Les Environnements Virtuels Collaboratifs (EVCs) sont des environnements virtuels peuplés où les utilisateurs interagissent entre eux pour réaliser des actions communes (déplacement en groupe, sélection et manipulation d’objets en commun, communication, etc.). Dans les EVCs, la complexité se situe au niveau de l’interaction d’un groupe d’utilisateurs avec les objets. En effet, il y a plusieurs contraintes à respecter notamment celles liées à la coordination des actions des différents utilisateurs et la conscience de présence d’un utilisateur par rapport aux objets de l’environnement et par rapport aux autres utilisateurs. Notre travail de recherche s’inscrit dans le cadre de l’interaction 3D et de la collaboration en Réalité Virtuelle. Il développe la notion d’assistance à l’interaction 3D collaborative et à son évaluation. Pour l’assistance à l’interaction 3D collaborative, une approche basée sur un Workflow intégrant l’anticipation et la gestion des interactions du groupe est proposée. Pour l’assistance à l’évaluation des techniques d’interaction 3D, une approche basée sur les méthodes empiriques d’évaluation intégrant les outils statistiques de recherche d’informations est proposée. L’objectif de cette thèse est de modéliser, concevoir, implémenter et évaluer un système d’assistance à l’interaction 3D collaborative. / Collaborative Virtual Environments (CVE) are virtual environments populated where users interact to perform common actions (moving in groups, and selection manipulating objects, communication, etc..). In CVE, the complexity is focused to the interaction of a group of users with objects. Indeed, there are several constraints to take into account as coordination of users’ action and the sensé of the presence between users and objects and between users. Our research is part of 3D interaction and Collaboration in Virtual Reality. We developed the concept of Assistance to Collaborative 3D interaction and evaluation. ToAssist Collaborative 3D interaction, an approach based on a Workflow integrating the anticipation and management of interactions group is proposed. For the assistance of the evaluation, an approach based on empirical methods is proposed which used data mining Tools. The objective of this thesis is to model, design, implement and evaluate a system to support interaction 3D Collaborative.

La réalité virtuelle est une discipline qui se situe à la croisée de plusieurs domaines tels que l’infographie, la simulation, la téléopération, le travail collaboratif, etc. L'interaction 3D est la composante motrice de la réalité virtuelle. Elle permet à l'utilisateur d'interagir avec les entités de l'environnement virtuel. Il existe différentes techniques d'interaction 3D qui sont dédiées aux différentes tâches d’interaction 3D à savoir la navigation, la sélection, la manipulation et le contrôle d’application. En général, la technique utilisée cherche à accomplir une tâche d'interaction 3D sans prendre en considération les exigences des environnements dédies pour la téléopération et les environnements collaboratifs. Les tâches de téléopération doivent respecter un certain nombre de contraintes, qui sont : des sélections et des manipulations sécurisées et précises. Les environnements collaboratifs sont des mondes dans lesquels les utilisateurs interagissent ensemble pour réaliser des tâches communes. La complexité de ces environnements est liée à l'interaction d'un groupe d'utilisateurs avec des entités partagées. L’objectif de ce travail est de modéliser, de concevoir, d’implémenter et d’évaluer un système d’assistance à l’interaction 3D mono-utilisateur et multi-utilisateurs. Notre concept est centré sur l’utilisateur et ses intérêts dans le monde virtuel, il est basé sur le principe d’anticipation du geste de l’utilisateur par l’assistance de ce dernier. Notre système d’assistance peut être considéré comme un moyen de contourner les limitations de certaines techniques d’interaction 3D classiques afin de les rendre utilisables dans des contextes différents. / Virtual Reality is a research domain that is situated at the crossing of several domains as infography, simulation, teleoperation, collaborative work, etc. The 3D interaction is a core component of virtual reality. It allows the user to interact with the entities of the virtual environment. There exists different 3D interaction techniques that are dedicated to the different tasks of 3D interaction that are navigation, selection, manipulation and command control. In most cases, the 3D interaction techniques are only used to perform one of the 3D interaction tasks without taking into account the requirements of complex environments such as teleoperation environments and collaborative environments. Teleoperation tasks are complex tasks and must fulfill some constraints that are : very precise seizures of objects and secure selections and manipulations. The collaborative environments are worlds in which users interact between them to accomplish goals together. The complexity of these environments is related to the interaction of a group of users with shared entities. The aim of this work is to model, conceive, implement and evaluate our 3D interaction assistance system for mono and multi users. Our study is centred on the user and its interests in the virtual world. The concept of this study is based on the principle of anticipation of the user’s gesture by the assistance him. Our 3D interaction assistance system is considered as a mean to bypass the limitations of some 3D interaction classical techniques in order to make them usable in different contexts.

