Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire décrit la conception d'une interface sensori-motrice de marche 1D destinée à des applications de Réalité Virtuelle, capable de simuler la marche naturelle sur place. La plupart des interfaces existantes ne permettent pas de marcher de façon naturelle en termes de longueur et de vitesse de pas. Notre état de l'art des interfaces de locomotion est suivi d'une analyse concernant la perception du mouvement ainsi que la biomécanique de la marche humaine, deux domaines de connaissance pris en compte lors de la conception de notre interface. Ainsi, le dimensionnement des actionneurs doit prendre en compte de nombreux facteurs liés à l'homme et à la nature des stimuli sensoriels que nous souhaitons restituer à l'utilisateur. En outre, notre interface possède une instrumentation spécifique permettant de mesurer efficacement les réponses motrices de l'utilisateur. Nous proposons également différentes stratégies de pilotage des pédales permettant de rendre l'interface la plus transparente possible pour l'utilisateur. Ces stratégies peuvent être facilement intégrées au niveau de la tâche de pilotage de l'interface en raison de son caractère fortement générique. Nous présentons enfin l'intégration de notre interface avec un environnement virtuel existant et proposons une validation basée sur des critères d'interaction et d'immersion sensori-motrices et mentales.

Les simulateurs de conduite permettent d’explorer certains domaines de recherche difficiles à appréhender en conditions réelles, comme l'intégration de différents signaux sensoriels (ex. visuel, vestibulaire, somesthésique) pour la perception du mouvement. Malgré leur complexité, les simulateurs de conduite ne produisent pas toujours une sensation de conduite réelle, spécialement dans les situations comportant des freinages ou des virages. Leurs limites mécaniques en sont la cause. En conséquence, les lois de mouvement des simulateurs sont basées sur la technique de la « tilt-coordination ». Cette technique consiste à incliner un véhicule de telle sorte que la force gravitationnelle soit équivalente à l’accélération gravito-inertielle (GIA) résultant d’une accélération linéaire. La « tilt-coordination » se base sur l'ambigüité perçue par le système vestibulaire entre un basculement et une translation. Sur simulateur de conduite, l'algorithme « washout » combine la « tilt-coordination » à des translations pour produire une sensation d'accélération linéaire. L'objectif de ces travaux de recherche est d'atteindre une meilleure compréhension de l'intégration multisensorielle pour la perception des accélérations linéaires en simulateur de conduite. Les expériences présentées ci-dessous montrent que la perception des décélérations linéaires dépend de la manière dont le basculement et la translation sont combinés pour produire une perception cohérente. Par ailleurs, nos résultats montrent qu'il y a une différence importante dans la perception des accélérations et des décélérations. Pour le freinage, le rapport basculement/translation le plus réaliste dépend du niveau de décélération. Pour l'accélération, le mouvement est généralement surestimé et dépend du niveau d'accélération. Dans ce cas, la perception ne dépend pas du rapport basculement/translation. Ces résultats suggèrent que les signaux visuels, vestibulaires et somesthésiques sont intégrés de façon Bayésienne. En conclusion, il n'est pas conseillé d'utiliser l'algorithme « washout » sans prendre en compte la non-linéarité de la perception humaine. Nous proposons un modèle qui décrit la relation entre le basculement, la translation et le niveau d'accélération ou décélération souhaité. Ce modèle peut être utilisé pour améliorer la loi du mouvement afin de produire des simulations de conduite plus réalistes. / Driving simulators allow the exploration of certain areas of research that are difficult to reach in normal conditions, like the integration of different sensory inputs (visual, vestibular and somesthesic) for perception of self-motion. In spite of their complexity, driving simulators do not produce a realistic sensation of driving, especially for braking and turnings. This is due to their mechanical limitations. As a consequence, driving simulators' motion algorithm is based on tilt-coordination technique, which assumes the tilt of the car so that the driver's force of gravity is oriented in the same way as the gravito-inertial acceleration (GIA) during a linear acceleration. This technique is based on the tilt-translation ambiguity of the vestibular system and is used on dynamic driving simulators in combination with linear translations in so-called washout algorithm, to produce a sensation of linear acceleration. The aim of the present research is to understand how humans use multiple sensory signals (vestibular, visual and somatosensory) during the perception of linear acceleration on a driving simulator. The conducted experiments show that the perception of motion depends on the manner tilt and translation are used together to provide a unified percept of linear acceleration. Further, our results show that there is an important difference on how humans perceive accelerations and decelerations. For braking, the most realistic tilt/translation ratio depends on the level of deceleration. For acceleration, the motion is generally overestimated and depends on the level of acceleration, but not on the variation of tilt/translation ratio. The results suggest that visual, vestibular and proprioceptive cues are integrated in an optimal Bayesian fashion. In conclusion, it is not advisable to use a washout algorithm without taking into account the non-linearity of human perception. We propose an empirically found data-driven fitting model that describes the relationship between tilt, translation and the desired level of acceleration or deceleration. This model is intended to be a supplement to motion cueing algorithms that should improve the realism of driving simulations.

