methods in interactive simulations. In the context of assembling and disassembling simulations of industrial components using haptic devices, the user may require assistance to find collision free paths. This assistance can be provided using real time interactive path planning methods. Our solution allows an interactive construction of free paths by combining the opinion of the user with the performance of fast modified automatic path planners.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le contrôle de caméra virtuelle est aujourd'hui un composant essentiel dans beaucoup d'applications d'infographie. Malgré cette importance, les approches actuelles restent limitées en terme d'expressivité, d'interactivité et de performances. Typiquement, les éléments de style ou de genre cinématographique sont difficiles à modéliser et à simuler dû à l'incapacité des systèmes actuels de calculer simultanément des points de vues, des trajectoires et d'effectuer le montage. Deuxièmement, elles n'explorent pas assez le potentiel créatif offert par le couplage potentiel d'un humain et d'un système intelligent pour assister les utilisateurs dans une tâche complexe de construction de séquences cinématographiques. Enfin, la plupart des approches existantes se basent sur des techniques d'optimisation dans un espace de recherche 6D, qui s'avèrent coûteuses et donc inadaptées à un contexte interactif. Dans cette thèse, nous proposons tout d'abord un cadre unique intégrant les quatre aspects clés de la cinématographie (le calcul de point de vue, la planification de trajectoires, le montage et la visibilité). Ce cadre expressif permet de simuler certaines dimensions de style cinématographique. Nous proposons ensuite une méthodologie permettant de combiner les capacités d'un système automatique avec une interaction utilisateur. Enfin, nous présentons un modèle de contrôle de caméra efficace qui réduit l'espace de recherche de 6D à 3D. Ce modèle a le potentiel pour remplacer un certain nombre de formulations existantes. / Virtual camera control is nowadays an essential component in many computer graphics applications. Despite its importance, current approaches remain limited in their expressiveness, interactive nature and performances. Typically, elements of directorial style and genre cannot be easily modeled nor simulated due to the lack of simultaneous control in viewpoint computation, camera path planning and editing. Second, there is a lack in exploring the creative potential behind the coupling of a human with an intelligent system to assist users in the complex task of designing cinematographic sequences. Finally, most techniques are based on computationally expensive optimization techniques performed in a 6D search space, which prevents their application to real-time contexts. In this thesis, we first propose a unifying approach which handles four key aspects of cinematography (viewpoint computation, camera path planning, editing and visibility computation) in an expressive model which accounts for some elements of directorial style. We then propose a workflow allowing to combine automated intelligence with user interaction. We finally present a novel and efficient approach to virtual camera control which reduces the search space from 6D to 3D and has the potential to replace a number of existing formulations.

Avec l'expansion de l'informatique dans tous les domaines de la vie courante, les interactions avec des agents virtuels sont devenues courantes. Par ailleurs, nous savons que les émotions influencent les interactions entre individus. Dans cette thèse, nous nous plaçons dans le cas de la marche expressive non contrainte pour étudier, dans un premier temps, l'influence des émotions sur les interactions entre deux marcheurs réels. Puis, dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux interactions entre un marcheur expressif virtuel et un sujet réel. La première étape de ce travail a consisté à concevoir et valider un protocole expérimental permettant l'analyse de marches expressives non contraintes. Nous avons ainsi capturé les mouvements de deux acteurs dans des tâches de marche seul ou en groupe. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié les données de marche en groupe afin de mettre en évidence l'émergence d'un comportement de synchronisation entre les marcheurs de type meneur-suiveur. Nous avons également montré que les caractéristiques des émotions (comme le dialogue par exemple) peuvent avoir une influence sur cette synchronisation. Enfin, dans la troisième et dernière partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence des émotions sur les interactions entre un humain virtuel et un humain réel. Pour cela, nous avons adopté une démarche en trois étapes : conception et analyse d'une base de données de marches expressives entre deux acteurs réels en ligne droite ; validation de la base de données par une étude en perception ; animation d'un humain virtuel grâce aux données de la base de données puis analyse de la marche entre des sujets réels et l'humain virtuel. Les résultats obtenus ont montré une forte similarité entre les deux situations. / With the growing of information technologies in all everyday life situations, interactions with virtual agents are now common. Furthermore, we know that people's emotions influence interactions between them. In this thesis, we consider the case of unconstrained and expressive walk to study the influence of emotions on interactions between two real walkers. Then, we focus on the interactions between a virtual expressive human and a real subject. The first step of this work was to design and validate an experimental protocol allowing the analysis of unconstrained and expressive walks. Thus, we captured the motion of two actors walking alone and walking together. In the second part, we studied the data from the group walk situation and we highlighted the emergence of a leader-follower behavior between the walkers. We also showed that the characteristics of the emotions (eg dialogue) have an influence on this kind of synchronization. Last and not least, we studied the influence of emotions on interactions between a virtual human and a real one. We used a three-step process : creation and analysis of a database of expressive walks along a line between two walkers ; validation of the database through a perceptual study ; animation of a virtual human with the data from the database and analyze of the walk between real subjects and the virtual human. Results showed a strong similarity between the two situations.