La réalité virtuelle est un domaine touchant à plusieurs disciplines. Par le biais de l’interaction 3D l’Homme peut accomplir des tâches dans un environnement virtuel en utilisant des techniques d’interaction 3D. Ces techniques sont souvent mono-tâches et s’appuient sur l’utilisation de matériel de réalité virtuelle bien spécifique. Le passage d’une tâche de l’interaction 3D à une autre est le plus souvent à la charge de l’utilisateur,ou bien du programmeur. Cependant de nombreux problèmes sont présents dans ces systèmes, dits de réalité virtuelle. En effet, des problèmes matériels le plus souvent dû aux technologies utilisées sont présents et peuvent induire un comportement erratique du système. De plus, il peut arriver que les techniques d’interaction 3D ne soient pas adaptées à l’application de réalité virtuelle, ou que celles-ci soient trop complexes à utiliser pour le novice. Tous ces problèmes nuisent à l’immersion de l’être humain dans l’environnement virtuel ainsi qu’aux performances de l’interaction 3D et donc à l’accomplissement de la tâche dans l’application de réalité virtuelle.L’objectif de ce travail est de proposer un système d’interaction 3D adaptative. Par interaction3D adaptative, on cherche à définir une interaction 3D qui soit continue tant au niveau des données qu’au basculement d’une tâche à l’autre. Nous avons donc modélisé et conçu un ensemble de composants pour accomplir cet objectif. Nous avons modélisé une technique d’interaction 3D pouvant être utilisé de manière continue même lors du basculement d’une tâche. Nous avons également conçu un système qui permet d’automatiser le basculement d’une tâche de l’interaction 3D vers une autre en estimant la tâche que souhaite accomplir l’utilisateur. Enfin, un dernier composant a pour rôle d’améliorer la précision et de garantir la continuité du tracking. / Virtual reality is a field involving multiple disciplines. Through the 3D interaction ofwe can perform tasks in a virtual environment using 3D interaction techniques. These techniques are often mono-task and are based on the use of specific virtual reality devices.The transition from a 3D interaction task to another is usually to the responsibility ofthe user, or programmer. Indeed, due to the technologies used, hardware problems are present and can induce erratic behaviors from the system. Moreover, it may happen that 3D interaction techniques are not suited to the application of virtual reality, or that they are too complex to use for the novice. All these problems affect the immersion of the user in the virtual environment and the performance of 3D interaction and thus, to accomplish the task in virtual reality application.The aim of this work is to propose an adaptive 3D interaction system. Adaptive 3Dinteraction, defines a 3D interaction thas is continuous in terms of data and switching from one task to another. So we have modeled and designed a set of components to accomplish this goal. We designed a 3D interaction technique which, can be used continuously even when switching to a task. We have also designed a system that automates the switch from a 3D interaction task to another task by estimating the task that the userwants to accomplish. The last component’s role is to improve accuracy and ensure thecontinuity of tracking data.

