L'analyse d'événements aériens révèle que la plupart des accidents aéronautiques ont pour origine une surveillance inadaptée de paramètres de vol induite par une vigilance réduite, le stress ou une charge de travail importante. Une solution prometteuse pour améliorer la sécurité aérienne est d'étudier le regard des pilotes. La pupille est un bon indicateur de l'état attentionnel/cognitif tandis que les mouvements oculaires révèlent des stratégies de prises d'information. La question posée dans ce manuscrit est d'évaluer l'apport de l'oculométrie pour la sécurité aérienne par les contributions suivantes : 1-2) Les deux premières études de ce doctorat ont démontré que les effets d'interaction entre la luminance et la charge cognitive sur la réaction pupillaire. La composante pupillaire impactée dépend de la nature de la charge - soutenue ou transitoire. 3) Un cadre mathématique développé fournit un moyen d'illustration de schémas visuels pour l'analyse qualitative. Ce cadre ouvre également la voie à de nouvelles méthodes pour comparer quantitativement ces schémas visuels. 4) Une technique originale d'analyse de fixations et de construction d'un ratio "exploration-exploitation" est proposée et est appliquée dans deux cas d'études en simulateur de vol. 5) Enfin, on propose un cadre théorique d'intégration de l'oculométrie dans les cockpits. Ce cadre comporte quatre étapes présentées dans, à la fois, l'ordre chronologique de l'intégration et la complexité technique de réalisation. / Most aviation accidents include failures in monitoring or decision-making which are hampered by arousal, stress or high workload. One promising avenue to further enhance the flight safety is looking into the pilots' eyes. The pupil is a good indicator of cognitive/attentional states while eye movements reveal monitoring strategies. This thesis reflected upon the application of eye tracking in aviation with following contributions: 1-2) The two pupil experiments revealed that the luminance impacts the cognitive pupil reaction. Depending on the nature of the cognitive load - sustained or transient - the corresponding pupillary component would be impacted. The same amount of cognitive load under dimmer luminance condition would elicit larger tonic pupil diameter in a sustained load paradigm and larger phasic pupil response in a transient load paradigm. 3) We designed a novel mathematical framework and method that provide comprehensive illustrations of scanpaths for qualitative analysis. This framework also makes a lane for new methods of scanpaths comparison. 4) The developed technique of analysis of fixations and construction of "explore-exploit" ratio is presented and verifed on the data from two experiments in flight simulators. 5) Eventually, we proposed a framework of eye tracking integration into the cockpits. It contains four stages presented in both chronological order of its integration and technical complexity.

Outre ses effets sur le système visuel classique permettant la formation des images, la lumière agit sur plusieurs fonctions « non-visuelles ». Celles-ci incluent la constriction pupillaire, la température corporelle, la sécrétion hormonale, le cycle veille-sommeil, la vigilance et les performances cognitives. Les fonctions non-visuelles sont préférentiellement sensibles aux lumières à longueurs d’ondes courtes (lumière bleue) en comparaison aux longueurs d’ondes plus longues (lumière verte). Il est proposé que le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la sensibilité des fonctions non-visuelles à la lumière. Cette recherche vise à évaluer les effets de l’âge sur la constriction pupillaire et la sensibilité cérébrale à la lumière lors de l’exécution de tâche cognitive. Deux groupes de sujets, 16 jeunes (18-30 ans) et 14 âgés (55-70 ans), ont suivis un protocole de pupillométrie visant à mesurer la dynamique pupillaire lors d’exposition à des lumières bleues et vertes monochromatiques de trois intensités différentes. Les résultats ont montré davantage de constriction en bleu qu’en vert et des effets plus importants suivant l’augmentation de l’intensité lumineuse. Nos résultats ne montrent cependant pas de différence d’âge sur la constriction pupillaire à la lumière suggérant la préservation de cette réponse non-visuelle. Dans un deuxième temps, les mêmes sujets ont exécuté une tâche cognitive en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) tandis qu’ils étaient maintenus dans la noirceur, ou exposés à des lumières bleues. Les résultats ont montré une diminution des effets de la lumière avec l’âge dans le thalamus, l’amygdale, l’insula et l’aire ventrale tegmentale, régions engagées dans la vigilance, l’attention et les processus émotionnels. Les modifications qui s’opèrent sur les différentes fonctions non-visuelles avec l’âge ne semblent pas homogènes. Ces résultats corroborent les évidences animales qui montrent différents seuils de sensibilités à la lumière et la présence de réseaux neuronaux partiellement indépendants pour les diverses réponses non-visuelles. De plus, ils sont les premiers à démontrer que les effets neuronaux stimulants de la lumière bleue sur la