La présente thèse a pour but d’approfondir l’étude du geste dans le cadre de l’interaction Homme Machine. Il s’agit de créer de nouveaux paradigmes d’interaction qui offrent à l’utilisateur de plus amples possibilités d’expression basées sur le geste. Un des vecteurs d’expression du geste, très rarement traité en Interaction Homme Machine, qui lui confère sa coloration et son aspect, est ce que les théoriciens et praticiens de la danse appellent « les qualités de mouvement ». Nous mettons à profit des collaborations avec le domaine de la danse pour étudier la notion de qualités de mouvement et l’intégrer à des paradigmes d’interaction gestuelle. Notre travail analyse les apports de l’intégration des qualités de mouvement comme modalité d’interaction, fournit les outils propices à l’élaboration de cette intégration (en termes de méthodes d’analyse, de visualisation et de contrôle gestuel), en développe et évalue certaines techniques d’interaction.Les contributions de la thèse se situent d’abord dans la formalisation de la notion de qualités de mouvement et l’évaluation de son intégration dans un dispositif interactif en termes d’expérience utilisateur. Sur le plan de la visualisation des qualités de mouvement, les travaux menés pendant la thèse ont permis de démontrer que les modèles physiques masses-ressorts offrent de grandes possibilités de simulation de comportements dynamiques et de contrôle en temps réel. Sur le plan de l’analyse, la thèse a permis de développer des approches novatrices de reconnaissance automatique des qualités de mouvement de l’utilisateur. Enfin, à partir des approches d’analyse et de visualisation des qualités de mouvement, la thèse a donné lieu à l’implémentation d’un ensemble de techniques d’interaction. Elle a appliqué et évalué ses techniques dans le contexte de la pédagogie de la danse et de la performance. / The thesis studies gesture in the context of Human-Computer interaction. It aims at creating new interaction paradigms that offer the user further expressive possibilities based on gestures. The theorists and practitioners of the dance call "movement qualities” (MQ), a notion that conveys expressive content describing the way a gesture is performed. This notion has been rarely taken into consideration in the field of HCI. Our work draws on collaborations with the field of dance to explore the notion of movement qualities and to integrate it as interaction modality. 

The contributions of the thesis are in the formalism of the notion of movement qualities and evaluation of its integration as interaction modality in terms of user experience. 

We also provide computational tools for considering MQ in interactive systems in terms of analysis, representation and gesture control methods. On the representational level, our work have demonstrated that physical models based on masses and springs systems offer great opportunities for simulating dynamics related to MQs and for real-time gesture control. On the analysis level, we developed innovative approaches to automatic real time recognition of movement qualities. Finally, we implemented of a set of interaction techniques based on movement qualities that we applied and evaluated in the context of dance pedagogy and performance.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine des problèmes inverses en traitement du signal. Elle est consacrée à la conception d'algorithmes de restauration et de séparation de signaux parcimonieux et à leur application à l'approximation de courbes de forces en microscopie de force atomique (AFM), où la notion de parcimonie est liée au nombre de points de discontinuité dans le signal (sauts, changements de pente, changements de courbure). Du point de vue méthodologique, des algorithmes sous-optimaux sont proposés pour le problème de l'approximation parcimonieuse basée sur la pseudo-norme l0 : l'algorithme Single Best Replacement (SBR) est un algorithme itératif de type « ajout-retrait » inspiré d'algorithmes existants pour la restauration de signaux Bernoulli-Gaussiens. L'algorithme Continuation Single Best Replacement (CSBR) est un algorithme permettant de fournir des approximations à des degrés de parcimonie variables. Nous proposons aussi un algorithme de séparation de sources parcimonieuses à partir de mélanges avec retards, basé sur l'application préalable de l'algorithme CSBR sur chacun des mélanges, puis sur une procédure d'appariement des pics présents dans les différents mélanges. La microscopie de force atomique est une technologie récente permettant de mesurer des forces d'interaction entre nano-objets. L'analyse de courbes de forces repose sur des modèles paramétriques par morceaux. Nous proposons un algorithme permettant de détecter les régions d'intérêt (les morceaux) où chaque modèle s'applique puis d'estimer par moindres carrés les paramètres physiques (élasticité, force d'adhésion, topographie, etc.) dans chaque région. Nous proposons finalement une autre approche qui modélise une courbe de force comme un mélange de signaux sources parcimonieux retardées. La recherche des signaux sources dans une image force-volume s'effectue à partir d'un grand nombre de mélanges car il y autant de mélanges que de pixels dans l'image / This thesis handles several inverse problems occurring in sparse signal processing. The main contributions include the conception of algorithms dedicated to the restoration and the separation of sparse signals, and their application to force curve approximation in Atomic Force Microscopy (AFM), where the notion of sparsity is related to the number of discontinuity points in the signal (jumps, change of slope, change of curvature).In the signal processing viewpoint, we propose sub-optimal algorithms dedicated to the sparse signal approximation problem based on the l0 pseudo-norm : the Single Best Replacement algorithm (SBR) is an iterative "forward-backward" algorithm inspired from existing Bernoulli-Gaussian signal restoration algorithms. The Continuation Single Best Replacement algorithm (CSBR) is an extension providing approximations at various sparsity levels. We also address the problem of sparse source separation from delayed mixtures. The proposed algorithm is based on the prior application of CSBR on every mixture followed by a matching procedure which attributes a label for each peak occurring in each mixture.Atomic Force Microscopy (AFM) is a recent technology enabling to measure interaction forces between nano-objects. The force-curve analysis relies on piecewise parametric models. We address the detection of the regions of interest (the pieces) where each model holds and the subsequent estimation of physical parameters (elasticity, adhesion forces, topography, etc.) in each region by least-squares optimization. We finally propose an alternative approach in which a force curve is modeled as a mixture of delayed sparse sources. The research of the source signals and the delays from a force-volume image is done based on a large number of mixtures since there are as many mixtures as the number of image pixels