Cette thèse a pour but de contribuer à améliorer les interfaces Homme-machine. En particulier, nos appareils devraient répliquer notre capacité à traiter continûment des flux d'information. Cependant, le domaine de l’apprentissage statistique dédié à la reconnaissance de séries temporelles pose de multiples défis. Nos travaux utilisent la reconnaissance de gestes comme exemple applicatif, ces données offrent un mélange complexe de poses corporelles et de mouvements, encodées sous des modalités très variées. La première partie de notre travail compare deux modèles temporels de l’état de l’art pour la reconnaissance continue sur des séquences, plus précisément l’hybride réseau de neurones -- modèle de Markov caché (NN-HMM) et les réseaux de neurones récurrents bidirectionnels (BD-RNN) avec des unités commandées par des portes. Pour ce faire, nous avons implémenté un environnement de test partagé qui est plus favorable à une étude comparative équitable. Nous proposons des ajustements sur les fonctions de coût utilisées pour entraîner les réseaux de neurones et sur les expressions du modèle hybride afin de gérer un large déséquilibre des classes de notre base d’apprentissage. Bien que les publications récentes semblent privilégier l’architecture BD-RNN, nous démontrons que l’hybride NN-HMM demeure compétitif. Cependant, ce dernier est plus dépendant de son modèle d'entrées pour modéliser les phénomènes temporels à court terme. Enfin, nous montrons que les facteurs de variations appris sur les entrées par les deux modèles sont inter-compatibles. Dans un second temps, nous présentons une étude de l'apprentissage dit «en un coup» appliqué aux gestes. Ce paradigme d'apprentissage gagne en attention mais demeure peu abordé dans le cas de séries temporelles. Nous proposons une architecture construite autour d’un réseau de neurones bidirectionnel. Son efficacité est démontrée par la reconnaissance de gestes isolés issus d’un dictionnaire de langage des signes. À partir de ce modèle de référence, nous proposons de multiples améliorations inspirées par des travaux dans des domaines connexes, et nous étudions les avantages ou inconvénients de chacun / This thesis aims to improve the intuitiveness of human-computer interfaces. In particular, machines should try to replicate human's ability to process streams of information continuously. However, the sub-domain of Machine Learning dedicated to recognition on time series remains barred by numerous challenges. Our studies use gesture recognition as an exemplar application, gestures intermix static body poses and movements in a complex manner using widely different modalities. The first part of our work compares two state-of-the-art temporal models for continuous sequence recognition, namely Hybrid Neural Network--Hidden Markov Models (NN-HMM) and Bidirectional Recurrent Neural Networks (BDRNN) with gated units. To do so, we reimplemented the two within a shared test-bed which is more amenable to a fair comparative work. We propose adjustments to Neural Network training losses and the Hybrid NN-HMM expressions to accommodate for highly imbalanced data classes. Although recent publications tend to prefer BDRNNs, we demonstrate that Hybrid NN-HMM remain competitive. However, the latter rely significantly on their input layers to model short-term patterns. Finally, we show that input representations learned via both approaches are largely inter-compatible. The second part of our work studies one-shot learning, which has received relatively little attention so far, in particular for sequential inputs such as gestures. We propose a model built around a Bidirectional Recurrent Neural Network. Its effectiveness is demonstrated on the recognition of isolated gestures from a sign language lexicon. We propose several improvements over this baseline by drawing inspiration from related works and evaluate their performances, exhibiting different advantages and disadvantages for each

Les bâtiments à faible consommation d’énergie connaissent, ces dernières années, un grand intérêt étant donné le rôle important qu’ils jouent dans la diminution des émissions de gaz à effet de serre d’une part, et la flambée des prix des combustibles, d’autre part. Néanmoins, dans de nombreux cas la réalisation de ce type de bâtiments n’atteint pas les performances escomptées. Ce problème est dû en grande partie à : 1) la perte d’informations tout au long du cycle de vie du bâtiment, 2) la non évaluation régulière des décisions prises par les acteurs intervenants. Le commissionnement en tant que processus de contrôle qualité joue un rôle important dans le bon déroulement du processus de réalisation de bâtiments à faible consommation d’énergie. Cette recherche vise à développer une méthodologie dont l’objectif est d’assister les personnes responsables de cette mission dans la définition de plans de commissionnement adaptés à leurs projets. Nous avons réalisé en premier, un état de l’art de la réalisation des bâtiments à faible consommation d’énergie, que nous avons par la suite confronté à la réalité à travers une enquête auprès des acteurs du bâtiment et d’étude de cas réels. Cette étape nous a permis de formuler une hypothèse concernant la nécessité d’un commissionnement «évolutif» -adapté aux particularités de chaque projet - et de décrire une méthodologie globale d’assistance à la conception des bâtiments à faible consommation d’énergie, qui intègre une aide à la décision, une gestion de l’information et un commissionnement «évolutif» qui vient vérifier le bon déroulement des deux premiers. Pour mettre en application cette méthodologie, une boîte à outils a été développée. Elle est constituée de : 1) un outil dit «statique» qui permet de définir un premier plan de commissionnent générique qui répond aux caractéristiques d’un projet, à partir d’une base de données exhaustives de tâches de commissionnement, 2) un outil dit «dynamique» basé sur les probabilités, qui permet de mettre à jour le plan de commissionnement initial (générique), en l’adaptant au projet en cours. Cette mise à jour permet de prendre en compte les particularités et imprévus rencontrés lors de la réalisation d’un projet, rendant ainsi le plan de commissionnement plus précis. Une expérimentation, dans un cas réel, du premier outil et des applications du second ont été faites pour montrer leurs possibilités et leurs limites. Les résultats font apparaître deux points importants : 1) l’intérêt d’avoir un plan de commissionnement structuré et évolutif pour vérifier la qualité de la réalisation des bâtiments à faible consommation d’énergie et assurer ainsi