Introduction : Les nouvelles technologies qui permettent de capter et d’analyser les mouvements des utilisateurs ne cessent de se développer et représentent un potentiel intéressant dans le domaine de la santé. Grâce à l’essor de ces nouvelles technologies, des systèmes de réalité virtuelle (RV) clefs en main intègrent les services de réadaptation, et les études démontrent leur capacité à optimiser la rééducation motrice et l’évaluation des clients présentant des troubles du contrôle moteur. Le marché de la RV est ainsi en pleine expansion, et l’ajout d’informations haptiques permettant de modéliser les caractéristiques physiques des entités virtuelles représente un intérêt considérable pour améliorer l’écologie des environnements virtuels (EVs) et le transfert des apprentissages aux activités quotidiennes. Toutefois, l’effet de l’ajout de ces informations sur le comportement moteur des sujets demeure très peu connu. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’évaluer l’impact de l’ajout d’informations haptiques, par un mécanisme parallèle entrainé par câbles (robot à câbles), sur le contrôle moteur de sujets sains, lors de la réalisation de tâches complexes et fonctionnelles dans des EVs. Les deux hypothèses principales étaient que cet ajout améliore le contrôle du mouvement lors de tâche de manutention d’objet ayant des contraintes environnementales statiques, et modifie les stratégies locomotrices proactives en présence de contraintes dynamiques. Méthode : Le comportement moteur de participants sains a été analysé lors de la réalisation de deux tâches. En premier lieu, une tâche de manutention de caisse nécessitant la préhension et le déplacement d’une caisse à partir d’une posture debout a été étudiée. Celle-ci a été réalisée dans un environnement réel et dans des EVs, en absence et en présence d’informations haptiques, relatives aux contraintes physiques de l’étagère et de la caisse manipulée, fournies grâce à un robot à câbles (Chapitre 3, N=12). En second lieu, une tâche nécessitant l’évitement d’avatars au cours de la marche sur un tapis roulant a été réalisée en présence et en absence de risque de contact physique avec les avatars, délivré par un robot à câbles (Chapitre 4, N=10). Les EVs étaient vus au travers d’un visiocasque. Résultats : La première étude a démontré une amélioration des paramètres spatiaux du mouvement réalisé dans l’EV en présente d’informations haptiques, au cours des différentes phases de la tâche de manutention (préhension, montée et descente de la caisse). L’organisation spatiale du mouvement était ainsi plus similaire à ce qui était observé dans un environnement réel, avec un meilleur respect des contraintes environnementales (éloignement plus important de la caisse avec l’étagère, trajectoire plus longue). De plus, le contrôle du mouvement était influencé par la demande de précision requise pour ne pas toucher les étagères en présence d’informations haptiques uniquement. La deuxième étude a démontré la mise en place de stratégies motrices plus précautionneuses pour éviter les avatars lors de l’ajout d’informations haptiques. Les participants tendaient à anticiper plus précocement l’évitement des avatars. Ils maintenaient une distance minimale plus importante avec les avatars et conservaient un espace péripersonnel plus large, indépendamment de l’angle d’approche de l’avatar. Conclusion : L’ajout d’informations haptiques dans les EVs impacte les stratégies motrices proactives des participants sains aussi bien lors de la tâche de manutention de caisse que de locomotion avec évitement d’avatars. Les résultats suggèrent que l’ajout d’informations haptiques favorise la prise en compte des entités virtuelles lors de la planification mouvement. Ces informations haptiques imposent en effet des restrictions plus réalistes dans les possibilités d’actions fournies par les EVs, et modifient probablement l’évaluation des conséquences que représente le contact avec les entités virtuelles. Il serait pertinent de poursuivre l’étude de l’influence de ces informations afin de proposer à des clients ayant des déficiences motrices des environnements encore plus écologiques, qui favorisent l’évaluation et la prise en compte des risques implicites que représentent les entités environnementales. / Introduction: New technologies that capture and analyze user movement are constantly developing and represent a great potential in healthcare. Thanks to the recent technological advances, turnkey virtual reality (VR) systems are progressively integrated into the rehabilitation setting, and studies have demonstrated their ability to optimise sensorimotor rehabilitation and clinical assessment of people with motor control disorders. The market for VR is growing and adding haptic feedback that provides physical characteristics to virtual entities represents a great potential to improve the ecological validity of virtual environments (VE) and to the transfer of learning to daily tasks. However, the impact that adding haptic feedback has on motor behavior remains poorly understood. The main objective of this thesis was to