L’intérêt porté par l’archéologie à la réalité virtuelle est croissant. La réalité virtuelle est devenue un outil nécessaire pour l’exploration et l’étude des sites archéologiques, et plus particulièrement, les sites archéologiques sous-marins qui se révèlent parfois difficile d’accès. Les études actuelles proposent des solutions en réalité virtuelle ou en réalité augmentée sous forme d’environnements virtuels avec une interaction virtuelle et/ou augmentée mais aucune étude n’a vraiment essayé de comparer ces deux aspects de l’interaction. Nous présentons dans ce mémoire trois environnements en réalité virtuelle et un environnement en réalité augmentée où nous proposons des nouvelles méthodes d’interaction. Ainsi, nous évaluons leurs fonctionnalités d’un point de vue archéologique, nous étudions l’influence du niveau d’immersion sur les performances de l’interaction et nous réalisons une comparaison entre l’interaction en réalité virtuelle et en réalité augmentée. / The interest in archeology virtual reality is growing. Virtual reality has become a necessary tool for exploration and study of archaeological sites, and more specifically, the underwater archaeological sites that sometimes prove difficult to access. Current studies suggest solutions in virtual reality or augmented reality in the form of virtual environments with virtual interaction and/or augmented interaction but no studies have really tried to compare these two aspects of interaction. We present in this thesis three environments in virtual reality and an environment in augmented reality when we propose new methods of interaction. Thus, we evaluate their archaeological functionality, we study the influence of level of immersion on performance of the interaction and we make a comparison between interaction in virtual reality and interaction in augmented reality.

Les récentes évolutions technologiques des terminaux mobiles tels que les téléphones portables, assistants personnels ou GPS, ont été très importantes. Il est aujourd’hui possible d’af?cher en temps réel des scènes 3D complètes sur de tels appareils. Cependant, les spéci?cités ergonomiques et techniques des appareils mobiles risquent de rendre l’interaction avec l’environnement 3D dif?cile à réaliser ef?cacement. En particulier, les techniques d’interaction 3D développées pour les ordinateurs de bureau risquent de souffrir de l’absence de souris. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux contraintes et aux spéci?cités des ter- minaux mobiles et étudierons leur in?uence pour des tâches d’interaction 3D. La première partie du mémoire constitue une introduction aux différents domaines abordés dans cette thèse. Nous y dé?nirons le terme de “terminal mobile” et aborderons les spéci?cités technologiques et ergonomique de ces appareils. Nous introduirons également les notions essentielles de géométrie et d’interaction 3D. Nous nous intéresserons dans un second temps à l’interaction 3D avec un contrôle direct, utilisé dans beaucoup d’applications 3D. Dans ce mode d’interaction, les actions de l’utilisateur produisent des modi?cations dans l’environnement 3D en temps réel. Après une analyse de l’existant, nous présenterons nos travaux avec une technique d’inspection de modèles 3D qui utilise des informations telles que la profondeur ou la présence de contours dans l’image a?n de calculer des mouvements de caméra adaptés au contexte. La suite de la deuxième partie sera consacrée à l’étude de l’apport de l’utilisation de deux doigts sur un écran tactile multi-points. La troisième et dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’interaction 3D “plani?ée”. Ce mode d’interaction est plus adapté aux contraintes des terminaux mobiles et possède l’avantage d’offrir une interaction d’un plus haut niveau que ne l’offre le contrôle direct. Nous verrons dans cette partie la dé?nition exacte de ce mode d’interaction, ainsi que les différences, les forces et les faiblesses de cettemanière d’interagir avec un environnement 3D. Nous présenterons dans cette partie nos contributions, à savoir une technique de sélection de point 3D utilisable à l’aide des touches de l’appareil, ainsi qu’une technique de placement de caméra simple à utilisermais offrant un contrôle avancé, qui permet aux utilisateurs, novices ou experts, de spéci?er un point de vue à l’aide de quelques gestes simples seulement. / Mobile devices, such as phones, PDAs or GPS, are getting more and more powerful. They are now able to compute and to display 3D scenes in real time. However, mobile devices’ ergonomics and technical limitations may make 3D interaction hard to achieve ef?ciently. In particular, 3D interaction techniques developed for desktop computers may be affected by the lack of mouse. In this thesis, we will study mobile devices’ constraints and speci?cities, and their in?uences on 3D interaction tasks. The ?rst part of this thesis will be an introduction to the domains addressed in this thesis. We will de?ne the term “mobile device” and analyze their technical and ergonomic speci?cities. We will also de?ne some 3D geometry and 3D interaction basis. In the second part of the thesis, we will talk about 3D interaction with direct control, which is used in many 3D applications, where the user’s actions induce modi?cations into the 3D environment in real time. After presenting the related works, we will introduce a 3D inspection technique we have developed. This technique uses depth and contours information in order to compute camera movements adapted to the current context. The following of this second part will be dedicated to a study about bene?ts of using two ?ngers on a multitouch screen. The third part of this thesis is dedicated to “planned 3D interaction”. This kind of control is more adapted to the mobile devices’ constraints and offers a higher level of interaction than direct control. We will de?ne and analyze planned 3D interaction in this part. We will then present our contributions : a key based 3D navigation technique, and a 3D camera positioning technique based on some gestures which allows both expert and novice users to easily specify a point of view.