l’atteinte des performances souhaitées, 2) l’intérêt d’utiliser un outil probabiliste tel que les réseaux Bayésiens pour anticiper les dérives et prendre en charge les imprévus rencontrés lors de ce processus vivant. Cette méthodologie représente une base pour le développement d’outils d’assistance à la définition de plans de commissionnement «évolutifs» pour le neuf et l’existant, et tous les secteurs du bâtiment / The low energy buildings know, these latest years, a great interest because of the important role that they play in reducing the greenhouse gas emissions on one hand, and the rise of the combustibles prices, on the other hand. Nevertheless, in many cases, low energy consumption buildings do not achieve the expected performances. This problem is largely due to: 1) the loss of information throughout the building life cycle, 2) the non-regular evaluation of the decisions made by the actors intervening in their conception. The commissioning, as a quality control process, plays an important role in the good progress of the realization process of low energy buildings case. This research aims to develop a methodology to assist the persons responsible of the commissioning in the definition of commissioning plans adapted to their projects. Firstly, we performed a state of art of the low energy consumption buildings realisation that we then confronted, to the reality through an investigation with building actors and a study of real cases. This step allowed us to formulate a hypothesis concerning the necessity of a "progressive" commissioning -adapted to project particularities - and to describe a global methodology of assistance to the low energy consumption buildings realisation that integrates a decision making aid, an information management and a "progressive" commissioning that verify the good realisation of the two first functions. To put this methodology into application, a toolbox was developed. It comprises: 1) a tool named "static" that allows defining a first generic commission plan that satisfies the project characteristics, based on an exhaustive data of commissioning tasks, 2) a tool named "dynamic" based on the probabilities, that allows updating the initial (generic) commissioning plan. This update manages the unexpected events met during the project realization; witch permits the commissioning plan to be more precise. An experimentation of the first tool was done in a real case and applications of the second were done to show their possibilities and their limits. The results show two important points: 1) the interest of having a structured and progressive commissioning plan to verify the quality of low energy consumption buildings realisation and guarantee the achievement of the expected performances, 2) the interest of using a probabilistic tool such as the Bayésien networks to anticipate the drifts and to deal with the unexpected events met throughout the building life cycle. This methodology represents a basis for the development of assistance tools for the definition of commissioning "progressive" plans for the new and the existing, and all the building sectors

L'insuffisance cardiaque (IC) chronique représente la pathologie la plus fréquente nécessitant l'hospitalisation chez les patients de plus de 65 ans. La mortalité à 5 ans est estimée à plus de 50% et les enjeux en terme d’économie et de santé publique sont immenses. Parmi de nombreuses étiologies, les cardiopathies ischémiques sont la cause principale de l’IC. Sur les quinze dernières années, de nombreuses études précliniques et cliniques ont confirmé le potentiel thérapeutique des cellules souches d’améliorer la fonction cardiaque et d’atténuer le remodelage ventriculaire. Néanmoins, beaucoup de questions fondamentales liées à la thérapie régénératrice avec les cellules souches restent à résoudre. Parmi les raisons expliquant l'inefficacité de la thérapie cellulaire figurent l'intégration et la survie compromises des cellules greffées dans un microenvironnement défavorable au sein de tissus infarcis ainsi que la présence d'inflammation, de stress oxydatif, d'hypoxie sévère et de privation des nutriments. Une des approches pour améliorer la thérapie cellulaire serait d’adapter le milieu de culture des cellules in vitro en terme de concentration en oxygène afin qu’il soit plus proche des conditions in vivo. Notre étude a bien montré que le préconditionnement des cellules souches mésenchymateuses (CSMs) à l’hypoxie permettait de promouvoir la croissance cellulaire tout en gardant leur potentiel de différenciation trilignée. De plus, notre étude in vivo montrait que les CSMs cultivées en hypoxie, par rapport à celles cultivées en normoxie, présentaient un meilleur potentiel thérapeutique : amélioration de la viabilité dans la zone infarcie, augmentation de la contractilité intrinsèque et favorisation du processus d’angiogénèse, etc. Force est de constater que la récupération de la fonction cardiaque sous dispositifs d'assistance ventriculaire (bridge to recovery) pose un jalon dans le traitement de l'insuffisance cardiaque. Le phénomène « bridge to recovery » nous a permis d'approfondir la connaissance sur la physiopathologie du remodelage ventriculaire, qui était considéré comme un processus unidirectionnel. Cependant, plusieurs controverse existent sur la stratégie ‘Bridge to Recovery’. Une des questions les plus soulevées est s'il y a une limite à la durée et à l'intensité de la décharge ventriculaire afin d'éviter ses effets secondaires. Pour simuler les décharges mécaniques ventriculaires d'intensités différentes, nous avons mis au point deux modèles de transplantation cardiaque hétérotopique (TCH), cœur seul ou cœur-poumon, mimant respectivement la décharge complète et la décharge partielle. Notre étude montrait que la décharge mécanique résultait d’une atrophie myocardique, d’une réduction du métabolisme glucidique, d’une fibrose cardiaque et d’une altération de fonction cardiaque diastolique. Les effets étaient tous dépendants des intensités de décharge. Notre travail s'insère dans la thématique générale du laboratoire, qui est de développer un programme de recherche sur les approches thérapeutiques innovantes pour traiter l'infarctus du myocarde et l'IC chronique. Dans la première partie de notre projet, nous avons cherché à clarifier les effets de l'injection intramyocardique de CSMs d'origine médullaire dans la zone infarcie sur la perfusion et la fonction cardiaque (étude n°1). Nous avons ensuite étudié l'impact de la culture cellulaire en hypoxie des CSMs dérivées de moelle osseuse sur leurs caractéristiques biologiques et leur potentiel