cognition sont diminués avec l’âge. Les recherches devront évaluer si cette diminution de sensibilité influence les performances cognitives au cours du vieillissement. Enfin, un raffinement de nos connaissances permettra de mieux adapter l’environnement lumineux avec l’âge. / Notwithstanding its effects on the classic visual system allowing image formation, light acts upon several «non-visual» functions including body temperature, hormonal secretions, sleep-wake cycle, alertness and cognitive performances. Results have shown that non-visual functions are maximally sensitive to blue wavelength (460-480nm), in comparison the longer light wavelengths (i.e. green: 550nm). Changes as to the sensitivity of these responses during the aging process were reported. In our research project, two groups of subjects, 16 young (18-30) and 14 older (55-70), followed a pupillometry protocol in order to measure the pupillary dynamic while being exposed to three different intensities of blue and green monochromatic lights. Results revealed more constrictions in blue than in green lights, and significant effects following the increase of light intensity. Our results also demonstrated a similar pupillary constriction between the two age groups, suggesting that this non-visual response remains intact with age. In the second phase, the same subjects executed cognitive tasks involving functional magnetic resonance imaging while maintained in darkness, or exposed to blue monochromatic lights. Results indicate a decrease of the impact of light with age namely, at the level of the thalamus, amygdala, insula and in the tegmental ventral area. These brain regions are involved in alertness, awakeness, attention and emotional processes. Consequently, the modifications which occur in the different non-visual responses during the aging process do not appear to be homogeneous. Our results are coherent with animal evidences which demonstrate different sensitivity thresholds to light and the presence of neuronal networks partially independent for various non-visual responses. In addition, they are the first indications of a decrease of the stimulating neuronal effects of light during the aging process. Future studies will help to verify whether the brain sensitivity reduction is linked to age-related behavioral differences. A better understanding of light effects on non-visual functions will permit an adapted light exposure in healthy aging and will also contribute to optimal lighting environment.

Les dérèglements émotionnels ont été largement avancés dans le développement et le maintien des conduites addictives. Ces perturbations des processus émotionnels sont associées à l’utilisation privilégiée de stratégies compensatoires mal adaptées qui vont à leur tour entériner les conduites addictives et entraver une consolidation de l’abstinence. Ce travail vise une meilleure compréhension des facteurs de vulnérabilité de la rechute à l’alcool par l’étude de l’évolution des compétences émotionnelles avec l’abstinence à travers trois volets expérimentaux. Pour cela, nous étudierons spécifiquement les mécanismes de régulation émotionnelle considérés comme centraux dans la problématique addictive. Nous utiliserons des outils particuliers pour étudier ces mécanismes que sont des indicateurs physiologiques du système nerveux autonome.Dans un premier volet, nous avons étudié les réponses du système sympathique par la mesure du diamètre pupillaire en réponse à la présentation d’images neutres etémotionnelles (positives et négatives). Nous avons démontré qu’en situation d’induction émotionnelle les patients abstinents à court terme présentent une activation plus forte du système d’alerte sympathique que les abstinents à long terme et les participants contrôles. Le niveau intermédiaire de la réponse pupillaire observé chez les abstinents à long terme suggère une amélioration partielle dans l’activation sympathique à la présentation d’une information émotionnelle (étude 1). La variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) est un indicateur du système parasympathique, est reconnue comme marqueur de la régulation émotionnelle. L’étude de la VFC avant pendant et après une situation d’induction émotionnelle a montré une normalisation de la VFC en réponse aux stimuli émotionnels avec une abstinence à long terme. Cependant, les résultats pour les stimuli à valence négative ne sont pas différents entre les groupes abstinents à court et à long terme. Ce pattern de réponse appuie l’hypothèse d’un maintien de vulnérabilité aux émotions négatives en dépit d’une abstinence prolongée. De plus, une corrélation négative a été observée pour les deux groupes de patients entre les scores de craving et une augmentation de la VFC (étude 2). Enfin, dans un dernier volet expérimental, nous avons investigué les compétences et difficultés de régulation émotionnelle par des autoquestionnaires(CERQ et DERS) auprès de patients abstinents de quelques semaines à plusieurs années. Les résultats supportent l’hypothèse d’une limite de récupération capacités après deux ans d’abstinence (étude 3). L’étude de l’étendue des récupérations des compétences