assess the impact of adding haptic feedback, using a novel cable-driven parallel robot, on the motor control of healthy participants during complex, functional tasks in VEs. The two mains hypotheses were that haptic feedback improves motor control during a handling task with static environmental constraints and modifies proactive locomotor strategies in the presence of dynamic constraints. Method: The motor behavior of healthy participants was analysed during two tasks. First, a manual handling task was studied during which participants grasped and moved a crate while standing. This task was realised in a real environment and in VEs with the absence and the presence of haptic information. The latter simulated the physical constraints of the shelf and the crate to be manipulated using a cable-driven robot (Chapter 3, N=12). Second, avatar avoidance tasks were realised when participants walked on a self-paced treadmill in the absence and then in the presence of a risk of physical contact with avatars. Contact was simulated by a cable-driven robot (Chapter 4, N=10). VEs were viewed through a head mounted display for all tasks. Results: The first study showed that adding haptic feedback to the VE improved spatial parameters of movement realised in a VE during all phases of movement (reaching, ascent and descent phases). The spatial organisation of movement was closer to those observed in a physical environment, and better respected environmental constraints (higher clearances from the shelf and longer trajectories). Moreover, movement control was influenced by task precision required to avoid any contact with the shelf in the presence of haptic feedback only. The second study demonstrated that when avoiding avatars in VR, more cautious behavior was measured in the presence of potential physical contact. Participants tended to start their avoidance strategy earlier and increased minimum clearance along with a larger personal space regardless of the avatar’s approach angle. Conclusion: Adding haptic feedback in VEs impacts the proactive motor strategies of healthy participants during a manual handling task as well as a locomotor task involving the avoidance of avatars. These results suggest that adding haptic feedback enhances one’s consideration of virtual entities during movement planning. Haptic information imposes more realistic restrictions on the actions afforded by EVs, and likely modifies the perceived consequences of potential contact with virtual entities. It will be important to continue to study the impact of haptic feedback within VEs to provide even more ecological environments to people with motor deficits in order to improve assessment and the consideration of implicit risks posed by the environment.

La Réalité Virtuelle permet de simuler et d'interagir avec des Environnements Virtuels (EV) à travers différentes modalités sensorielles. Cependant, l'interaction avec des EV basés physique et complexes, comme des environnements non rigides ou larges, présente plusieurs défis en termes d'interaction et de retours sensoriels. Dans la première partie de cette thèse, nous abordons la manipulation de milieux non rigides avec du retour haptique et multimodal. Nous présentons tout d'abord une nouvelle approche pour l'interaction haptique à 6 degrés de liberté avec des fluides. Cette approche permet la génération de retours de force lors de l'interaction avec des fluides visqueux par le biais d'objets rigides de forme arbitraire. Nous étendons ensuite cette approche pour inclure l'interaction haptique avec des objets déformables, menant donc à une interaction haptique unifiée avec les différents états de la matière. Une expérience perceptuelle nous a permis de montrer que les utilisateurs peuvent identifier de façon efficace les différents états en n'utilisant que la modalité haptique. Ensuite, nous présentons un nouveau modèle vibrotactile pour le rendu de fluides, tirant parti de connaissances dans la synthèse de son de fluides. A travers cette approche, nous rendons possible l'interaction avec des fluides tout en générant des retours multimodaux, utilisant les canaux sensoriels vibrotactile, kinesthésique, acoustique et visuel. Dans la seconde partie de cette thèse, nous abordons la navigation basée sur la marche dans des EV larges. Comme les EV sont souvent plus larges que l'espace de travail réel, nous présentons une nouvelle technique de navigation qui permet à l'utilisateur de connaître de façon immersive les limites de son espace de travail en translation. En utilisant un contrôle hybride en position/vitesse, cette technique fournit une métaphore simple et intuitive pour une navigation libre de collisions et de ruptures d'immersion. Comme certains espaces de travail présentent aussi des limites en rotation dues à des écrans manquants, comme dans le cas d'un CAVE, nous proposons ensuite trois nouvelles métaphores de navigation abordant ce problème supplémentaire. L'évaluation de ces techniques de navigation a permis de montrer qu'elles remplissent efficacement leurs objectifs tout en étant très appréciées par les utilisateurs.