thérapeutique (étude n°2). Enfin, nous avons caractérisé les effets de décharges mécaniques d'intensités différentes sur le remodelage ventriculaire du cœur sain, sur le plan morphologique, fonctionnel et métabolique (étude n°3) / Heart failure (HF) represents one of the most frequent disease requiring hospitalization in the old population (>65 years old). The 5-year survival rates associated with heart failure are less than 50% and it results in a huge cost on social economy and public health. Ischemic heart diseases represent one of the most frequent etiologies of the heart failure. Over the last fifteen years, many preclinical and clinical studies have confirmed the therapeutic potential of stem cells to improve heart function and reduce ventricular remodeling. The failure of cell therapy can be ascribed to some extent to the poor integration and compromised survival of grafted cells in an unfavorable microenvironment in infarcted tissue which is complicated by the presence of inflammation, oxidative stress, hypoxia and severe deprivation of nutriments. Furthermore, bone marrow stem cells are physiologically located in a hypoxic environment. The adaptation of the in vitro culture medium, in terms of oxygen concentration, to the in vivo natural niche as well as the targeted area, might be one of solutions to improve the efficacy of cell therapy. One of our studies has demonstrated that preconditioning of mesenchymal stem cells (MSCs) with hypoxia could promote cell proliferation without altering the differentiation potential. What’s more, our in vivo study showed that hypoxia-preconditioned MSCs, compared with those cultured in normoxia, presented with better therapeutic efficiency, such as improvement of the myocardial viability in the infarcted area, increase of intrinsic contractility and favoring the processes of angiogenesis. The recovery of cardiac function with ventricular assist devices (bridge to recovery) is a milestone in the treatment of heart failure. The phenomenon "bridge to recovery" has enabled us to deepen the knowledge on the physiopathology of ventricular remodeling, which was considered to be a one-way process. However, the strategy of ‘Bridge to Recovery’ causes many controversies. One of the arisen questions is if there exists a limit in terms of the duration and intensity regarding the mechanical unloading in order to minimize its secondary complications. To simulate ventricular mechanical unloading of different intensities, we have developed two models of heterotopic heart transplantation (TCH), namely, heterotopic heart transplantation (HHT) and heterotopic heart-lung transplantation to simulate complete and partial unloading, respectively. Our study revealed that mechanical unloading resulted in myocardial atrophy, cardiac fibrosis and diastolic dysfunction. These secondary effects were dependent on the intensity of unloading. Our work fits into the general theme of the laboratory, which is to develop a research program on innovative therapeutic approaches to treat myocardial infarction and chronic heart failure. In the first part of our study, we sought to clarify the effects of bone marrow-derived MSCs following intramyocardial injection on the perfusion and function of the infarcted myocardium (study 1). We then investigated the impact of long-term hypoxic culture on the biological characteristics and therapeutic potential of MSCs (study 2). Finally, we explored the effects of mechanical unloading of different intensities on the structure, function and metabolism of healthy myocardium (Study 3)

De nos jours, les projets d’architecture font participer de nombreux acteurs différents de plus en plus éloignées géographiquement et cependant regroupées dans le cadre de l’élaboration d’un seul et même projet. Intégrer les points de vue de tous ces acteurs de la conception en prenant en compte le cycle de vie du bâtiment suggère une certaine « transversalité » de la conception et est rendu possible par une prise en compte très tôt dans les processus, de contraintes ou de paramètres gérés beaucoup plus tard dans les organisations traditionnelles. Cette étude souligne l’exigence forte d’une conduite de la conception pour améliorer la qualité de cette dernière et réduire ainsi l’apparition des dysfonctionnements. En ce sens, nous mettons en exergue les caractéristiques multidisciplinaires et les aspects prédictifs et réactifs de la conduite de la conception en architecture. Ensuite sur la base des modèles cognitifs existants, nous proposons un modèle combinant de façon simple trois activités primitives (analyse, proposition, évaluation). Ensuite nous enrichissons ce modèle pour couvrir les aspects prédictifs et réactifs de la conduite de la conception. Cela se fait sur la base de notre analyse de la conduite de la conception qui a permis de révéler deux entités, généralement implicites mais omniprésentes dans les projets de conception : la situation problématique et la situation visée. Enfin, nous spécifions et présentons une maquette d’un outil d’un niveau supérieur par rapport aux outils existants et qui peut être qualifié d’outil réactif. Cela signifie qu’il ne permet pas de définir une solution, mais de déterminer quand l’intervention de l’acteur pilote est souhaitable / Nowadays, numerous architecture projects require different actors who are more and more remotely located to work together on the elaboration of a common project. The inputs of these actors of design need to be integrated by taking into account the life cycle of the buildings, which requires that design have a "transversal" dimension. This can be achieved by including, in the early stages of process, constraints and parameters that are usually managed much later in traditional organizations. This study highlights the strong demand for design steering aiming at improving the quality of design and thus reducing the appearance of dysfunctions. With regard to this, we highlight the multidisciplinary characteristics as well as the predictive and reactive aspects of design steering in architecture. Then, based on existing cognitive models, we propose a model combining - in a simple way - three primary activities (analysis, proposition, evaluation). Then we enrich the model so that it covers the predictive and reactive aspects of design steering. This is done on the basis of our analysis of design steering, which allowed to uncover two narrowly linked entities. These two entities, which are generally implicit but are actually present in design projects, are: the problematic situation and the aimed situation. Finally, we specify and present the mock-up of a tool that is superior to the existing drawing, CAD, calculation or simulation tools. The tool that we present doesn't belong to the same "family". In fact, it can be called "reactive", which means that instead of allowing to define a solution, it allows to determine when the intervention pilot actor is needed