émotionnelles est une piste majeure dans la consolidation de l’abstinence. Ces trois études confirment la récupération des compétences émotionnelles avec l’abstinence mais surtout la persistance d’une vulnérabilité dans les processus émotionnels. Le caractère partiel des récupérations de ces mécanismes suppose non seulement le maintien d’une vulnérabilité en dépit d’une abstinence prolongée et met également en évidence la nécessité d’un travail d’accompagnement dans la remédiation de ces compétences à long terme. Un ensemble de perspectives de recherches et d’applications cliniques s’ouvrent au regard de ces résultats, et seront ici discutées. / Emotional disorders are recognized as a major factor of development andcontinuity of addictive behavior. These perturbations of the emotional processes areassociated with the preference given to ill-suited compensatory strategies which will inturn perpetuate addictive behaviors and interfere with the consolidation of abstinence.This study aimed to give a better understanding of the vulnerability factors of alcoholrelapse by studying the evolution of emotional competence with abstinence over threeexperimental chapters. For this purpose, we looked more closely at the mechanisms ofemotional regulation, which are considered as crucial in the addiction problem. In orderto study these mechanisms we used specific tools like the physiological cues of theautonomic nervous system.In a first chapter, we studied sympathetic system response by measuringpupillary diameter after exposure to neutral and emotional pictures (positive andnegative). We showed that when exposed to emotional induction, short-term abstinentpatients showed a stronger activation of the sympathetic nervous system than long-termabstinent patients as well as the control group. The intermediary level of pupillaryresponse found among long-term abstinent patients suggests a partial improvement ofsympathetic activation when exposed to emotional information (study 1). Heart RateVariability (HRV) is an indicator of the parasympathetic system and is viewed as amarker of emotional regulation. The study of HRV before, during and after a situation ofemotional induction showed a normalization of HRV in response to emotional stimuliwith long-term abstinence. However, results for stimuli with negative valence are notdifferent between the long-term and short-term abstinence groups. This responsepattern supports the hypothesis that there is still a vulnerability to negative emotionsdespite the prolonged abstinence. Moreover, a negative correlation between cravingscores and increase of HRV has been observed for the two patient groups (study 2).Finally, in a last experimental chapter, emotional competence and emotional regulationdifficulties were assessed by presenting the Difficulties in Emotion Regulation Scale(DERS) and the Cognitive Emotion Regulation Questionnaire (CERQ) to few weeks tofew years abstinent patients. Results support the hypothesis of a recovery shift of twoyears of abstinence for these abilities (study 3).The study of the extent of the recoveries of emotional competence is a major leadfor the consolidation of abstinence. Those three studies confirm the retrieval ofemotional competence with abstinence but they particularly show the persistence of avulnerability in the emotional processes. The fact that there is a recovery shift for thosemechanisms not only involves the continuity of a vulnerability despite a prolongedabstinence, but also underlines the need of a work of support for the remediation ofemotional competence in the long term. These results can lead to several researchprospects and clinical applications that will be discussed here.

La fatigue mentale est un état complexe qui résulte d'une activité cognitive prolongée. Les symptômes de la fatigue mentale inclus des changements d'humeur, de motivation et une détérioration temporaire de diverses fonctions cognitives. Plusieurs recherches approfondies ont été menées pour développer des méthodes de reconnaissance des signes physiologiques et psychophysiologiques de la fatigue mentale. Les signes psychophysiologiques concernent principalement signaux d'activité cérébrale et leur relation avec la psychologie et la cognition. Celles-ci ont permise le développement de nombreux modèles basés sur l'IA pour classer différents niveaux de fatigue, en utilisant des données extraites d'un appareil eye-tracking, d'un électroencéphalogramme (EEG) pour mesurer l’activité cérébrale ou d'un électrocardiogramme (ECG) pour mesurer l’activité cérébrale. Dans cette mémoire, nous présentons le protocole expérimental et développé par mes directeurs de recherche et moi-même, qui vise à la fois à générer et mesurer la fatigue mentale, et à proposer des stratégies efficaces de récupération via des séances de réalité virtuelle couplées à des dispositifs EEG et eye tracking. Réussir à générer de la fatigue mentale est nécessaire pour générer un ensemble de données suivant l’évolution de la fatigue et de la récupération au cours de l’expérience, et sera également utilisé pour classer différents niveaux de fatigue à l’aide de l’apprentissage