La réalité virtuelle est une discipline qui se situe à la croisée de plusieurs domaines tels que l'infographie, la simulation, la téléopération, le travail collaboratif, etc. L'interaction 3D est la composante motrice de la réalité virtuelle. Elle permet à l'utilisateur d'interagir avec les entités de l'environnement virtuel. Il existe différentes techniques d'interaction 3D qui sont dédiées aux différentes tâches d'interaction 3D à savoir la navigation, la sélection, la manipulation et le contrôle d'application. En général, la technique utilisée cherche à accomplir une tâche d'interaction 3D sans prendre en considération les exigences des environnements dédies pour la téléopération et les environnements collaboratifs. Les tâches de téléopération doivent respecter un certain nombre de contraintes, qui sont : des sélections et des manipulations sécurisées et précises. Les environnements collaboratifs sont des mondes dans lesquels les utilisateurs interagissent ensemble pour réaliser des tâches communes. La complexité de ces environnements est liée à l'interaction d'un groupe d'utilisateurs avec des entités partagées. <br />L'objectif de ce travail est de modéliser, de concevoir, d'implémenter et d'évaluer un système d'assistance à l'interaction 3D mono-utilisateur et multi-utilisateurs. Notre concept est centré sur l'utilisateur et ses intérêts dans le monde virtuel, il est basé sur le principe d'anticipation du geste de l'utilisateur par l'assistance de ce dernier. Notre système d'assistance peut être considéré comme un moyen de contourner les limitations de certaines techniques d'interaction 3D classiques afin de les rendre utilisables dans des contextes différents.

La communication haptique interpersonnelle est communément utilisée pour se saluer, se féliciter, ou de manière indirecte pour manipuler des objets lourds. Pourtant, la modalité haptique est absente des systèmes de communication à distance usuels. Les progrès récents de l'informatique et des réseaux de communication ont permis l'émergence d'environnements virtuels collaboratifs offrant un retour haptique aux utilisateurs. Les environnements virtuels collaboratifs constituent une solution prometteuse pour faciliter le travail collaboratif à distance. Les contextes applicatifs sont nombreux : entrainement militaire, assemblage mécanique, manipulation moléculaire, conception assistée par ordinateur.Toutefois, les utilisateurs d'environnements virtuels collaboratifs sont confrontés à deux types de problématiques : celles liées aux environnements virtuels 3D et celles liées à la collaboration à distance. En effet, il est difficile pour un utilisateur peu expérimenté d'interagir avec un environnement virtuel 3D. Se déplacer et manipuler des objets dans ce type d'environnement nécessite une bonne représentation mentale de l'espace.De plus, la collaboration à distance limite les possibilités et la qualité de la communication. Les informations dont disposent les utilisateurs sur leurs partenaires sont donc réduites. Dans ce contexte, la coordination des actions entre les utilisateurs devient plus complexe.L'objectif de ces travaux de thèse est donc de proposer des méthodes d'interaction visio-haptique pour faciliter la coordination et augmenter l'attention mutuelle entre les utilisateurs. Via l'amélioration de la coordination et de l'attention inter-utilisateurs, une augmentation des performances et de l'efficacité du travail collaboratif est escomptée.Trois types d'interactions fondamentales sont abordées dans un contexte collaboratif : la coordination des sélections, le paramétrage des sélections et la manipulation collaborative d'objet. Pour chacune des tâches d'interactions précédemment citées, des méthodes d'interaction ainsi que des outils de coordination et de communication ont été proposé et évalué.Ces travaux de thèse présentent les points forts mais aussi les défauts des méthodes d'interaction collaboratives fortement couplées. Les résultats obtenus montrent également l'importance de la communication haptique dans la collaboration à distance. / Haptic interpersonal communication is commonly used to salute, to congratulate, or indirectly to manipulate heavy objects. However, the haptic feedback is missing from the common communication systems. Recent