Jusqu’à 93% des musiciens sont affectés par des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique instrumentale, dont particulièrement les violonistes qui combinent les facteurs de risque principaux : une posture asymétrique et contraignante, le maintien d’une charge (le violon et le membre supérieur gauche) dans une position quasi-statique, la répétition de mouvements à haute vitesse et la pression des doigts (sur le manche de l’instrument), tous entrainant l’accumulation de fatigue musculaire. Il est crucial d’aménager leur environnement de travail afin de réduire l’accumulation de la fatigue. Les dispositifs d’assistance au mouvement sont utilisés dans le milieu industriel pour réduire les activations musculaires et potentiellement ralentir le développement de la fatigue musculaire. La modification de la dynamique de l’environnement des violonistes via l’application d’une force antigravitationnelle nécessaire au maintien du membre supérieur gauche et de l’instrument pourrait cependant perturber leurs mouvements et affecter leur performance musicale. L’objectif de ce projet de maîtrise est donc d’évaluer l’adaptation motrice à un dispositif d’assistance au mouvement en comparant (O1) la cinématique et (O2) l’électromyographie des membres supérieurs et du cou ainsi que (O3) la performance musicale avec et sans assistance. Quinze violonistes issus d’orchestres professionnels et de programmes de cycles supérieurs en interprétation musicale ont été recrutés. Les participants ont été équipés de 61 marqueurs réfléchissants et de 11 capteurs électromyographiques pour enregistrer leurs mouvements et activations musculaires. Afin de quantifier l’adaptation motrice, les violonistes ont répété une séquence musicale de 13 secondes sans (contrôle), avec (adaptation), et sans (post-adaptation) assistance par un dispositif passif (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) exerçant une force antigravitationnelle au niveau du coude gauche. Les conditions ont été répétées une semaine plus tard pour évaluer la réadaptation. Neuf à douze mois plus tard, les participants ont écouté des enregistrements audio de leur performance avec et sans assistance et ont évalué leur performance musicale en aveugle. Des modèles linéaires mixtes ont été utilisés afin de comparer la cinématique, l’électromyographie et la performance musicale des conditions avec et sans assistance. L’augmentation de l’erreur angulaire de tous les degrés de liberté du membre supérieur gauche suggère que l’utilisation d’un dispositif d’assistance au mouvement a perturbé la cinématique des violonistes. L’adaptation très sélective de la cinématique articulaire observée au cours de la condition d’adaptation était probablement due à l’absence d’erreur de prédiction de la performance musicale nécessaire pour guider l’adaptation motrice. En effet, la comparaison de la performance musicale avec et sans dispositif n’a montré aucune différence significative, indiquant que les violonistes experts peuvent maintenir un haut niveau de performance malgré la modification de leur patron moteur. En outre, la similarité des angles articulaires et des activations musculaires entre les conditions avec et sans dispositif est restée forte. Enfin, la réduction des activations du deltoïde médian et du trapèze supérieur gauches avec l’assistance est prometteuse quant à l’utilisation des dispositifs pour limiter l’accumulation de fatigue musculaire et réduire la prévalence des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique du violon. / Up to 93% of musicians are affected by playing-related musculoskeletal disorders, and particularly violinists who combine the major factors leading to these disorders: an asymmetrical and constrained posture, quasi-static weight (violin and left upper-limb) holding, quick repetitive movements, and finger pressure (onto the instrument’s neck), all leading to muscle fatigue accumulation. It is crucial to adjust violinists’ working environments to prevent muscle fatigue accumulation. Dynamic assistive support (DAS) is used in industrial settings to reduce muscle activations and thus potentially slow down fatigue development. Modifying violinists’ environmental dynamics by introducing the anti-gravitational force needed to support their left upper-limbs and instruments may perturb their movements and impair musical performance. The objective of this Masters’ project is thus to investigate motor adaptation to DAS by comparing upper-limb and neck (O1) kinematics, (O2) electromyography, and (O3) musical performance with and without DAS. Fifteen violinists were recruited from professional orchestras and graduate programs in music performance. Participants were equipped with 61 reflective markers and 11 electromyography electrodes to record kinematics and muscle activity, respectively. To quantify motor adaptation, violinists played a looped 13-second excerpt without (control), with (adaptation), and without (washout) DAS provided by a passive device (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) applying an anti-gravitational force at the left elbow. All conditions were repeated one week later to test for potential savings. Nine to twelve months later, participants listened to their own audio recordings playing with and without DAS and blindly assessed their performances. Linear mixed models were used to compare DAS and no-DAS conditions’ kinematic, electromyography and musical performance data. The increase in angular error for all left degrees of freedom suggests that DAS perturbed violinists’ kinematics. The highly selective kinematic adaptation observed during the adaptation condition might have been due to the absence of auditory feedback prediction errors needed to drive motor adaptation. Indeed, musical performance with and without DAS showed no significant difference, indicating that expert violinists can maintain a high level of performance despite changes in motor output. Additionally, similarity of joint angles and muscle activities between DAS and no-DAS conditions remained strong. Finally, reduced activations of left medial deltoid and superior trapezius in assisted conditions make DAS a promising tool to limit violinists’ muscle fatigue accumulation and prevent playing-related musculoskeletal disorders.

