Ce manuscrit présente principalement un ensemble de travaux de recherche, ainsi que les tâches administratives ou liées à la vie de la recherche, que j'ai effectuées. Il se termine par ma liste de publications. Les travaux présentés s'étalent sur ces neuf dernières années. Ils portent sur la modélisation géométrique de formes complexes et sont ceux pour lesquels ma participation a été la plus active, voire dont j'ai été l'instigateur. De nos jours, l'image prend de plus en plus d'importance. Parmi tous les facteurs à l'origine de ce phénomène, nous pouvons noter la prolifération des supports d'affichage (écrans, téléphones portables, tablettes PC, ordinateurs ultra-portables, etc). La demande en création de contenu visuel est croissante et une façon de répondre à cette demande efficacement et à moindre coût passe par la génération de contenu virtuel tridimensionnel. La génération de contenu virtuel s'appuie sur la modélisation géométrique d'objets complexes. Cette phase de création des objets tridimensionnels est encore longue et laborieuse et n'est accessible qu'aux professionnels ou aux passionnés. Ceci est dû, en partie, à la difficulté de définir des modèles de représentation de surfaces qui sont à la fois rapides à visualiser, robustes et accessibles quand on édite la surface (déformation, changement de topologie, etc), simples à implanter, numériquement stables, et permettant une interaction intuitive avec l'utilisateur. En fait, il n'existe pas vraiment de solution satisfaisante au développement rapide de logiciels de modélisation performants et faciles à prendre en main par un utilisateur non-expert; même s'ils sont contextualisés. Nous nous intéresserons, dans un premier temps, à l'un des modèles de représentation de surfaces les plus populaires et reconnus pour sa flexibilité et son efficacité dans des applications de modélisation d'objets de formes libres : les surfaces de subdivision. Nous verrons les travaux que j'ai effectués sur ces modèles et nous discuterons de leurs avantages et leurs inconvénients dans notre contexte. Ceci nous amènera à la présentation de travaux sur la modélisation par esquisses, une technique de modélisation basée sur le tracé de contours, reconnue pour son accessibilité d'un point de vue utilisateur. Ces travaux mettront en évidence l'intérêt que l'on peut avoir à développer les modèles volumiques (surfaces implicites) et nous verrons quels travaux ont été menés récemment sur ces modèles pour améliorer leur contrôle et leur efficacité en situation de modélisation. Nous finirons en mettant en perspective le potentiel des modèles volumiques en présentant des projets de recherche qui ont ou vont commencer.

Les maillages volumiques sont très répandus en informatique graphique, en visualisation scientifique et en calcul numérique. Des opérations de subdivision, de simplification ou de remaillage sont parfois utilisées afin d'accélérer les traitements sur ces maillages. Afin de maîtriser la complexité de l'objet et des traitements numériques qui lui sont appliqués, une solution consiste alors à le représenter à différentes échelles. Les modèles existants sont conçus pour des approches spécifiques rendant leur utilisation limitée aux applications pour lesquelles ils ont été pensés. Nos travaux de recherche présentent un nouveau modèle pour la représentation de maillages multirésolutions en dimension quelconque basé sur le formalisme des cartes combinatoires. Nous avons d'abord appliqué notre modèle aux volumes de subdivision multirésolutions. Dans ce cadre, nous présentons plusieurs algorithmes de raffinement d'un maillage grossier initial. Ces algorithmes supportent des hiérarchies obtenues par subdivision régulière et adaptative. Nous proposons ensuite deux représentations, opposés en terme de coût spatial et temporel, pour ce modèle.