La thématique centrale de notre thèse concerne l’étude du transfert de connaissances acquises dans des situations virtuelles (environnements virtuels ou EVs) vers des situations de la vie quotidienne. Plus particulièrement, nous nous sommes intéressés à l’effet du mode de navigation en EV (i.e., avec ou sans joystick) sur la qualité du transfert de connaissances spatiales (un parcours à apprendre). La littérature relative à cet effet révèle des résultats contradictoires, et nous proposons d’apporter des éléments d’explication en examinant les interactions possibles entre le mode de navigation et d’autres facteurs susceptibles d’affecter les performances. Ainsi l’effet du mode de navigation sur le transfert virtuel-réel a été testé en interaction avec les facteurs suivants : la fidélité visuelle de l’EV (Exp. 1), la complexité informationnelle du parcours à apprendre (Exp. 2) et le délai de rétention (Exp. 3 et 4). Le transfert virtuel-réel et les connaissances spatiales ont été mesurés à l’aide de trois tâches de rappel : Wayfinding (i.e., reproduction du parcours appris dans la réalité), dessin à main levé du parcours et classification de photos dans l’ordre chronologique. Nos résultats montrent que l’impact du mode de navigation sur la qualité du transfert n’est pas le même selon les facteurs manipulés (i.e., fidélité visuelle, complexité du parcours et délai de rétention) et selon la tâche de rappel utilisée. Ces résultats nous ont permis de préciser le lien entre exploration active et systèmes représentationnels notamment à la lumière des théories sur le traitement cognitif d’informations spatiales (i.e., le modèle L-R-S et l’approche des graphes). Ces résultats permettent également de préciser les situations favorisant le transfert virtuel-réel, ce qui offre un intérêt particulier dans les enjeux notamment d’utilisation de la réalité virtuelle dans le diagnostic et/ou la réhabilitation cognitive. / The main theme of this thesis is the transfer of knowledge acquired in virtual situations (virtual environments or VEs) to situations in everyday life. We focused particularly on the effect of the navigation mode in VE (i.e., with or without joystick) on the quality of the transfer of spatial knowledge (learning a pathway). Previous publications on this effect presented contradictory findings and our aim was to elucidate this situation by examining possible interactions between the navigation mode and other factors likely to affect performance. Consequently, the effect of the type of movement control on virtual-real transfers was tested in interaction with the following factors: the visual fidelity of the VE (Exp. 1), the informational complexity of the route to be learned (Exp. 2), and retention delay (Exp. 3 and 4). Virtual-real transfers and spatial knowledge were measured using three recall tasks: Wayfinding (i.e., reproducing the route in the real world), freehand drawing of the path, and organizing photos in chronological order. Our findings revealed that the impact of the movement control on the transfer varied according to the factors manipulated (i.e., visual fidelity, route complexity, and retention delay), as well as the recall task used. These results clarified the connection between active exploration and representational systems, especially in light of theories on the cognitive processing of spatial information (i.e., the L-R-S model and the graph approach). These results also identified situations that facilitated virtual-real transfer, which is of particular interest when virtual reality is to be used in cognitive diagnosis and/or rehabilitation.