Dans l'environnement naturel, les signaux émotionnels sont transmis via différentes modalités sensorielles. Pourtant, l'effet d'évènements affectifs multisensoriels sur l'expérience émotionnelle consciente (le ressenti) reste relativement peu connu. Ce travail de recherche a exploité les avantages de la réalité virtuelle pour étudier le ressenti négatif induit par des évènements aversifs visuo-auditifs présentés dans un contexte écologique. Un tel contexte permet de prendre en compte un facteur important qui est la distance entre le sujet et le stimulus affectif. Par conséquent, ce travail a impliqué l'étude des liens entre l'affect, la présentation multisensorielle et l'espace. Une première étude a exploré l'influence de stimuli aversifs visuo-auditifs sur le ressenti. Une deuxième étude a examiné l'effet de la peur excessive sur la représentation de l'espace péri-personnel. Une troisième étude a testé l'effet de stimuli aversifs visuo-auditifs sur le ressenti en fonction de leur position plus ou moins proche du sujet. En conclusion, il a été constaté que le ressenti émotionnel est modulé par les caractéristiques sensorielles et spatiales des évènements aversifs. Les stimuli aversifs visuo-auditifs amplifient le ressenti négatif. Cependant, cet effet n'existe que si ces stimuli sont dans l'espace proche du sujet. Enfin, la peur excessive d'un stimulus spécifique provoque une extension de l'espace péri-personnel. L'ensemble de ces travaux fournit de nouvelles informations sur le traitement de l'information affective et met en évidence l'utilité et la pertinence de la réalité virtuelle pour l'étude de l'affect. / In a natural environment, affective events often convey emotional cues through multiple sensory modalities. Yet, the effect of multisensory affective events on the conscious emotional experience (feelings) they induce remains relatively undiscovered. The present research exploited the unique advantages of virtual reality techniques to examine the negative emotional experience induced by auditory-visual aversive events embedded in a natural context. In natural contexts, the spatial distance between the perceiver and the affective stimuli is an important factor. Consequently, this research investigated the relationship between affect, multisensory presentation and space. A first study using virtual reality tested the influence of auditory-visual aversive stimuli on negative emotional experience. A second study explored the effect of excessive fear on the representation of close space. A third study examined the effect of auditory-visual stimuli on negative emotional experience as a function of their location at close or far distances from the perceiver. Overall, it was found that negative emotional experience is modulated by the sensory and spatial characteristics of aversive events. Multisensory aversive events amplify negative feelings only when they are located at close distances from the perceiver. Moreover, excessive fear related to an event extends the space, wherein the event is represented as close. Taken together, the present research provides new information about affective processing and exposes virtual reality as a relevant tool for the study of human affect.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation de phénomènes<br />biologiques pour leur expérimentation à travers un système de réalité<br />virtuelle.<br />Son objet est la définition d'un cadre générique de modélisation et<br />d'implémentation adapté à l'étude des systèmes physiologiques.<br /><br />En premier lieu, le modèle générique proposé s'appuie sur le principe<br />de la réification des interactions en objets actifs autonomes.<br />Ensuite, il permet l'organisation des modèles biologiques en un agencement de systèmes autonomes.<br />Il rassemble alors deux conceptions de l'autonomie : <br />l'une est destinée à concevoir les systèmes de réalité virtuelle et<br />l'autre a pour objet la modélisation en biologie. <br /><br />Le modèle générique est dérivé en un certain nombre d'outils de modélisation pour la biologique.<br />La bibliothèque composée du modèle générique et des outils de modélisation permet alors de réaliser différentes applications.<br />La principale application a pour objet la mise en oeuvre d'un modèle du phénomène d'urticaire allergique.<br />Enfin, un modèle de système autopoïétique minimal est proposé pour<br />illustrer les possibilités de la méthode.