L'instrumentation permet à notre environnement, maison ou bâtiment, de devenir intelligent en s'adaptant à nos modes de vie et en nous assistant au quotidien. Un environnement intelligent est sensible et réactif à nos activités, afin d'améliorer notre qualité de vie. La fiabilité d'identification des activités est ainsi essentielle pour cette intelligence ambiante : elle est directement dépendante du positionnement des capteurs au sein de l'environnement. Cette question essentielle du placement des capteurs est très peu considérée par les systèmes ambiants commercialisés ou même dans la littérature. Pourtant, elle est la source principale de leurs dysfonctionnements où une mauvaise reconnaissance des activités entraîne une mauvaise assistance fournie. Le placement de capteurs consiste à choisir et à positionner des capteurs pertinents pour une identification fiable des activités. Dans cette thèse, nous développons et détaillons une méthodologie de placement de capteurs axée sur l'identifiabilité des activités d'intérêt. Nous la qualifions en nous intéressant à deux évaluations différentes : la couverture des intérêts et l'incertitude de mesures. Dans un premier temps, nous proposons un modèle de l'activité où nous décomposons l'activité en actions caractérisées afin d'être indépendant de toute technologie ambiante (axée connaissances ou données). Nous représentons actions et capteurs par un modèle ensembliste unifiant, permettant de fusionner des informations homogènes de capteurs hétérogènes. Nous en évaluons l'identifiabilité des actions d'intérêt au regard des capteurs placés, par des notions de précision (performance d'identification) et de sensibilité (couverture des actions). Notre algorithme de placement des capteurs utilise la Pareto-optimalité pour proposer une large palette de placements-solutions pertinents et variés, pour ces multiples identifiabilités à maximiser. Nous illustrons notre méthodologie et notre évaluation en utilisant des capteurs de présence, et en choisissant optimalement la caractéristique à couvrir pour chaque action. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à la planification optimale des expériences où l'analyse de la matrice d'information permet de quantifier l'influence des sources d'incertitudes sur l'identification d'une caractéristique d'action. Nous représentons les capteurs continus et l'action caractérisée par un modèle analytique, et montrons que certaines incertitudes doivent être prises en compte et intégrées dans une nouvelle matrice d'information. Nous y appliquons les indices d'observabilité directement pour évaluer l'identifiabilité d'une action caractérisée (incertitude d'identification). Nous illustrons cette évaluation alternative en utilisant des capteurs d'angle, et nous la comparons à la matrice d'information classique. Nous discutons des deux évaluations abordées et de leur complémentarité pour la conception d’environnement instrumenté pour la veille à la personne. / Instrumentation enables our environment, house or building, to get smart through self-adjustment to our lifestyles and through assistance of our daily-life. A smart environment is sensitive and responsive to our activities, in order to improve our quality of life. Reliability of activities' identification is absolutely necessary to such ambient intelligence: it depends directly on sensors' positioning within the environment. This fundamental issue of sensor placement is hardly considered by marketed ambient systems or even into the literature. Yet, it is the main source of ambient systems' malfunctions and failures, because a bad activity recognition leads to a bad delivered assistance. Sensor placement is about choosing and positioning relevant sensors for a reliable identification of activities. In this thesis, we develop and detail a sensor placement methodology driven by identifiability of activities of interest. We quantify it by looking at two different evaluations: coverage of interests and uncertainty of measures. First, we present an activity model that decomposes each activity into characterised actions to be technology-free (either knowledge or data driven one). We depict actions and sensors by a set theoretic model, enabling to fuse homogeneous informations of heterogeneous sensors. We then evaluate each action of interest's identifiability regarding placed sensors, through notions of precision (identification's performance) and sensitivity (action's coverage). Our sensor placement algorithm use Pareto-optimality to offer a wide range of relevant solution-placements, for these multiple identifiabilities to maximise. We showcase our methodology and our evaluation through solving a problem featuring motion and binary sensors, by optimally choosing for each action the characteristic to cover. Finally, we look into optimal design of experiments by analysing the information matrix to quantify how sources of uncertainties influence the identification of an action's characteristic. We depict continuous sensors and the characterised action by an analytical model, and we show that some uncertainties should be considered and included in a new information matrix. We then apply directly observability indexes to evaluate identifiability of a characterised action (uncertainty of identification), and compare our new information matrix to the classical one. We showcase our alternate evaluation through solving a sensor placement problem featuring angular sensors. We discuss both covered evaluations and their complementarity towards the design of instrumented environment for human monitoring.