Les tâches dans les environnements virtuels immersifs sont associées à des techniques et à des dispositifs d'interaction 3D (e.g. la sélection d'objets 3D à l'aide de la main virtuelle via un flystick). Alors que les environnements et les tâches deviennent de plus en plus complexes, les techniques ne peuvent plus être les mêmes pour chaque application, voire pour les différentes situations au sein d'une application. Une solution est d'adapter l'interaction en fonction des besoins de la situation pour améliorer l'utilisabilité. Ces adaptations peuvent être effectuées manuellement par le concepteur ou l'utilisateur, ou automatiquement par le système créant ainsi une interaction adaptative. La formalisation d'une telle assistance automatique nécessite la gestion d'informations pertinentes au vu de la situation. L'ensemble de ces informations fait émerger le contexte de l'interaction. L'assistance adaptative obtenue en raisonnant à partir de ces informations est ainsi consciente du contexte. De nombreuses possibilités existent pour l'obtenir. Notre objectif est une gestion du contexte qui préserve ses degrés élevés d'expressivité et d'évolutivité tout en étant facile à intégrer. Nous proposons une modélisation de ce problème par des graphes conceptuels basés sur une ontologie et gérés par un moteur externe en logique du premier ordre. Le moteur est générique et utilise une base de connaissance contenant des faits et des règles, qui peuvent être changés dynamiquement. Nous avons intégré une notion de confiance, afin d'établir l'adéquation d'une situation à la base de connaissances. La confiance des réactions est comparée à leur impact afin de ne garder que les pertinentes tout en évitant de saturer l'utilisateur. Les applications utilisent des outils qui peuvent être contrôlés par le moteur. Des capteurs permettent d'extraire des informations sémantiques pour le contexte. Des effecteurs permettent d'agir sur l'application et d'obtenir des adaptations. Un jeu d'outils et une base de connaissance pour l'interaction 3D ont été créés. De nombreuses étapes sont introduites dans la base de connaissance pour de bonnes combinaisons et une réflexion indépendante d'outils spécifiques. Nos premières applications illustrent la compréhension de la situation, dont les intérêts et difficultés de l'utilisateur, et le déclenchement d'assistances adaptées. Une étude hors ligne montre ensuite l'accès et l'évolution des étapes du moteur selon la situation. Le raisonnement sémantique générique obtenu est alors expressif, compréhensif, extensif et modifiable dynamiquement. Pour l'interaction 3D, il permet une assistance universelle automatique, ponctuelle ou manuelle à l'utilisateur et des analyses hors-lignes d'activités ou de conceptions pour le concepteur.

L'animation de personnages virtuels guidée par des données fait l'objet de nombreuses études dans le domaine de l'informatique graphique. Dans ce contexte, le mouvement est classiquement défini par une suite de squelettes au cours du temps, chacun étant décrit par un vecteur de positions et de rotations. Le maillage 3D est ensuite guidé par les squelettes au moyen d'un couplage défini explicitement. L'enchaînement des différentes étapes de ce processus est difficile à mettre en oeuvre, et conduit à des approximations et des erreurs de modélisation, à la fois au niveau de l'animation du squelette et de la déformation du maillage. Dans ce manuscrit nous proposons d'étudier d'autres représentations du mouvement par le biais d'un ensemble de relations spatiales. Cette approche nous permet de tenir compte implicitement de contraintes de distance entre les points de la structure articulée, du maillage et de l'environnement, et d'exprimer en particulier la notion de contact. Deux axes d'étude sont principalement abordés~: le premier considère le mouvement dans l'espace métrique, et le second caractérise chaque posture par son information différentielle dans l'espace Laplacien. Dans un premier temps, nous proposons de représenter les squelettes associés aux postures du mouvement par un ensemble de distances. Caractériser une telle structure dans l'espace métrique se ramène à un formalisme mathématique connu sous le nom de problème de la géométrie des distances. Ainsi, nous nous inspirons des différentes techniques existantes et les appliquons au contrôle du mouvement. L'objectif est de produire de nouveaux mouvements à partir de processus d'édition ou d'inversion cinématique. Nous montrons que cette représentation permet un contrôle simple et intuitif de l'animation d'un personnage. Elle possède également plusieurs propriétés exploitables dans le cadre de l'analyse du mouvement. Ce dernier point est illustré par une application originale de recherche de mouvements dans des grandes bases de données. Dans un second temps, nous définissons le mouvement par un ensemble de graphes dont les sommets sont caractérisés par une information différentielle. A travers cette représentation, nous proposons une nouvelle méthode d'édition du mouvement couplant des contraintes de distance avec l'opérateur Laplacien discret. Cet opérateur permet de préserver les relations spatiales lors de l'édition du mouvement alors que les contraintes de distance préservent certaines propriétés inhérentes au squelette. Ce concept donne lieu à plusieurs applications dédiées à la reconstruction et l'édition de mouvement : (i) l'édition interactive d'animation de squelette, où nous proposons d'éditer tout type de mouvement avec de fortes déformations tout en préservant l'information spatio-temporelle ; (ii) la reconstruction de trajectoires de marqueurs~: en faisant l'hypothèse qu'il existe un lien entre la trajectoire d'un marqueur et celles de ses voisins, nous proposons de reconstruire les trajectoires incomplètes ; (iii) l'animation de maillage où nous proposons un nouveau processus d'animation directement guidé par les trajectoires des marqueurs.