L'objectif de cette thèse est de formaliser une méthodologie visant à valider l'architecture d'un système d'aide à l'installation d'outils d'assistance pour le pilotage d'un fauteuil électrique. Nous voulons redonner un début de mobilité suffisant à la personne embarquée, en utilisant des expériences de navigations dans des environnements virtuels. Pour cela il faut concevoir un système capable de trouver les améliorations pertinentes à apporter au fauteuil électrique. Nous avons élaboré une architecture basée sur des cycles "Expérience ? Analyse ? Modification du fauteuil roulant". Cette architecture se décompose en trois modules : un simulateur, un évaluateur, un configurateur. Ce travail s'inscrit dans le projet VAHM (développé au LASC) qui utilise des fauteuils électriques du commerce sur lesquels ont été ajoutés une série de capteurs et un calculateur. Notre simulateur remplace la partie physique du VHAM. A partir de l'analyse des données issues de l'étape d'expérience, nous avons calculé des critères représentatifs de comportements ou/et de situations particulières survenues lors de la navigation. Nous avons répertorié, en qualité de roboticiens, l'ensemble des situations problématiques selon différents aspects. Nous avons identifié et caractérisé chaque aspect par un ensemble de critères. Le vecteur contenant les valeurs des critères constitue l'entrée d'un système d'aide à la décision qui indiquera en sortie la ou les fonctionnalités à installer pour améliorer la mobilité du patient en fauteuil électrique. La base de connaissance du système d'aide à la décision s'appuie sur des réflexions, concernant les comportements et situations particulières qu'une personne handicapée va rencontrer pendant la navigation. L'originalité de notre travail provient de l'application orientée handicap permettant d'évaluer et de mettre en évidence les difficultés d'un groupe de personnes très physiquement handicapées, ne pouvant pas se déplacer en fauteuil électrique dans des mondes réels, en utilisant des mises en situation dans des environnements virtuels. L'architecture du système a permis de fournir des solutions d'assistance en passant par un système d'aide à la décision évolutif basé sur la logique floue. La dernière partie de ce mémoire présente les résultats expérimentaux permettant la validation de l'architecture de notre système de configuration / The objective of this thesis is to formalize a methodology aiming to validate the architecture of system of assistive tools installation making for piloting of electric wheelchair. We want to give again a sufficient beginning of mobility to the onboard person, by using experiments of navigations in virtual environments. So we have to conceive a system able to find the relevant improvements to bring to the electric wheelchair. We worked out an architecture based on cycles "Experiment ? Analyze and decision-making ? Modification of the wheelchair ". This architecture contains three modules: a simulator, an evaluator, a configurator. This work is a part of the VAHM (developed in LASC) project using commercial electric wheelchairs enhanced by several sensors and a calculator. Our simulator replaces the physical part of VAHM. From the analysis of the data resulting from the experiments, we have calculated criteria representative of behaviours or/and particular situations which have occurred during navigation. We indexed as robotics engineers, the whole of the problematic situations according to several aspects. We have identified and characterized each aspect by a whole of criteria. The vector of criteria constitutes the input of a decision-making system which will indicate at exit the functionalities to be installed to improve the mobility of the patient in powered wheelchair. The base of knowledge of the decision-making system is supported by reflections, concerning the behaviours and particular situations that a handicapped person will meet during navigation. The originality of our work comes from the handicap directed application allowing to evaluate and to highlight the difficulties of a group of people with severe motor disabilities, not able to move in real worlds, by using settings in virtual environments situations. The architecture of the system let to provide solutions of assistance using an evolutionary decision-making system based on fuzzy logic

