Notre recherche s’inscrit dans le domaine du génie industriel et se positionne plus précisément dans le design. L’objet général de cette thèse est d’intégrer la Réalité Virtuelle immersive comme outil de représentation dans le processus de conception des produits nouveaux, afin d’améliorer la boîte à outils du designer, de le comparer et d’analyser son influence par apport aux outils de représentation Traditionnels (T) et Numériques (N), d’aide à la création et à la communication des idées utilisés en Design. Pour les outils T et N, nous analyserons plus particulièrement le dessin, la maquette physique et les logiciels de Conception Assisté par Ordinateur (CAO). Notre but est de proposer une méthode destinée à aider plus particulièrement deux acteurs de la conception (le designer et l’architecte) à mieux choisir leur outil de représentation durant le processus de design. Nous montrerons l’utilité d’intégrer la Réalité Virtuelle RV comme une nouvelle technologie à leur démarche de travail. Les expérimentations menées nous permettent ainsi de dégager les rapports de la RV dans le processus de design. Ainsi, de montrer : - une influence positive de la RV sur l’évaluation esthétique (selon la vision du designer) et technique (selon la vision des acteurs de la conception) du produit nouveau. - une meilleure compréhension de l’objet par les intervenants spécialistes (industriels, décideurs..) et les non-spécialistes (utilisateurs, consommateurs..). Notre recherche ouvre des perspectives pour élargir l’application de la RV dans d’autres projets et d’améliorer l’outil à travers de la naissance d’une série d’applications réservées au designer / Our research is in the field of industrial engineering and it is positioned specifically in the design. The general purpose of this thesis is to integrate the immersive Virtual Reality as a tool of representation in the process of new products design to enhance the toolkit of the designer, to compare and analyze its influence by providing the tools of traditional (T) and digital (N) and to support the creation and communication of ideas used in Design. For these tools of T and N, we will analyze in particular drawing, mock-up and software for computer aided design (CAD). Our goal is to propose a method to help especially the two actors of design (the designer and the architect) to choose the best tool for representation during the design process. We show the usefulness of integrating Virtual Reality VR technology as a new approach to their work. The experiments conducted allow us to identify the relationship of VR in the design process. Thus, to show: - A positive influence of VR on the aesthetic evaluation (according to the vision of the designer) and technology (according to the vision of those involved in design) of new product. - A better understanding of the subject specialists by stakeholders (industry, policy makers ...) and non-experts (users, consumers ...). Our research offers a potential to broaden the application of VR in other projects and improve the tool through the birth of a number of applications available to the designer

Cette thèse traite de l’utilisation des technologies de Réalité Virtuelle (RV) dans les activités de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Plus précisément, les travaux de recherche portent sur une approche pour la modification directe et interactive d’objets CAO, notamment adaptée aux processus de conception en industrie. Généralement, les logiciels de CAO requièrent des compétences (expérience et connaissance), à la fois sur les fonctionnalités même du logiciel et les représentations utilisées, ainsi que sur les objets CAO concernés (principalement sur leur historique de construction, savoir de quelle façon ils ont été construits). D’un autre coté, la RV apporte de nouveaux paradigmes d’interaction 3d, tels que l’immersion et la perception multi-sensorimotrice (stéréoscopie, audio 3d, haptique, etc.), et il apparaît nécessaire de disposer de middleware intelligents pour gérer les objets CAO dans ces Environnements Virtuels (EV) immersifs. De précédents travaux ont proposé un mécanisme d’édition implicite d’objets CAO permettant la modification du Graphe d’Historique de Construction (GHC) de ces objets à partir de la manipulation de la représentation visuelle 3d de ces objets. Basé sur un processus d’étiquetage des éléments de frontière (B-Rep), et couplé avec un moteur d’inférence, ce mécanisme décrit un chaînage arrière entre ces éléments de frontières et les opérateurs d’un GHC. Cependant, cette