L‟objectif de cette thèse est d‟assister et d‟améliorer la prise en compte de l‟utilité dans le processus de conception des artefacts issus des technologies émergentes. Elle a été réalisée dans le contexte d‟une Recherche-Action menée dans le cadre d‟un projet réel de conception appelé 3DChild et ayant abouti à la réalisation du logiciel Appli-Viz'3D. Deux axes ont guidé ce travail de recherche. Le premier a été d‟analyser la prise en compte de l‟utilité et des besoins dans la conception. Pour ce faire, nous nous sommes intéressés aux modèles, méthodes et outils utilisés ou préconisés en marketing, en génie industriel, en ingénierie des exigences, en génie logiciel, en design et en ergonomie des activités de conception. Nous avons également exploré les représentations qu‟ont trois catégories de concepteurs quant à la notion d‟utilité et aux éléments clés du processus de construction de besoins. Le second axe a été d‟étudier la contribution réelle des acteurs - concepteurs et utilisateurs - à la conception d‟artefacts innovants au travers d‟études empiriques dans lesquelles nous avons cherché à analyser la dynamique globale du processus de co-construction participative et continue des besoins, avant de nous focaliser sur des points plus spécifiques du processus. En particulier, nous nous sommes intéressés à l‟identification des besoins et la proposition de spécifications par différents profils de concepteurs. Nous avons ensuite étudié la priorisation des besoins par différents profils d‟utilisateurs et l‟élaboration des besoins lors de séances d‟évaluation du logiciel Appli-Viz'3D dans un contexte participatif. Après avoir discuté les résultats de nos études, nous proposons un modèle de la conception qui formalise les relations entre l‟univers prospectif et l‟univers rétrospectif de l‟utilité, l‟utilité potentielle et l‟utilité réelle de l‟artefact. En conclusion, nous synthétisons les principaux apports de ce travail de recherche, et les perspectives qu‟ils ouvrent. Nos apports théoriques concernent la démonstration d‟une absence de représentation totalement partagée des notions d‟utilité et de besoins par les concepteurs, la mise en exergue d‟une complémentarité des modèles, des méthodes et des outils, utilisés ou préconisés, associés à un processus de conception centrée sur l‟utilité, et la caractérisation des contributions des concepteurs et des utilisateurs au processus de co-construction participative et continue des besoins. Notre apport méthodologique est l‟extension de la méthode I2I. Les trois perspectives de recherche sont l‟élargissement de la portée de notre modèle, la validation de l‟extension proposée de la méthode I2I et la création d‟un Living Lab à Laval.

Nous présentons une refondation théorique de la réalité virtuelle. Celle-ci est marquée par la conviction profonde de définir la réalité virtuelle comme une expérience médiatisée capable de susciter un sentiment de présence. Ce dernier est défini comme le sentiment authentique d'exister dans un monde autre que le monde physique où le corps se trouve. Nous proposons un éclairage nouveau et global sur le sentiment de présence. Cet éclairage consiste en une approche unifiée de la présence prenant en compte des considérations technologiques, psychologiques et écologiques. Nous avons élaboré un modèle qui identifie les processus menant au sentiment de présence. Selon notre modèle, deux phases inconscientes de jugement conditionnent l'émergence de la présence. Le premier jugement concerne la crédibilité de l'environnement, celle-ci dépend de la satisfaction des attentes intellectuelles et perceptives de l'utilisateur. Le deuxième jugement vise la crédibilité de l'expérience. Nous considérons que ce jugement est positif si un maximum des affordances perçues dans l'environnement est assumé, c'est-à-dire réalisable par l'intermédiaire des schémas d'interaction proposés à l'utilisateur. Nous avons mené une phase d'expérimentations pour valider la pertinence et la cohérence de notre modèle. Notre modèle a de multiples implications. Nous considérons par exemple qu'il peut constituer une grille d'analyse intéressante pour les jeux vidéo. De plus, il incite les concepteurs d'applications en réalité virtuelle à penser en terme d'affordances. Ce dernier point implique donc de faire entrer l'utilisateur très tôt dans la boucle de conception de l'application. Notre vision globale de la réalité virtuelle et de la présence a été mise en pratique notamment lors de la conception de dispositifs de réalité virtuelle transportables et à bas coûts. Sur la base de ce cadre théorique nous présentons un framework de conception d'applications en réalité virtuelle. Puisque l'objectif est la crédibilité et non le réalisme, nous nous intéressons à la réalité perçue de l'environnement et non pas à sa réalité physique. C'est pourquoi, le point de départ de notre framework consiste en un socle de connaissances sur la cognition humaine. Cette base de connaissances sert de vivier d'idées pour les quatre piliers sur lesquels peut s'appuyer le concepteur d'applications en réalité virtuelle. Ces piliers sont l'immersion, l'interaction, les émotions et un quatrième regroupant la boucle sensori-motrice et la multimodalité. Concernant le pilier immersion nous proposons un nouvel algorithme pour le calcul de la réverbération sonore dans un environnement complexe et dynamique. Notre méthode repose sur l'algorithme existant du lancer de frustum mais propose deux optimisations. La première exploite le socle de connaissances sur la cognition humaine pour déterminer une sphère d'acuité sonore. Celle-ci nous sert de cadre pour lancer les frusta depuis l'auditeur et non depuis les sources sonores. Cette deuxième optimisation réduit le nombre de calculs