developments in telecommunications and computer capabilities have made possible the use of haptic feedback in collaborative virtual environments. Collaborative virtual environments are a promising solution to facilitate remote work collaboration. They have many applications like: military training, engineering design, e-learning or video games.Nevertheless, users of collaborative virtual environments have to face several issues. First, interacting with a virtual environment is not a straightforward task. Navigate and manipulate objects in a virtual environment requires a good mental representation of space. Secondly, remote collaboration limits the communication quality because even the best video conference system can't support all the richness of a face to face communication. Information available on the partners are reduced thus coordinate actions between users become a complex task.The aim of this thesis is to propose visual haptic interactions to simplify coordination and increase mutual awareness between the users. Through the improvement of coordination and mutual awareness an increase of team performance and work efficiency is expected.Three kind of fundamental 3D interactions are addressed in collaborative context: the coordination of selections, the setting of selections and the manipulation of objects. For each of these three of fundamental interactions, several methods of interaction and tools of coordination are proposed and assessed.The findings of this thesis highlight the strengths and the weaknesses of the closely coupled method of interactions. The results of the experiments also confirm the importance of haptic communication in remote collaboration.

Les récentes évolutions technologiques des terminaux mobiles tels que les téléphones portables, assistants personnels ou GPS, ont été très importantes. Il est aujourd'hui possible d'afficher en temps réel des scènes 3D complètes sur de tels appareils.<br />Cependant, les spécificités ergonomiques et techniques des appareils mobiles risquent de rendre l'interaction avec l'environnement 3D difficile à réaliser efficacement. En particulier, les techniques d'interaction 3D développées pour les ordinateurs de bureau risquent de souffrir de l'absence de souris.<br /><br />Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux contraintes et aux spécificités des terminaux mobiles et étudierons leur influence pour des tâches d'interaction 3D. La première partie du mémoire constitue une introduction aux différents domaines abordés dans cette thèse. Nous y définirons le terme de ``terminal mobile'' et aborderons les spécificités technologiques et ergonomique de ces appareils. Nous introduirons également les notions essentielles de géométrie et d'interaction 3D.<br /><br />Nous nous intéresserons dans un second temps à l'interaction 3D avec un contrôle direct, utilisé dans beaucoup d'applications 3D. Dans ce mode d'interaction, les actions de l'utilisateur produisent des modifications dans l'environnement 3D en temps réel. Après une analyse de l'existant, nous présenterons nos travaux avec une technique d'inspection de modèles 3D qui utilise des informations telles que la profondeur ou la présence de contours dans l'image afin de calculer des mouvements de caméra adaptés au contexte. La suite de la deuxième partie sera consacrée à l'étude de l'apport de l'utilisation de deux doigts sur un écran tactile multi-points.<br /><br />La troisième et dernière partie de ce mémoire est consacrée à l'interaction 3D ``planifiée''. Ce mode d'interaction est plus adapté aux contraintes des terminaux mobiles et possède l'avantage d'offrir une interaction d'un plus haut niveau que ne l'offre le contrôle direct. Nous verrons dans cette partie la définition exacte de ce mode d'interaction, ainsi que les différences, les forces et les faiblesses de cette manière d'interagir avec un environnement 3D. Nous présenterons dans cette partie nos contributions, à savoir une technique de sélection de point 3D utilisable à l'aide des touches de l'appareil, ainsi qu'une technique de placement de caméra simple à utiliser mais offrant un contrôle avancé, qui permet aux utilisateurs, novices ou experts, de spécifier un point de vue à l'aide de quelques gestes simples seulement.