Ce travail se concentre sur une tâche de micro-navigation en plein air où le but est de naviguer vers une adresse de rue spécifiée en utilisant plusieurs modalités (par exemple, images, texte de scène et GPS). La tâche de micro-navigation extérieure s’avère etre un défi important pour de nombreuses personnes malvoyantes, ce que nous démontrons à travers des entretiens et des études de marché, et nous limitons notre définition des problèmes à leurs besoins. Nous expérimentons d’abord avec un monde en grille partiellement observable (Grid-Street et Grid City) contenant des maisons, des numéros de rue et des régions navigables. Ensuite, nous introduisons le Environnement de Trottoir pour la Navigation Visuelle (ETNV), qui contient des images panoramiques avec des boîtes englobantes pour les numéros de maison, les portes et les panneaux de nom de rue, et des formulations pour plusieurs tâches de navigation. Dans SEVN, nous formons un modèle de politique pour fusionner des observations multimodales sous la forme d’images à résolution variable, de texte visible et de données GPS simulées afin de naviguer vers une porte d’objectif. Nous entraînons ce modèle en utilisant l’algorithme d’apprentissage par renforcement, Proximal Policy Optimization (PPO). Nous espérons que cette thèse fournira une base pour d’autres recherches sur la création d’agents pouvant aider les membres de la communauté des gens malvoyantes à naviguer le monde. / This work focuses on an Outdoor Micro-Navigation (OMN) task in which the goal is to navigate to a specified street address using multiple modalities including images, scene-text, and GPS. This task is a significant challenge to many Blind and Visually Impaired (BVI) people, which we demonstrate through interviews and market research. To investigate the feasibility of solving this task with Deep Reinforcement Learning (DRL), we first introduce two partially observable grid-worlds, Grid-Street and Grid City, containing houses, street numbers, and navigable regions. In these environments, we train an agent to find specific houses using local observations under a variety of training procedures. We parameterize our agent with a neural network and train using reinforcement learning methods. Next, we introduce the Sidewalk Environment for Visual Navigation (SEVN), which contains panoramic images with labels for house numbers, doors, and street name signs, and formulations for several navigation tasks. In SEVN, we train another neural network model using Proximal Policy Optimization (PPO) to fuse multi-modal observations in the form of variable resolution images, visible text, and simulated GPS data, and to use this representation to navigate to goal doors. Our best model used all available modalities and was able to navigate to over 100 goals with an 85% success rate. We found that models with access to only a subset of these modalities performed significantly worse, supporting the need for a multi-modal approach to the OMN task. We hope that this thesis provides a foundation for further research into the creation of agents to assist members of the BVI community to safely navigate.

Problématique. L'utilisation d'un chien d'assistance à la mobilité (CAM) représente une option novatrice pour préserver l’intégrité des membres supérieurs (MSs) chez les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM). Aucune étude biomécanique n’a quantifié les effets du CAM sur les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné. Objectif. Cette étude quasi-expérimentale vise à comparer les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné avec et sans l’assistance d’un CAM. Méthodologie. Dix participants avec une lésion de la moelle épinière (LME) qui utilisent un FRM et possèdent un CAM ont monté un plan incliné à trois reprises avec et sans l’assistance du CAM. Les forces appliquées sur les cerceaux, mesurées avec des roues instrumentées, et les mouvements du FRM et des MSs, enregistrés avec un système d'analyse du mouvement, ont permis de mesurer les efforts mécaniques aux MSs. Simultanément, l'activité électromyographique (EMG) des muscles grand pectoral, deltoïde antérieur, biceps et triceps a été enregistrée et normalisée avec sa valeur maximale pour mesurer les efforts musculaires aux MSs. Résultats. En général, le CAM réduit significativement les valeurs moyennes et maximales de la force totale appliquée aux cerceaux et de sa composante tangentielle, des moments nets de flexion, de rotation interne et d’adduction aux épaules et des taux d’utilisation musculaire du deltoïde antérieur, du biceps et du triceps. Conclusion. L’assistance d’un CAM réduit les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné chez les utilisateurs d’un FRM ayant une LME. / Problematic. The use of a mobility assistance dog (ADMob) represents an innovative option to preserve upper limb (U/Ls) integrity in manual wheelchair (MWC) user population. No biomechanical studies have quantified the effects of ADMob on U/Ls efforts when climbing an incline. Objective. This quasi-experimental study compares the U/Ls efforts when climbing an incline with and without the assistance of an ADMob for MWC traction. Methodology. Ten participants with spinal cord injury (SCI) using a MWC and owning an ADMob climbed an incline 3 times with and without the use of an ADMob. The forces applied to the handrims, captured with instrumented wheel and movements of the MWC and the U/Ls, recorded with a three-dimensional motion analysis system, were used to measure the U/Ls mechanical efforts. Simultaneously, the electromyographic (EMG) activity of the pectoralis major muscle, anterior deltoid, biceps and triceps were recorded during the tasks and normalized with its maximum value to measure the U/Ls muscular efforts. Results. Typically, ADMob significantly reduces the mean and peak values of the total force applied to the rings and the tangential component, the mean and peak values of flexion, internal rotation and adduction net joint moments at the shoulder and the mean and peak values of muscular utilization ratio of anterior deltoid, pectoralis major, biceps and triceps. Conclusion. The assistance of an ADMob for MWC traction when climbing an incline reduces the effort to U/Ls among MWC users with a SCI.