Le sentiment de présence, but ultime de la réalité virtuelle, peut être atteint en stimulant ces quatre "piliers" que sont l'immersion, l'interaction, le maintien de la boucle action-perception et les émotions. Notre objectif est de proposer des méthodes visant à améliorer ce sentiment en s'intéressant plus particulièrement à la perception visuelle. Dans cette optique, nous proposons tout d'abord une solution appliquant le rendu stéréoscopique sur carte graphique. Traditionnellement effectué en deux passes, ce rendu se fait maintenant en une passe, grâce aux shaders et au regroupement de certaines phases de calculs. Nous étendons ce processus de rendu aux tout récents écrans auto-stéréoscopiques nécessitant plus de deux vues, améliorant d'autant plus les temps de calcul. Pour assurer l'immersion et l'interaction, voire l'émotion, nous avons aussi cherché à diminuer la fatigue oculaire induite par les images stéréoscopiques, en ajoutant un flou de profondeur de champ. Ce flou, obtenu en temps réel grâce aux shaders, permet également d'inviter l'observateur à focaliser son attention sur des objets précis au lieu de laisser son regard errer. Enfin, un objectif pour obtenir le sentiment de présence est de faire croire à l'utilisateur qu'il existe dans la scène virtuelle. Notre contribution à ce but, est d'intégrer de manière naturelle une représentation virtuelle de l'utilisateur. Pour cela, nous créons par visual hulls un avatar à l'aide de caméras. Finalement, cet avatar est employé pour illustrer la présence de l'utilisateur au travers de surfaces réfléchissantes virtuelles ou de la projection de son ombre

Le trouble d'anxiété généralisée (TAG) est très répandu et a des conséquences négatives sur l'individu et la société. La thérapie cognitivo comportementale (TCC) mène à une réduction des symptômes anxieux et des inquiétudes chez la majorité des individus, mais certains répondent moins bien à la TCC conventionnelle (Hanrahan, Field, Jones & Davey, 2013). L'exposition en imagination est une des composantes présentes dans plusieurs protocoles, mais son efficacité individuelle n'est pas clairement établie pour le TAG. L'exposition en réalité virtuelle a été démontrée comme étant efficace auprès d'une multitude de troubles anxieux, mais commence tout juste à être utilisée pour le traitement du TAG. Cette thèse vise à documenter l’efficacité de l’exposition à un scénario de réalité virtuelle en trois séances, auprès de participants présentant l'ensemble des symptômes du TAG et rapportant s’inquiéter significativement sur le thème de la santé (N = 29). Les analyses principales effectuées à l'aide d'analyses de variances (ANOVA) à mesures répétées comparant les résultats aux divers temps de mesures (prétest, post-test et suivi de deux mois) démontrent des améliorations significatives sur l'ensemble des mesures liées au TAG, dont la tendance à s'inquiéter, les symptômes du TAG, l'état d'anxiété et le trait d'anxiété. De plus, ces résultats se sont maintenus après deux mois et de nouvelles améliorations ont été identifiées pour la tendance à s'inquiéter et le trait d'anxiété. Des ANOVA à mesures répétées évaluant les changements de l'anxiété subjective au fils des séances suggèrent que l'exposition en réalité virtuelle à un scénario portant sur le thème de la santé a permis d'induire significativement de l'anxiété, que celle-ci a diminuée de manière significative au cours d'une même séance et au cours des trois séances. Aussi, l'analyse de l'évolution de la tendance à s'inquiéter indique qu'il y aurait une diminution significative de la tendance à s’inquiéter sur le thème de la santé au fils des séances, mais pas pour la tendance à s’inquiéter en général. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent la présence des indicateurs liée à l'habituation émotionnelle, soit l'activation physiologique et l'habituation inter-séance et intra-séance. La présence de ces indicateurs de l'habituation émotionnelle durant le traitement, les améliorations des symptômes du TAG suite au traitement et le maintien de ces dernières lors du suivi après deux mois soutiennent l'efficacité du traitement. L'étude comporte certaines forces : elle est la première à évaluer l'effet isolé de l'exposition en réalité virtuelle pour le traitement du TAG ainsi que la présence des indicateurs liés à l'habituation émotionnelle. De plus, elle s'intéresse aux abandons durant le traitement et à des éléments caractéristiques de l'exposition en réalité virtuelle tels que le sentiment de présence et les cybermalaises. Elle présente certaines limites telles que l'absence d'un groupe contrôle et d'une évaluation diagnostique différentielle. Cette étude ouvre la voie à de nouvelles études de traitement plus robustes et met en lumière le rôle que pourrait tenir l'exposition en réalité virtuelle dans le traitement du TAG.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.