Le développement de véhicules sans conducteur capables de se déplacer sur des routes urbaines pourrait offrir des avantages importants dans la réduction des accidents, le confort et la réduction des coûts des déplacements. Dans ce document, nous discutons la manière de créer un système de perception permettant à un robot de conduire sur des routes sans devoir adapter l'infrastructure, sans avoir besoin de visites précédentes, et en prenant en compte la présence de piétons et d'autres voitures. Nous affirmons que le processus de perception est spécifique à l'application visée et que, par nature, il doit être capable de gérer les incertitudes dans la connaissance du monde. Nous analysons le problème de perception pour une conduite sûre dans les environnements urbains et proposons une solution où le processus de perception est formulé comme un processus d'optimisation. Nous pensons aussi que le processus de perception pourrait bénéficier de la collaboration entre véhicules à proximité. Nous examinons ce problème et proposons une solution adaptée aux contraintes rencontrés dans les zones urbaines. Ici la question centrale est formulée comme un problème d'association de données. La conception théorique du nouveau système de perception est validé par des expérimentations à pleine échelle sur notre véhicule électrique automatisé, le Cycab.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Un simulateur de conduite dynamique est un outil permettant, entre autres, d’étudier les processus d’intégration multi-sensorielle pour la perception du mouvement et la production du comportement de conduite. Néanmoins, les limitations mécaniques des simulateurs, qui imposent des stratégies dynamiques pour simuler le réel, peuvent avoir un impact défavorable sur la perception et le comportement du conducteur. Cette problématique est particulièrement vraie pour la prise de virages qui demeure une situation difficile à reproduire de façon réaliste notamment à cause des variations importantes d’accélérations latérales. Dans ce contexte, cette thèse présente des travaux de recherches permettant de mieux comprendre les processus d’intégration multi-sensorielle (rôle des informations inertielles et visuelles) pour la perception du mouvement en virages et de caractériser l’évolution d’un percept en fonction des conditions de simulation.En conclusion, il a été démontré que la perception des accélérations latérales est basée sur des processus non-linéaires. Le rôle des informations visuelles et inertielles semble donc dépendre des individus et du contexte (notamment du niveau des accélérations latérales) dans lequel ces stimulations sont produites. Sur la base de l’ensemble de ces résultats, des nouvelles pistes d’amélioration du simulateur dynamique SHERPA² de PSA sont proposées. Il est préconisé notamment d’employer un gain du mouvement latéral dégressif avec l’augmentation du niveau d’accélération latérale. / A dynamic driving simulator is a tool, among others, allowing the study of multisensory integration for motion perception and production of driving behavior. Nevertheless, the mechanical limitations of the simulators which impose dynamic strategies to simulate the real can have an adverse negative impact on the driver perception and its behavior. This issue is particularly true for cornering which remains a difficult situation to reproduce in a realistic way, because of massive lateral accelerations variations. In this context, this thesis presents research works allowing to understand the processes of multisensory integration (role of inertial and visual information) for the motion perception in cornering and to characterize the evolution of a percept as a function of simulation conditions.In conclusion, it has been demonstrated that the perception of lateral accelerations is based on non-linear processes. The roles of visual and inertial information seem to depend on the individuals and on the context (notably the level of lateral accelerations) in which these stimulations are produced. Base on of the overall results, new ways for improvement of the dynamic driving simulator SHERPA2 are proposed. It is notably preconized to employ a lateral motion gain digressive with the increase of lateral acceleration.