approche avait pour limite majeure de proposer un modèle particulier de GHC, ce qui l’empêchait d’être intégrée à des systèmes CAO fermés ou commerciaux tels que ceux utilisés dans l’industrie et en particulier l’industrie automobile. Notre première contribution consiste donc en la proposition d’un modèle et d’une architecture permettant de généraliser ce mécanisme de chaînage arrière à n’importe quel système CAO basé sur les représentations de type B-Rep et GHC. Pour ce faire, nous avons spécifié plusieurs structures d’encapsulation pour la gestion des opérateurs du GHC ainsi que de leurs paramètres, et des composants de B-Rep. Deuxièmement, le précédent étiquetage, désormais attaché à ces structures d’encapsulation et non plus aux éléments de B-Rep directement, a été étendu pour permettre un chaînage arrière multiple. Certains éléments de frontières peuvent en effet être le résultat de plusieurs opérateurs du GHC, être liés à plusieurs éléments "parents", et ainsi plusieurs décisions peuvent être inférées à partir de leur manipulation. Ces avancées rendent possible la modification directe et intuitive d’objets CAO déjà existants (i.e. via le parcours et l’analyse de base de données CAO précédemment créées), en analysant leur GHC et en remplissant nos structures avec les données nécessaires. De plus, le mécanisme de chaînage arrière multiple renforce la capacité du moteur d’inférence, à libérer les utilisateurs, et spécialement les non-experts, de connaissances trop complexes à propos des modèles CAO. Comme preuve de concept de notre modèle, nous présentons un exemple détaillé de notre approche sur le noyau géométrique de CATIA et montrons comment notre modèle permet d’envisager un nouveau concept d’interaction en revue de projet immersive : permettre aux participants de modifier directement les modèles CAO sans quelque interaction sur station de travail. / This thesis addresses the use of Virtual Reality (VR) technologies in the activities of Computer-Aided Design (CAD). More precisely, this research focuses on an approach for direct and interactive modifications of CAD objects, an approach which might be adapted to the conception process in industry. Usually, CAD software requires some skills (experience and knowledge), on the software’s functionalities and representations, as well as on CAD objects (principally on their design history, on the way they were built). Moreover, VR technologies bring new interactive paradigms of 3D interaction, such as immersion and multi-sensorimotor perception stereoscopy, 3D audio, haptics, and so on), and one needs intelligent middleware to manage CAD objects in these immersive Virtual Environments (VE). Some previous work proposed a mechanism allowing implicit edition of CAD objects, from the manipulation of their 3D visual representations. Based on a technique of Boundary Representations (B-Rep) elements labelling, and coupled with an inference engine, this mechanism describes a backward chaining of B-Rep elements towards the operators of a dedicated model of Constructive History Graphs (CHG). However, this approach had a major limitation: since it was based on a specific model of CHG, its integration within commercial CAD softwares used in industry (and especially in automotive industry) was far from obvious. Our first contribution is then to propose a data model and an architecture to generalize this backward chaining mechanism to any of CAD system based on B-Rep and CHG representations. In order to do that, we have designed several encapsulations structures, to manage CHG operators and their parameters, and the B-Rep components. Secondly, the previous labelling, now attached to these structures, has been extended to enable a multi backward chaining. Actually, some B-Rep elements may be the result of several CHG operators, and thus, several decisions may be inferred from their manipulation. These improvements make possible to have direct and interactive modifications of existing CAD objects by parsing their CHG to fill our structures with useful data. Moreover, the multi backward chaining mechanism reinforces the ability of the inference engine to free users, especially non-expert ones, from too complex understandings on CAD models. As a proof of concept of our model, we present an detailed example of our approach on the geometric kernel of CATIA and we show how one can consider new concepts of interaction during immersive project reviews: to allow participants to directly modify CAD objects without any interaction on desktop workstation.