Cette thèse en informatique se situe dans le domaine des Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain (EIAH). Dans ce cadre, nous avons abordé la question de la personnalisation de l’apprentissage. Nos travaux de recherche consistaient à identifier un processus qui permette à la fois de personnaliser des séances de travail sur papier et des séances de travail sur des logiciels pédagogiques. Nous souhaitions que ce processus permette de prendre en compte les spécificités de chaque apprenant en s’appuyant sur son profil, mais qu’il prenne également en compte les buts et les habitudes pédagogiques des enseignants. Enfin, nous souhaitions que ce processus soit implémentable dans un système externe aux logiciels à personnaliser. Notre problématique s’est donc décomposée en trois points : comment exploiter les profils d’apprenants pour prendre en compte les individualités des apprenants ? Comment adapter une activité pour prendre en compte les besoins et habitudes pédagogiques d’un enseignant ? Et enfin, comment attribuer une activité à un apprenant ? Pour répondre au premier point, nous avons proposé le modèle cPMDL. Ce complément du langage de modélisation des profils PMDL permet de contraindre les profils des apprenants afin de sélectionner ceux ayant les caractéristiques requises par les contraintes. cPMDL nous permet donc d’exploiter les informations contenues dans les profils au sein du processus de personnalisation. Pour répondre au deuxième point, nous avons proposé l’approche GEPPETO. Cette approche s’appuie sur des modèles et des processus génériques permettant d’adapter les activités en fonction des intentions pédagogiques des enseignants grâce à la définition de contraintes sur les activités. Nous avons décliné cette approche pour permettre l’adaptation des activités papier (GEPPETOP), ainsi que pour l’adaptation des activités logicielles et de la configuration des environnements qui les supportent (GEPPETOS). Pour répondre au troisième point, nous avons proposé le modèle PERSUA2 qui permet de lier les contraintes sur profils de cPMDL aux contraintes sur activités de GEPPETO. Ces liens, nommés règles d’affectation, sont ensuite hiérarchisés selon leur degré de priorité pour former une stratégie pédagogique qui sera associée { un ou plusieurs contextes d’utilisation. Nous avons mis en oeuvre ces différentes contributions théoriques dans Adapte, un module de l’environnement informatique du projet PERLEA. Le rôle de cet environnement est d’assister l’enseignant dans la gestion de profils créés par l’enseignant lui-même ou issus de logiciels pédagogiques. Adapte est l’une des exploitations possibles des profils : le module réalisé permet de fournir à chaque apprenant des activités adaptées à son profil tout en respectant les choix pédagogiques de son enseignant. Ces activités peuvent être des activités papier proposées par le système ou des activités logicielles personnalisées par Adapte, mais effectuées dans un autre EIAH. Ce module, pleinement opérationnel, a montré la faisabilité technique de nos contributions théoriques et nous a permis de conduire des mises à l'essai auprès d'enseignants / This thesis in computer science belongs to the field of Interactive Learning Environments (ILE). In this context, we have addressed the issue of personalization of learning. Our research has consisted in identifying a process allowing one to personalize both paper working sessions and working sessions on educational software. Our goal was to design a process able to take into account the specificities of each learner, based on their profiles, but also to take into account the pedagogical goals and habits of teachers. Moreover, we had to design this process such as it could be easily implemented in a software external to the system being personalized. Our problem was therefore decomposed into three points: how to use learners’ profiles to take the individuality of learners into account? How to adapt a pedagogical activity to take the teaching needs and habits of a teacher into account? And finally, how to assign an activity to a learner? To answer the first point, we have proposed the cPMDL model. This complement of the profiles modelling language PMDL allows one to constrain the learners’ profiles to select those with the characteristics required by the constraints. cPMDL allows us to exploit the information contained in the profiles during the personalization process. To answer the second point, we have proposed the GEPPETO approach. This approach relies on generic models and processes to adapt activities according to the teachers' intentions, by defining constraints on activities. We have instantiated this approach to enable on the one hand the adaptation of paper activities (GEPPETOP) and on the other hand to enable the adaptation of software activities and the adaptation of configuration of environments that support them (GEPPETOS). To address the third point, we have proposed the PERSUA2 model which links cPMDL constraints on profiles with GEPPETO constraints on activities. Next, these links, called assignment rules, are organized into a hierarchy according to their priority degree in order to form a pedagogical strategy. This pedagogical strategy is then associated with one or more contexts of use. We have implemented these different theoretical contributions in Adapte, a module of the environment associated to the PERLEA project. The role of this environment is to assist teachers in the management of profiles created by themselves or coming from pedagogical software. Adapte is one of the possible uses of profiles: the module developed provides each learner with activities suited to their profiles, while respecting the teaching choices of the teacher. These activities may be paper activities proposed by the system or software activities personalized by Adapte but made within another ILE. This module, fully operational, has demonstrated the technical feasibility of our theoretical contributions and has allowed us to conduct experiment with teachers.