Durant ses activités quotidiennes, un marcheur interagit avec son environnement et en particulier avec les autres marcheurs, notamment en évitant toute collision. La nature de l'information visuelle utilisée pour une interaction sans collision est une question encore très ouverte à ce jour. Dans ce cadre, cette thèse vise à répondre aux questions suivantes : quels sont les indices visuels qu'un individu perçoit à partir du mouvement des autres ? Quels sont les mécanismes d'interprétation possibles et les modèles utilisés pour déterminer les possibles risques de collision ? Afin de répondre à ces questions, nous avons mis en place des expérimentations impliquant des évitements de collision entre deux marcheurs en utilisant la réalité virtuelle, permettant un contrôle détaillé de l'environnement visuel et des informations visuelles disponibles. La première étude s'est concentrée sur la nature de l'information visuelle fournie par un autre marcheur, en particulier, si ces informations sont extraites d’une perception locale considérant les segments corporels, ou d’une perception globale du mouvement du corps. La deuxième étude s'est concentrée sur l’influence de la trajectoire de l’autre marcheur (en ligne droite ou en courbe) sur la capacité à estimer de façon précise un possible risque de collision. Enfin, la troisième étude s'est concentrée sur l’effet du contact visuel sur l'interaction entre les deux marcheurs. Nous avons présenté ici le couplage entre les possibilités d'action perçues et les possibilités offertes par la nature de l'information visuelle et démontré que les marcheurs peuvent détecter les collisions futures prévues lorsqu'un autre marcheur suit une trajectoire avec des accélérations constantes. / During daily activities, a walker interacts with their environment, especially the other walkers, avoiding any collision with them. The nature of visual information that is used for a collision-free interaction requires further understanding. Specifically, the thesis aims to answer the following questions: what are the visual cues an individual perceives from the movement of others? What are the possible interpretation mechanisms and models used for determining future predicted crossing distances? To answer these questions, we designed experiments considering collision avoidance interactions between two walkers in virtual reality, allowing detailed control of the visual environment and the available visual information. The first study of the thesis focused on the nature of visual information provided from another walker, investigating whether these visual cues are extracted from local body parts or from global perception of the body motion. The second study investigated the influence of the walker's path (straight or curved), which the participant is interacting with for the accurate estimation of future risk of collision. Finally, the third study investigated whether eye contact influences the interaction. Here we have demonstrated the coupling of perceived actionopportunities affordances from the nature of visual information and evidenced that walkers can detect future predicted collisions when another walker follows a path with constant acceleration.

La perception visuelle du mouvement est essentielle à l’exécution de déplacements sécuritaires ainsi qu’à l’interaction efficace avec notre environnement. C’est pourquoi il est nécessaire de comprendre la nature des mécanismes responsables de l’analyse de l’information sur le mouvement, ainsi que l’effet du vieillissement sur la réponse de ces mécanismes. Deux études seront présentées. La première avait pour but l’analyse des mécanismes responsables de la perception du mouvement de rotation fractale, nouveau stimulus introduit par Benton, O’Brien & Curran (2007). Ce type de stimulus a été créé afin d’isoler les mécanismes sensibles à la forme. Plusieurs auteurs ont suggéré que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre utiliseraient les indices de position afin d’extraire l’information sur le mouvement (Seiffert & Cavanagh, 1998). Ainsi, la présente étude visait à déterminer si la rotation fractale est analysée par de tels mécanismes. Les résultats obtenus suggèrent que les mécanismes sensibles à la rotation fractale seraient basés sur l’orientation; tandis que ceux sensibles à la rotation de premier ordre, basés sur l’énergie. De plus, une certaine dissociation des mécanismes responsables du traitement de la rotation fractale et de premier ordre serait présente. La deuxième étude avait pour but, quant à elle, d’établir l’effet du vieillissement sur l’intégration du mouvement de premier et deuxième ordre. Les résultats indiquent que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre seraient davantage affectés, comparativement à ceux de premier ordre. Ainsi, les fonctions visuelles requérant une intégration corticale de plus haut niveau seraient davantage affectées par l’effet du vieillissement. / Motion perception ensures the execution of safe navigation, as well as efficient interaction with the environment. As such, it is essential to understand the nature of mechanisms ensuring motion perception, as well as effects of aging on their response. Two studies will be presented. The first aimed at identifying the nature of mechanisms responsible for the perception of fractal rotation, a novel stimulus introduced by Benton et al. (2007). This stimulus has been created to isolate form sensitive mechanisms. Several authors have suggested that second-order motion sensitive mechanisms use position cues to extract motion (Seiffert & Cavanagh, 1998). Hence, the following study aimed at determining whether fractal rotation is analyzed by such mechanisms or not. Results suggest fractal rotation sensitive mechanisms use orientation changes, whereas first-order sensitive mechanisms use energy. Moreover, dissociation between first-order and fractal rotation mechanisms has been observed. The second study aimed at establishing the effect of aging on first- and second-order motion integration. Results indicate second-order sensitive mechanisms would be more affected by aging, than first-order mechanisms. Accordingly, visual functions requiring higher order cortical integration are more likely to be more affected by aging.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.