Cette thèse vise à avoir une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent la perception visuelle spatiale, et plus particulièrement la perception de la distance égocentrique. Nous cherchons à déterminer les raisons qui font que la distance égocentrique est, en général, sous-estimée lorsque l’observateur est placé dans un dispositif de réalité virtuelle par rapport au monde réel. Dans une première étude, nous montrons que la présence d’indice visuels liés à la parallaxe du mouvement de la tête impacte le comportement de suivi de véhicule des conducteurs en simulateur de conduite de manière différente selon qu’elle est couplée à une vision stéréoscopique ou non. Dans la seconde étude, nous montrons que l’étude de la variabilité interpersonnelle peut se révéler très informative et conduit à penser que le phénomène de sous-estimation de la distance en réalité virtuelle n’est pas généralisable à tous les participants. Dans la troisième étude, par le biais d’un modèle d’identification de facteur de gains, nous proposons une méthode afin de distinguer l’effet des erreurs de perceptions de distance égocentrique de celui des erreurs de perception de la distance parcourue. Les résultats de ces études montrent que la variabilité inter-individuelle doit être prise en compte dans l’évaluation de la perception spatiale. Ils apportent de plus des éléments de preuve en faveur d’une utilisation de différents référentiels spatiaux dépendant de la tâche demandée et pouvant varier significativement d’un individu à l’autre. Ces résultats sont à prendre en compte dès lors qu’on cherche à généraliser au monde réel les résultats d’études effectuées grâce à la réalité virtuelle. / This thesis aims to better understand the mechanisms that underlie spatial visual perception, and more particularly the perception of egocentric distance. We seek to determine the reasons that egocentric distance is, in general, underestimated when the observer is placed in a virtual reality device in relation to the real world. In a first study, we show that the presence of visual cues related to the head motion parallax impacts the drivers behavior in driving simulator differently depending on whether it is coupled to a stereoscopic vision or not. In the second study, we show that the analyse of interpersonal variability can be very informative and leads us to believe that the phenomenon of underestimation of distance in virtual reality is not generalizable to all participants. In the third study, using a gain factor identification model, we propose a method to distinguish the effect of egocentric distance perceptual errors from the perception of distance traveled. The results of these studies show that inter-individual variability must be taken into account in the evaluation of spatial perception. In addition, its provide evidence for the use of different spatial referenceframe that depend on the task requested and can vary significantly from one individual to another. These results are to be taken into account when one seeks to generalize to the real world the results of studies carried out thanks to the virtual reality.

Attachée à la justification patronale, l’exigence d’objectivité est nécessaire pour lutter contre l’exercice arbitraire du pouvoir de l’employeur dès lors qu’elle oblige ce dernier à bannir ses opinions personnelles des motifs invoqués au soutien d’une mesure de gestion du personnel. Par conséquent, l’employeur doit fonder sa décision sur des prémisses factuelles, indépendantes de son pouvoir discrétionnaire, susceptibles d’être prouvées. Il en va ainsi en matière de licenciement, d’évaluation des qualités professionnelles, comme de toute mesure de différenciation. Toutefois, cette exigence s’avère également ambivalente dès lors qu’elle peut être instrumentalisée par l’employeur pour restreindre les droits et libertés des salariés au nom de l’intérêt de l’entreprise ou de la défense d’intérêts catégoriels particuliers. Un tel usage de l’exigence est d’autant plus aisé que le droit du travail adopte une conception peu rigoureuse de l’objectivité. Il est donc nécessaire d’éprouver la mesure de gestion du personnel à l’aune d’exigences autres, que celle que justifie le fonctionnement de l’entreprise. En fin de compte, la portée de l’exigence d’objectivité doit être relativisée. / Any employer’s decision has to meet the requirement of objectivity, implying that his power cannot be arbitrary, i.e. the employer is prohibited to base any decision on his own personal views. Thus, the employer has to base each decision, outside his discretionary power, on provable factual premises. The objectivity test applies to vocationnal assesment, dismissal, and differenciation between employees. However, the objectivity test is ambivalent as some employers exploit this requirement to restrict employees’ fundamental rights in the name of the company’s interests or some other specific interests. This is all the more easy as judges’ control on employer’s objectiveness is rather loose. Therefore, employers’ staff management have to be scrutinisied on some other legal grounds. On the whole the objectivity test has rather a relative importance.