automatique. Cette mémoire fournit d'abord un état de l'art complet des facteurs prédictifs de la fatigue mentale, des méthodes de mesure et des stratégies de récupération. Ensuite, l'article présente un protocole expérimental résultant de l'état de l'art pour (1) générer et mesurer la fatigue mentale et (2) évaluer l'efficacité de la thérapie virtuelle pour la récupération de la fatigue, (3) entrainer un algorithme d'apprentissage automatique sur les données EEG pour classer 3 niveaux de fatigue différents en utilisant un environnement simulé de réalité virtuelle (VR). La thérapie virtuelle est une technique favorisant la relaxation dans un environnement simulé virtuel et interactif qui vise à réduire le stress. Dans notre travail, nous avons réussi à générer de la fatigue mentale en accomplissant des tâches cognitives dans un environnement virtuel. Les participants ont montré une diminution significative du diamètre de la pupille et du score thêta/alpha au cours des différentes tâches cognitives. Le score alpha/thêta est un indice EEG qui suit les fluctuations de la charge cognitiveet de la fatigue mentale. Divers algorithmes d'apprentissage automatique ont été formés et testés sur des segments de données EEG afin de sélectionner le modèle qui s'ajuste le mieux à ces données en ce qui concerne la métrique d'évaluation "précision équilibrée" et "f1". Parmi les 8 différents classificateurs, le SVM RBF a montré les meilleures performances avec une précision équilibrée de 95 % et une valeur de mesure f de 0,82. La précision équilibrée fournit une mesure précise de la performance dans le cas de jeu de données déséquilibrées, en tenant compte de la sensibilité et de la spécificité, et le f-score est une mesure d'évaluation qui combine les scores de précision et de rappel. Finalement, nos résultats montrent que le temps alloué à la thérapie virtuelle n'a pas amélioré le diamètre pupillaire en période post-relaxation. D'autres recherches sur l'impact de la thérapie devraient consacrer un temps plus proche du temps de récupération standard de 60 min. / Mental fatigue is a complex state that results from prolonged cognitive activity. Symptoms of mental fatigue can include change in mood, motivation, and temporary deterioration of various cognitive functions involved in goal-directed behavior. Extensive research has been done to develop methods for recognizing physiological and psychophysiological signs of mental fatigue. Psychophysiological signs are mostly concern with patterns of brain activity and their relation to psychology and cognition. This has allowed the development of many AI-based models to classify different levels of fatigue, using data extracted from eye-tracking devices, electroencephalogram (EEG) measuring brain activity, or electrocardiogram (ECG) measuring cardiac activity. In this thesis, we present the experimental protocol developed by my research directors and I, which aims to both generate/measure mental fatigue and provide effective strategies for recuperation via VR sessions paired with EEG and eye-tracking devices. Successfully generating mental fatigue is crucial to generate a time-series dataset tracking the evolution of fatigue and recuperation during the experiment and will also be used to classify different levels of fatigue using machine learning. This thesis first provides a state-of-the-art of mental fatigue predictive factors, measurement methods, and recuperation strategies. The goal of this protocol is to (1) generate and measure mental fatigue, (2) evaluate the effectiveness of virtual therapy for fatigue recuperation, using a virtual reality (VR) simulated environment and (3) train a machine learning algorithm on EEG data to classify 3 different levels of fatigue. Virtual therapy is relaxation promoting technique in a virtual and interactive simulated environment which aims to reduce stress. In our work, we successfully generated mental fatigue through completion of cognitive tasks in a virtual simulated environment. Participants showed significant decline in pupil diameter and theta/alpha score during the various cognitive tasks. The alpha/theta score is an EEG index tracking fluctuations in cognitive load and mental fatigue. Various machine learning algorithm candidates were trained and tested on EEG data segments in order to select the classifier that best fits EEG data with respect to evaluation metric ‘balanced accuracy’ and 'f1-measures'. Among the 8 different classifier candidates, RBF SVM showed the best performance with 95% balanced accuracy 0.82 f-score value and on the validation set, and 92% accuracy and 0.90 f-score on test set. Balanced accuracy provides an accurate measure of performance in the case of imbalanced data, considering sensitivity and specificity and f-score is an evaluation metric which combines precision and recall scores. Finally, our results show that the time allocated for virtual therapy did not improve pupil diameter in the post-relaxation period. Further research on the impact of relaxation therapy should allocate time closer to the standard recovery time of 60 min.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.