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude des réponses optiques des nanocristaux à base de semiconducteurs II-VI. Ici nous avons déterminé les propriétés optiques de ZnTe, ZnS et ‘ZnS : Mn’ nanostructurés par ellipsométrie spectroscopique (SE). Nous avons déterminé la fonction diélectrique et les transitions optiques des NC-ZnTe par SE dans la gamme spectrale 0.6 à 6.5 eV. L’influence de la taille des NC sur les propriétés optiques et en particulier sur les transitions optiques a été aussi montrée. Les réponses optiques ont été déterminées en utilisant deux modèles : le modèle des points critiques d’Adachi et la loi de dispersion de Tauc-Lorentz. Tout au long de ce travail, nous avons tenté de contribuer à la compréhension du processus d’absorption dans les NC semi-conducteurs avec une technique non destructive capable de rendre compte des phénomènes liés à la réduction de la taille. Malgré le caractère indirect de l’ellipsométrie nécessitant une bonne connaissance de l’échantillon, nous avons démontré qu’elle est capable de déterminer plusieurs propriétés des NC (indice de réfraction complexe, coefficient d’absorption, énergie de gap, signatures des transitions optiques, excès de NC, taille moyenne, épaisseurs des couches de silice) et même de tenir compte des défauts liés à l’implantation / In this work, we report on the study of the optical responses of nanocrystals semiconductor based II-VI. Here we have determined the optical properties of nanostructured ZnTe, ZnS and 'ZnS:Mn' by spectroscopic ellipsometry (SE). We have obtained the dielectric function and optical transitions of NC-ZnTe by spectroscopic ellipsometry in the spectral range 0.6 à 6.5 eV. The influence of the NC size on the optical properties and on the optical transitions was also shown. The optical responses were extracted using two models: the generalized critical points model of Adachi and the Tauc-Lorentz dispersion formula. Throughout this work we have tried to contribute to the understanding of absorption processes in semiconductor NC with a nondestructive technique by tacking into account the phenomena related to quantum confinement. Despite the indirect nature of ellipsometry requiring a good knowledge of the sample, we demonstrated that it is able to determine several properties of NC (complex refractive index, absorption coefficient, energy gap, optical transition energies, NC of excess, thick layers of silica) and even to take account into defects due to implantation

Dans le domaine médical, une meilleure connaissance de la fonctionmotrice est susceptible de permettre d’établir des thérapies adaptéesà chaque lésion motrice et des outils d’études et de dépistage dansle cas de maladies neurodégénératives. Dans le domaine de la réalitévirtuelle, la reconnaissance du mouvement est un point angulaire dansl’interaction de l’avatar ou de la personne en immersion avec sonenvironnement. Plusieurs travaux ont été menés dans le but de proposerdes approches de classification du mouvement humain. L’idée principalede ces méthodes est d’extraire des invariants des données enregistréesafin de les regrouper en clusters. Cependant, l'étude du mouvementhumain avec des systèmes de capture de mouvement génère une quantitéde données volumineuse, avec des relations non linéaires entre elles.Les méthodes présentées dans la littérature scientifique utilisent cesdonnées soit directement comme entrée à des algorithmes declassification, soit en appliquant une méthode de réductiondimensionnelle, comme l’analyse en composantes principales avant laclassification. Ces méthodes restent extrêmement sensibles au bruitblanc pendant l'enregistrement ainsi qu’aux différences morphologiquesentre les sujets. Dans notre travail, nous allons présenter uneméthodologie de classification et de reconnaissance du mouvementhumain, qui se base sur l’analyse topologique des donnéescinématiques. L’analyse topologique sera réalisée via la persistancehomologique, qui est une méthode d’analyse des données volumineusesqui permet de leur associer une signature topologique. On combineracette méthode d’analyse topologique avec des algorithmesd’apprentissage afin d’augmenter la précision de la reconnaissance desmouvements en réduisant l'impact des différences morphologiques entreles sujets ainsi que l’impact du bruit blanc issu pendant l'étaped’acquisition du mouvement. Par ailleurs, on combinera la méthoded’analyse topologique avec un algorithme de réseaux de neuronestemporels, afin de construire une approche qui permet de prédire lasuite d’un mouvement à partir d’une partie d’un intervalled’enregistrement.Les résultats ont montré la capacité de l’approche proposée à obtenirune précision avec un taux élevé lors de la classification, ainsi quesa robustesse face au bruit blanc et aux différences morphologiquesentre les personnes. Les résultats ont montré aussi le cout élevé entemps de calcul de notre approche. Nous avons proposé des méthodes(algorithme et parallélisme) de façon à réduire les temps de calculs. / In the medical field, a better knowledge of the motor function isimportant for us to determine therapies adapted to each motor lesion andtools of studies and screening for neurodegenerative diseases. In thedomain