Les travaux entrepris dans le cadre de cette thèse de doctorat portent sur l'impact de différentes modalités perceptives et graphiques pouvant affecter l'expérience utilisateur en environnement virtuel immersif. Le positionnement de nos recherches s'inscrit dans un contexte où une majorité d’applications de réalité virtuelle reposent sur une reconduction de la vision à la première personne induisant un transfert naturel de nos mécanismes perceptifs. Cependant, il est fréquent que ces applications recourent à une représentation partielle, voire omettent l'intégration d'entités visuelles figurant la présence de l'utilisateur et limitant dès lors l'induction d'un sentiment d'incarnation au sein de l'environnement virtuel.Dans ce contexte, notre étude contribue à étendre les connaissances concernant l'influence du point de vue et de la fidélité visuelle des avatars sur l'expérience utilisateur. Sur un plan théorique, nos travaux proposent une articulation des notions de présence et d'incarnation au travers d'un méta-modèle reposant sur des intrications identifiées entre ces concepts lors de notre revue de littérature. Sur un plan expérimental, les trois études menées dans le cadre de nos recherches permettent d'identifier plusieurs facteurs impactant les sentiments de présence et d'incarnation, le comportement des utilisateurs ainsi que les performances en ce qui concerne la navigation et les interactions. Notre première expérimentation démontre la possibilité d'avoir recours au point de vue à la troisième personne en réalité virtuelle tout en conservant un sentiment d'incarnation élevé. Nos résultats permettent également d'identifier les potentialités octroyées par les points de vue à la première et à la troisième personne en matière de perception, de navigation et d'interaction. Nous avons conduit par la suite des études portant sur la fidélité visuelle qui démontrent l'impact positif de la similarité entre l'apparence des utilisateurs et celle de leur avatar sur l'évaluation de l'attractivité des modèles et sur le processus de sélection de personnages. Enfin, les résultats de notre troisième expérimentation démontrent l'impact positif de la véracité des avatars sur le sentiment d'incarnation, ainsi que son effet sur l'expérience subjective et le comportement des utilisateurs en environnement virtuel immersif. / The work undertaken in this doctoral thesis focuses on the impact of different perceptual and graphical modalities that can affect user experience in immersive virtual environment. Our research takes position in a context where a majority of virtual reality applications are based on a first-person perspective leading to a natural transfer of our perceptual mechanisms. However, these applications often use partial representation or even omit the integration of visual entities representing the presence of the user and thus limiting the induction of a sense of embodiment within the virtual environment.In this context, our study contributes to expanding the knowledge concerning the influence of perspective and avatar visual fidelity on user experience. On a theoretical level, our work proposes an articulation of the notions of presence and embodiment through a meta-model based on intrications identified between these concepts during our literature review. On an experimental level, the three studies conducted as part of our research make it possible to identify several factors impacting the sense of presence and embodiment, user behavior and performance in terms of navigation and interaction. Our first experiment demonstrates the possibility of using a third-person perspective in virtual reality while maintaining a high sense of embodiment. Our results also make it possible to identify the potentialities enabled by first- and third-person in terms of perception, navigation and interaction. Afterward, we conducted studies on visual fidelity that demonstrate the positive impact of the similarity between users' appearance and that of their avatar on the evaluation of models' attractiveness and on the character selection process. Finally, the results of our third experiment demonstrate the positive impact of avatars' truthfulness on the sense of embodiment, as well as its effect on the subjective experience and behavior of users in immersive virtual environment.