Reconnu comme l’une des principales causes d’invalidité, le traumatisme crânio-cérébral (TCC) est une condition chronique pouvant occasionner des déficits physiques, cognitifs, émotionnels et comportementaux. Ces déficits interfèrent avec la capacité de la personne à s’engager dans ses activités quotidiennes, incluant des activités complexes comme la préparation de repas. Afin de soutenir cette population lors de la préparation de repas, une technologie d’assistance à la cognition (TAC) nommée Cognitive Orthosis for coOKing (COOK) a été développée en partenariat avec une résidence alternative pour des personnes ayant des incapacités graves à la suite d’un TCC. Suivant l’installation de COOK, trois résidents ont été en mesure de préparer des repas de façon sécuritaire et autonome. Toutefois, rien n’est connu sur la façon avec laquelle COOK pourrait répondre aux besoins des personnes ayant eu un TCC et vivant dans la communauté, ni comment cette technologie pourrait offrir de l’assistance personnalisée, minimale et contextualisée pour soutenir cette population. Cette thèse vise donc à développer des connaissances pour soutenir le développement d’une version bonifiée de COOK qui correspondrait aux besoins variés de ces utilisateurs, en répondant à trois objectifs : 1) définir les besoins d’assistance verbale des personnes ayant eu un TCC modéré à grave afin d’améliorer les capacités de personnalisation de COOK; 2) évaluer son utilisabilité et expérience utilisateur en laboratoire et en milieu réel; et 3) identifier les facilitateurs et obstacles pouvant influencer l’implantation de COOK auprès de personnes ayant eu un TCC et vivant dans la communauté. Suivant une démarche de conception centrée sur l’utilisateur, quatre études ont été réalisées : (1) une étude mixte avec transformation des données et analyse d’enregistrements vidéo pour documenter l’assistance verbale offerte à 45 participants ayant un TCC lors de la préparation d’un repas; (2) une étude d’utilisabilité mixte pendant laquelle 10 participants ayant un TCC ont testé COOK en laboratoire; (3) une étude mixte à sujet unique pour évaluer l’utilisabilité de COOK au domicile d’une personne ayant eu un TCC grave; et (4) une étude qualitative descriptive impliquant des personnes ayant eu un TCC, des personnes proches aidantes et des intervenants, pour explorer leurs perceptions quant aux facilitateurs et obstacles à l’implantation de COOK dans leur milieu respectif. La première étude a permis d’identifier neuf types d’assistance cognitive et un type d’assistance motivationnelle, et de documenter les difficultés pour lesquelles les ergothérapeutes offraient de l’assistance. Des enjeux d’utilisabilité ont ensuite été documentés pendant les essais en laboratoire (étude 2) et en milieu réel (étude 3), particulièrement au niveau du système de sécurité autonome. Plusieurs besoins de bonifications technologiques ont aussi été identifiés par les participants (études 2, 3 et 4). Enfin, la quatrième étude a identifié divers facilitateurs (p.ex. les fonctionnalités disponibles dans COOK) et obstacles (p.ex. la logistique entourant l’installation, l’apprentissage et le soutien) à l’implantation de TAC comme COOK pour soutenir les personnes vivant dans la communauté avec un TCC grave. Ultimement, ces connaissances cliniques pourront soutenir le développement continu et l’implantation de TAC comme COOK pour qu’elles répondent aux besoins d’une plus grande population. / Defined as one of the main causes of disability, traumatic brain injury (TBI) is a chronic condition that can cause physical, cognitive, emotional, and behavioral deficits. These deficits may interfere with the person's ability to engage in daily activities, including complex activities such as meal preparation. To support this population during meal preparation, an assistive technology for cognition (ATC) called Cognitive Orthosis for coOKing (COOK) was recently developed in collaboration with an alternative residence for people with severe TBI. Following the installation of COOK, three residents were able to prepare meals safely and independently within their home. However, little is known about how COOK could meet the needs of people with TBI living in the community, or how it could provide personalized, minimal and contextualised assistance to support this population. This thesis aimed to develop a knowledge base to support the development of an improved version of COOK that would meet the varied needs of this new population, by meeting three objectives: 1) define the verbal assistance needs of people with moderate to severe TBI to enhance COOK's customization possibilities; 2) evaluate the usability and user experience of COOK in a laboratory setting and in a real-world environment; and 3) identify the facilitators and obstacles that may influence the implementation of COOK within the homes of people with TBI and in clinical settings. Integrated in a user-centered design process, four studies were conducted: (1) a study using conversion mixed design and video data analysis to document the verbal assistance provided to 45 participants with TBI during a meal preparation task; (2) a usability mixed-methods study during which 10 participants with TBI tested COOK in a laboratory setting; (3) a mixed-methods single-case study to assess the usability of COOK with a man with severe TBI living in the community; and (4) a qualitative descriptive study involving people with TBI, caregivers and healthcare professionals, to explore their perceptions of the facilitators and obstacles to the potential implementation of COOK in their respective settings. The first study identified nine types of cognitive assistance and one type of motivational assistance that were provided by occupational therapists to support people with TBI, and documented the difficulties for which these assistances were provided. Several usability issues were also documented when testing COOK in a laboratory setting (study 2) and in a real-world environment (study 3), particularly with the self-monitoring security system. Modification needs were also identified by the participants (studies 2, 3, and 4) to improve COOK. Finally, the fourth study highlighted many facilitators (e.g., the functionalities available in COOK) and obstacles (e.g., the logistics surrounding installation, learning and support of COOK) to consider before implementing ATCs like COOK. Ultimately, this knowledge base will support the continued development and the implementations of ATCs such as COOK to meets the needs of a larger population.