Cette thèse porte sur la simulation numérique d'un écoulement interne compressible, ins- tationnaire et turbulent à l'aide de la Simulation des Grandes Echelles (SGE). Dans cette approche, les grandes échelles énergétiques et instationnaires de l'écoulement sont calcu- lées, tandis que les petites échelles sont modélisées. L'objectif de ce travail, réalisé en collaboration avec le Consortium Industrie-Recherche dans les Turbomachines (CIRT) et le LEMFI, est d'analyser les potentialités de la SGE pour le calcul d'écoulements confinés en géométrie 3D en vue d'applications aux turboma- chines. Le cas d'étude retenu pour la validation de la méthodologie est l'écoulement dans une tuyère 3D transsonique pour lequel il existe de nombreux résultats statistiques (LEMFI) et expérimentaux (ONERA). La tuyère est caractérisée par une bosse en flèche sur la paroi basse génératrice d'effets 3D. L'écoulement, sans rotation, présente cependant les phénomènes physiques complexes d'interaction onde de choc/couche limite et de large dé- collement, comme ceux rencontrés au sein des turbomachines. La SGE est obtenue à partir d'un modèle de sous maille d'échelles mixtes développé au LIMSI-CNRS. La discrétisa- tion temporelle des équations est réalisée par un schéma de Runge-Kutta explicite d'ordre deux. Les flux Euler sont discrétisés par un schéma TVD d'Harten-Yee d'ordre deux tandis que les flux visqueux le sont par un schéma centré. La SGE a permis d'obtenir des informations instationnaires sur l'écoulement, et de mettre en évidence la formation et le lâcher de tourbillons dans la tuyère. La solution insta- tionnaire est différente de la solution stationnaire RANS obtenue avec une modélisation statistique classique et montre l'oscillation du choc et la déstabilisation du décollement au cours du temps. Les résultats de la SGE obtenus sur le nombre de Mach isentropique, les profils de la vitesse moyenne et les tensions de Reynolds sont discutés et comparés aux résultats expérimentaux (ONERA) et statistiques, obtenus avec le modèle de Launder- Shima (LEMFI). Le bilan de l'énergie cinétique turbulente (k) est analysé et comparé à celui donné par la modélisation statistique, dans le décollement. Les résultats de la SGE montrent des différences notables avec les résultats statistiques dans le c÷ur de la tuyère : les termes de fluctuations de pression importants mesurés dans le choc sont pris en compte par la SGE.

Dans la phase de conception d'un environnement virtuel (EV), il est nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs comme les périphériques d'entrées/sorties, la métaphore d'interaction ou encore le domaine d'application. En plus de ces considérations, un environnement virtuel collaboratif (EVC) doit prendre en compte l'aspect collaboratif de la métaphore d'interaction. Tout d'abord, la métaphore d'interaction doit pouvoir apporter la performance de la tâche la meilleure possible. Ensuite, l'influence de la métaphore d'interaction sur l'expérience des utilisateurs (au sens psychologique et social) constitue une importante question de recherche. Dans ce contexte, deux études expérimentales ont été menées : la première vise à étudier l'effet de métaphores de navigation sur l'expérience de l'utilisateur dans un EVC et la seconde s'intéresse à l'effet de métaphores de manipulation sur l'expérience de l'utilisateur dans un EVC. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse nous amènent à proposer un ensemble de critères et de règles de conception des EVCs