Les objets connectés ont aujourd’hui pénétré les foyers et, poussés par une société tournée de plus en plus vers le bien-être, ces capteurs mesurent et proposent dorénavant une grande variété de données physiologiques. L’arrivée à maturité des technologies de la réalité virtuelle, couplée avec l’avènement des objets connectés, permet et favorise dès lors de nouvelles perspectives dans la proposition d’expériences immersives enrichies. De nombreux travaux dans le domaine de la réalité virtuelle rapportent l’exploitation des signaux physiologiques. Ceux-ci se basent principalement sur du matériel médical, qui possède des contraintes d’utilisation forte, reste souvent encombrant et limite de fait la mobilité des utilisateurs. Pour tenter de pallier ces limites, nos travaux se concentrent donc sur l’utilisation originale des wearables (objets connectés portés) comme substituts aux capteurs physiologiques traditionnels dans le cadre d’applications immersives. Ce travail de thèse se positionne à mi-chemin entre une étude de faisabilité technologique et une étude fondamentale sur l’expérience utilisateur (UX).Dans ce contexte, l’objectif de nos recherches est de contribuer à la connaissance concernant l’impact de l’utilisation des données physiologiques dans des environnements virtuels immersifs. Nous étudierons en particulier l’influence d’un biofeedback cardiaque, via des capteurs connectés grand public, sur l’engagement utilisateur et le sentiment d’agentivité. Nous avons ainsi mené deux expérimentations nous permettant d’étudier l’impact des différentes modalités de biofeedback sur l’expérience utilisateur. Notre première expérimentation met en place un biofeedback cardiaque dans un jeu d’horreur en réalité virtuelle, permettant d’augmenter le sentiment de peur. Les résultats de cette expérimentationconfortent l’intérêt de l’utilisation de capteurs connectés comme moyen de captation physiologique dans des expériences de réalité virtuelle immersive. Ils mettent également en avant l’impact positif de ce biofeedback sur la dimension d’engagement de l’expérience utilisateur. La deuxième expérience porte sur l’utilisation de l’activité cardiaque comme une mécanique d’interaction obligatoire. Elle est découpée en deux parties, la première permettant de quantifier le niveau de compétence des participants dans le contrôle de leur activité cardiaque et la seconde les plongeant dans une suite de tâches en réalité virtuelle ; le contrôle cardiaque est de fait nécessaire pour les réussir. Les résultats de cette expérience démontrent la possibilité d’utiliser la dite mécanique pour des expériences virtuelles immersives et indiquent un impact positif sur le sentiment d’agentivité, lié au niveau de compétence des participants. Sur un plan théorique, cette thèse propose une synthèse des modèles de l’expérience utilisateur en environnement virtuel et soumet par ailleurs les bases d’un modèle que nous nommons « l’immersion physiologique ». / The internet of things has now entered every home and, with a society more and more focused towards wellness, these sensors measure and offer henceforth a wide variety of physiological data. Virtual reality technologies reaching maturity, coupled with the advent of the internet of things, allow consequently new opportunities to propose improved immersive experiences. If we identify nowadays many virtual reality studies reporting the usage of physiological data, they mainly use medical equipment, which poses strong usability constraints, is often cumbersome and limits mobility. In an attempt to overcome these limitations, this study therefore focuses on the original usage of smart wearables as substitutes for traditional sensors in immersive applications. Thus, this thesis is positioned halfway between a technological feasibility study and a fundamental user experience study.In this context, the objective of our study is to contribute to knowledge about the impact of the use of physiological data in immersive virtual environments. More precisely, the impact of biofeedback, via off-the-shelf smart wearables, on user engagement and the sense of agency. We have thus carried out two experiments allowing us to study the impacts of the different biofeedback modalities on user experience. Our first experiment implements a biofeedback based on heart rate in a virtual reality horror game, allowing to enhance the feeling of fear. The results of this experiment confirm the interest of using smart wearables to capture physiological data for immersive virtual reality experiences. They also highlight the positive impact of this biofeedback on user engagement. The second experiment focuses on the use of cardiac activity as a mandatory interaction mechanism. This experiment is divided into two parts, the first one quantifying the participants’ level of competency in heartrate control and the second one immersing them in a series of tasks in virtual reality ; heartrate control is necessary to complete the different steps of the experience. The results of this experiment demonstrate the possibility of using the said interaction mechanic for virtual reality experiences and indicate a positive impact on the sense of agency, linked with the level of competency of the participants. On a theoretical level, this thesis proposes a synthesis of user experience models in virtual environment and submit the foundations of a model that we call "physiological immersion".