of virtual reality, motion recognition is an issue in theinteraction of the avatar or the user in immersion with theirenvironment.Several studies have been conducted with the aim of proposingapproaches to the classification of human movement. The main idea ofthese methods is to extract invariants from the recorded data in orderto order them into clusters. However, the study of human motion withmotion capture systems generates a big quantity of data with nonlinearrelations between them. The presented methods in the scientificliterature use these data either directly as input to classificationalgorithms or by applying a dimensional reduction method such asprincipal component analysis prior to classification. These methodsremain extremely sensitive to white noise during recording as well asmorphological differences between subjects.In our work, we will present a methodology of classification andrecognition of human movement which is based on the topologicalanalysis of kinematic data. Topological analysis will be performed viahomological persistence which is a large data analysis method thatallows them to be topologically signed. This method of topologicalanalysis will be combined with learning algorithms to increase theaccuracy of motion recognition by reducing the impact of morphologicaldifferences between subjects, as well as the impact of white noiseissued during the step of movement acquisition. Also, we will combinethe topological analysis method with a temporal neural networkalgorithm in order to build an approach that allows to predict thecontinuation of a movement from a part of a recording interval.The results showed the ability of the proposed approach to achievehigh accuracy at classification, as well as its robustness againstwhite noise and morphological differences between subjects. Theresults also showed the high cost in computing time of our approachwhich we tried to reduce by modifying its steps and by rewriting thecode so that it can be executed in parallel.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Nebenläufigkeit, Konsistenz und Latenz in asynchronen Interaktiven Echtzeitsystemen durch die Techniken des Profilings und des Model Checkings untersucht. Zu Beginn wird erläutert, warum das asynchrone Modell das vielversprechendste für die Nebenläufigkeit in einem Interaktiven Echtzeitsystem ist. Hierzu wird ein Vergleich zu anderen Modellen gezogen. Darüber hinaus wird ein detaillierter Vergleich von Synchronisationstechnologien, welche die Grundlage für Konsistenz schaffen, durchgeführt. Auf der Grundlage dieser beiden Vergleiche und der Betrachtung anderer Systeme wird ein Synchronisationskonzept entwickelt. Auf dieser Basis wird die Nebenläufigkeit, Konsistenz und Latenz mit zwei Verfahren untersucht. Die erste Technik ist das Profiling, wobei einige neue Darstellungsformen von gemessenen Daten entwickelt werden. Diese neu entwickelten Darstellungsformen werden in der Implementierung eines Profilers verwendet. Als zweite Technik wird das Model Checking analysiert, welches bisher noch nicht im Kontext von Interaktiven Echtzeitsystemen verwendet wurde. Model Checking dient dazu, die Verhaltensweise eines Interaktiven Echtzeitsystems vorherzusagen. Diese Vorhersagen werden mit den Messungen aus dem Profiler verglichen. / In this thesis the concurrency, latency, and consistency of asynchronous Realtime Interactive Systems (RIS) are analyzed using profiling and model checking. At the beginning, it is described why the Asynchronous Model is the most promising model to increase concurrency in a RIS. Therefore, it is compared to several other models. Furthermore, synchronization techniques are compared, which are used to provide consistency in a concurrent application. Upon both results, a synchronization concept is created. Using this concept, the concurrency, latency, and consistency are analyzed using two techniques. The first technique is profiling. New visualizations are developed to visualize profiling data measured by profiling. The second technique is model checking. In this thesis, model checking is used for the first time in context of a RIS. Model checking is used to predict the behavior of a RIS. The predicition and the measurement from the profiling are compared.

Cette thèse s'intéresse à l'utilisation des représentations intermédiaires, durant les phases d'évaluation de produits. Les décisions prises durant ces phases importantes, orientent les choix de conception. Cependant, ces évaluations interviennent souvent tardivement, après la validation des concepts, ce qui peut entraîner des modifications coûteuses et un allongement du temps de mise sur le marché. Il est donc souhaitable de pouvoir évaluer, dès les phases amont de conception, les caractéristiques et les fonctionnalités du futur produit.