La grande distribution affiche une politique anti-gaspillage et a ainsi proposé dès 2014des Fruits et Légumes (F&Ls) « moches » [109] à la vente. Mais ces ventes sont temporaires et locales,et ont des effets peu étudiés sur le comportement des consommateurs. Nous proposons ici d'étudier si un magasin virtuel immersif (dans lequel nous contrôlons les F&Ls) peut être utilisé pour étudier le comportement des consommateurs confronté à des F&Ls « moches ». Afin d'avoir assez de F&Ls pour remplir le magasin virtuel, nous avons généré des F&Ls d'apparences variables de manière semi-procédurale comme suit :(1) nous générons le maillage avec des Cylindres Généralisés (CGs) [6] ; puis (2) gêneront les couleurs avec un système de particule.Nous avons réalisé 2 études comparatives (resp.N=142 et N=196). L'une portant sur le comportement consommateur lorsque les F&Ls sont plus ou moins anormaux (8F&Ls séparés en 4 groupes : sans déformation,légèrement déformés, déformés et fortement déformés). Ces différences n'avaient pas d'incidences sur le comportement. L'autre portait sur le comportement consommateur lorsque l'environnement est plus ou moins immersif (8 F&Ls sans déformation et 8 F&Ls déformés, séparés en 3groupes : magasin laboratoire, magasin virtuel non immersif et magasin virtuel immersif). Il existe des différences entre ces environnements sur le comportement. Enfin, nous avons étudié si la représentation virtuelle du consommateur avait un effet lors de l'achat des produits (incluant, mais ne se limitant pas aux F&Ls) nous avons donc réalisé une étude (N=29) avec 2 groupes : avatar obèse et avatar non-obèse. Il existe des différences localisées entre ces représentations sur le comportement consommateur. / The retail sector has an anti-waste policyand has therefore offered “ugly” FaVs (Fruits and Vegetables) for sale as early as 2014 [109]. But these sales remain temporary and local and have little studied effects on consumer behavior. We propose here to study if an immersive virtual store (in which we control the FaVs) can be used to study consumer behavior confronted to “ugly” FaVs To have enough “ugly” FaVs to fill the virtual store, we developed a method capable of generatings emiprocedural FaVs. To do so we: (1) generate the mesh with Generalized Cylinders (GCs) [6]; then (2) generate the colors with a particle system.We conducted 2 comparative studies (N=142 andN=196 respectively). The first study focused on consumer behavior when the FaVs are abnormal (8 FaVs separated into 4groups: no deformation, slightly deformed, deformed and strongly deformed). These differences had no impact on consumer behavior. The other study focused on consumer behavior when the environment is more or less immersive (8 FaVs without deformation and 8 FaVs with deformation, separated into 3 groups: laboratory store, non immersive virtual store and immersive virtual store).There are differences between these environments on consumer behavior. Finally, we studied if the virtual representation of the consumer had an impact during the purchase of products (including, but not limited to, FaVs). To do so we carried out a third consumer study (N=29) (2groups: obese avatar and non-obese avatar). There are very localized differences between these representations on consumer behavior.

La réalité mixte apporte certains avantages aux applications industrielles. Elle peut, entre autres, faciliter la visualisation et validation de projets ou assister des opérateurs durant des tâches spécifiques. Les systèmes de projection (PBS), tels que les CAVE ou la réalité augmentée spatiale, fournissent un environnement de réalité mixte permettant une collaboration directe avec des utilisateurs externes. Dans cette thèse, nous visons à améliorer l'utilisation des systèmes de projection pour des applications industrielles en abordant deux défis majeurs: (1) améliorer les composantes techniques des PBS et (2) augmenter l'expérience utilisateur dans les PBS. En tant que premier défi technique, nous visons à améliorer les systèmes de suivi de mouvements optiques. Nous proposons une approche permettant d’élargir l’espace de travail de ces systèmes grâce à deux méthodes. La première permet de suivre les mouvements à partir d’une seule caméra tandis ce que la deuxième permet de contrôler les caméras et suivre les objets dans l’espace de travail. Le système qui en résulte fournit des performances acceptables pour des applications en réalité mixte tout en augmentant considérablement l'espace de travail. Un tel système de suivi de mouvement peut permettre de mieux exploiter le potentiel des systèmes de projection et d’élargir le champ possible des interactions. En tant que deuxième défi technique, nous concevons un casque « tout-en-un » pour la réalité augmentée spatiale mobile. Le casque rassemble à la fois un système de projection et un système de suivi de mouvements qui sont embarqués sur la tête de l'utilisateur. Avec un tel système, les utilisateurs sont capables de se déplacer autour d'objets tangibles et de les manipuler directement à la main tout en projetant du contenu virtuel par-dessus. Nous illustrons notre système avec deux cas d'utilisation industriels: le prototypage virtuel et la visualisation médicale. Enfin, nous abordons le défi qui vise à améliorer l’expérience utilisateur dans les PBS. Nous proposons une approche permettant d’incarner un personnage virtuel et d’augmenter la perception spatiale des utilisateurs dans les PBS. Pour ce faire, nous ajoutons l’ombre virtuelle des utilisateurs dans les systèmes de projection immersifs. L'ombre virtuelle est directement corrélée aux mouvements des utilisateurs afin qu'ils la perçoivent comme si c'était la leur. Nous avons effectué une expérience afin d'étudier l'influence de la présence de l'ombre virtuelle sur le comportement des utilisateurs. / Mixed reality brings some advantages to industrial applications. It can, among others, facilitate visualizing and validating projects or assist operators during specific tasks. Projection-based Systems (PBS), such as CAVEs or spatial augmented reality provide a mixed reality environment enabling straightforward collaboration with external users. In this thesis, we aim at improving the usage of PBS for industrial applications by considering two main challenges: (1) improving the technical components of PBS and (2) improving the user experience when using PBS. As a first technical challenge, we propose to address the improvement of the tracking component. We introduce an approach that enables increasing the workspace of optical tracking systems by using two methods. As a first method, we propose to use monocular tracking. As a second method, we propose to use controlled cameras that follow the targets across the workspace. The resulting system provides acceptable performances for mixed reality applications while considerably increasing the workspace. Such a tracking system can make it easier to use large projection-based displays and can widen the range of available interactions. As a second technical challenge, we design an “all-in-one” headset for mobile spatial augmented reality on tangible objects. The headset gathers both a projection and a tracking system that are embedded on the user’s head. With such a system, the users are able to move around tangible objects and to manipulate them directly by hand while projecting virtual content over them. We illustrate our system with two industrial use cases: virtual prototyping and medical visualization. Finally, we address the challenge that aims at improving the user experience when using PBS. We introduce a method that provides virtual embodiment and increases the spatial perception of the users when using PBS. To do so we add the user’s virtual shadow in immersive projection-based systems. The virtual shadow is dynamically mapped to users’ movements in order to make them perceive the shadow as if it was their own. We then carry out an experiment to study the influence of the presence of the virtual shadow on the user experience and behavior.

La thèse « Immersion visuelle hyper-réaliste et multi-sensorielle 3D » a été réalisée dans le cadre d’un contrat CIFRE établi entre les Arts et Métiers d’une part et Renault SAS d’autre part. Elle propose un modèle de score permettant d’évaluer objectivement de la capacité d’un système d’affichage immersif à reproduire le bon niveau de stimulation sensorielle pour un utilisateur, par rapport à ce qu’il recevrait dans la réalité et à la modélisation du système visuel humain.Dans un premier temps nous nous sommes intéressé à poser les bases du modèle : celui-ci est composé de douze critères, répartis équitablement en une somme d’indices de vision et d’indices d’immersion. Chaque critère se voit attribuer, dans la mesure du possible, une note de 0 à 100. La note de 0 représente l’incapacité du système visuel à percevoir ou à utiliser les informations visuelles, tandis que la note de 100 incarne la capacité maximale.Une note de 80 est également assignée pour la performance standard. Chaque critère se voit assigner une pondération en fonction de la tâche réalisée en environnement virtuel. Nous réalisons dans un second temps une série d’expérimentations afin de compléter les informations disponibles dans la littérature, pour l’établissement des critères. On s’intéresse plus particulièrement au contraste et à la latence. La première expérimentation consiste en la transposition et la validation d’un modèle de performance visuelle en Réalité Virtuelle. Dans la seconde, on compare les effets de la latence sur une tâche donnée, entre un simulateur de type CAVE et un casque de Réalité Virtuelle.La thèse propose un certain nombre de résultats tant théoriques et méthodologiques qu’expérimentaux. En condition d’immersion virtuelle, les critères de contraste et de luminance sont importants pour la perception visuelle. Les expériences réalisées montrent qu’un modèle adapté aux conditions d’immersion virtuelle est nécessaire. Par ailleurs, on montre que des seuils d’influence de la latence sur la performance semblent exister. On vérifie également la pertinence de corrélations entre performance, présence et mal du simulateur, en fonction de la latence et du système immersif. / The thesis "Hyper-realistic and multi-sensorial 3D visual immersion" was carried out within the framework of a CIFRE contract established between Arts et Métiers on the one hand and Renault SAS on the other. It proposes a score model to objectively evaluate the ability of an immersive display system to reproduce the right level of sensory stimulation for a user, compared to what he would receive in reality and to the modeling of the human visual system.First, we were interested in laying the foundations of the model: it is composed of twelve criteria, equitably divided into a sum of vision indices and immersion indices. Each criterion is given, as far as possible, a score from 0 to 100. A score of 0 represents the visual system’s inability to perceive or use visual information, while a score of 100 represents maximum capacity. A score of 80 is also assigned for standard performance. Each criterion is assigned a weight according to the task performed in the virtual environment.We then carry out a series of experiments to complete the information available in the literature, to establish the criteria. Contrast and latency are of particular interest. The first experiment consists in the transposition and validation of a visual performance model in Virtual Reality. In the second, we compare the effects of latency on a given task, between a CAVE simulator and a HMD.The thesis proposes a number of theoretical, methodological and experimental results. In virtual immersion conditions, contrast and luminance criteria are important for visual perception. Experiments show that a model adapted to virtual immersion conditions is necessary. Furthermore, we show that thresholds of latency influence on performance seem to exist. The relevance of correlations between simulator performance, presence and cyber-sickness is also checked, depending on the latency and the immersive system.

Les domaines de la réalité virtuelle et du jeu vidéo convoquent les problématiques émotionnelles dans leurs objectifs respectifs de présence et de flow zone. Cependant, la question des méthodologies d'induction d'émotions dans les environnements virtuels de ces médiums n'a pas été largement questionnée. Après avoir défini ce que sont les émotions dans la littérature philosophique, psychologiste et physiologiste, nous cherchons à montrer les liens supposés existants entre l'émotion et les états extatiques de présence en réalité virtuelle et de flow zone dans les jeux vidéo. Nous commençons donc par montrer combien le niveau de connaissance des médiums peut influencer la sensibilité aux inductions d'émotions dans les environnements virtuels. Puis nous mettons en place une stratégie inductive d'émotions basée sur une gestion itérative des niveaux de challenge en lien avec les niveaux de compétences acquises.Nous avons validé au travers de deux expériences empiriques ayant impliquées 176 participants, une méthodologie d'induction d'émotions basée sur un schéma circomplexe. Ce schéma, construit autour de la valence et le niveau d'activation des émotions, permet d'induire des émotions dans les cinq composantes essentielles de la conception d'environnements virtuels pour la réalité virtuelle ou les jeux vidéo : la chromatique, la luminosité, la vitesse des mouvements, la dimension des espaces et le volume des interactions sociales.Mots clés : réalité virtuelle, jeu vidéo, émotions, présence, flow zone. / The fields of virtual reality and video games summon the emotional issues in their respective goals of presence and flow area. However the question of methodologies for inducing emotions in virtual environments in these mediums has not yet been widely questioned. After defining what emotions are in the philosophical, as in psychologist and physiologist literature, we seek to show existing links between emotion and states of presence in virtual reality and flow zone in video games. We show how the level of knowledge of the mediums may influence susceptibility to induction of emotions in virtual environments. Then we define a way of inducing emotions based on an iterative level management challenge in relation to the skill level.We validated through two empirical experiments that involved 176 participants a methodology for inducing emotions based on a circumplex pattern. This scheme built around the valence and arousal level of emotion, able to induce emotions in the five essential items component of the design of virtual environments for virtual reality and video games: color, brightness, movement speed, size of the space, and the volume of social interactions.Keywords: virtual reality, video games, emotions, presence, flow area.