Les séquences de maillages sont de plus en plus utilisées. Cette augmentation des besoins entraîne un développement des méthodes de génération de séquences de maillages. Ces méthodes de générations peuvent produire des séquences de maillages de natures différentes. Le nombre d'applications utilisant ces séquences s'est également accru, avec par exemple la compression et le transfert de pose. Ces applications nécessitent souvent de calculer une partition de la séquence. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement à la segmentation en composantes rigides de séquences de maillages. Dans un premier temps, nous formalisons la notion de séquence de maillages et proposons donc une classification permettant de désigner quelles sont les propriétés attachées à un type de séquence, et ainsi de décrire précisément quel type de séquence est nécessaire pour une application donnée. Dans un second temps, nous formalisons la notion de segmentation de séquence de maillages, et présentons également l'état de l'art des méthodes de segmentation sur les séquences de maillages. Ensuite, nous proposons une première méthode de type globale pour les séquences stables de maillages, fondée sur la fusion de régions. Par la suite, nous présentons deux autres méthodes, reposant sur la classification spectrale. La première, produit un ensemble de segmentations globales, tandis que la seconde génère une segmentation globale ou une segmentation temporellement variable. Nous mettons également en place un système d'évaluation quantitative des segmentations. Enfin, nous présentons les différentes perspectives liées à la segmentation.

Les systèmes multi-caméras permettent de nos jours d'obtenir à la fois des flux d'images couleur mais aussi des flux de modèles 3D. Ils permettent ainsi l'étude de scènes complexes à la fois de par les éléments qui la composent mais aussi de par les mouvements et les déformations que subissent ces éléments au fil du temps. Une des principales limitations de ces données est le manque de cohérence temporelle entre les observations obtenues à deux instants de temps successifs. Les travaux présentés dans cette thèse proposent des pistes pour retrouver cette cohérence temporelle. Dans un premier temps nous nous sommes penchés sur le problème de l'estimation de champs de déplacement denses à la surface des objets de la scène. L'approche que nous proposons permet de combiner efficacement des informations photométriques provenant des caméras avec des informations géométriques. Cette méthode a été étendue, par la suite, au cas de systèmes multi-caméras hybrides composés de capteurs couleurs et de profondeur (tel que le capteur kinect). Dans un second temps nous proposons une méthode nouvelle permettant l'apprentissage de la vraie topologie d'une scène dynamique au fil d'une séquence de données 4D (3D + temps). Ces travaux permettent de construire au fur et à mesure des observations un modèle de référence de plus en plus complet de la scène observée.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'ingénierie des Environnements Virtuels pour l’Apprentissage Humain (EVAH). Les jeux épistémiques numériques (JEN) sont une catégorie des jeux sérieux dédiés à la résolution de problèmes complexes, pluridisciplinaires et non-déterministes afin de proposer des situations d'apprentissage plus authentiques.La première partie de la thèse est consacrée à l’exploration des dimensions spatiales, temporelles et sociales des interactions dans un JEN. Des expérimentations ont été menées en milieu écologique et ont montré un apport pédagogique par une augmentation de l'engagement des apprenants. La conception des prototypes expérimentés a mis en évidence que le développement informatique des interactions immersives d'un EVAH demeure actuellement réservé à des spécialistes en Réalité Mixte ou Virtuelle (RMV).Ainsi la seconde partie de la thèse a été dédiée à la proposition d'un environnement de développement (MIREDGE). Une interface de programmation visuelle permet aux développeurs de modéliser des interactions sans connaissance spécifique en RMV par réutilisation de blocs. Des expérimentations ont permis d'évaluer l'efficacité et l'efficience de MIREDGE pour le profil des développeurs RMV ainsi que celui des développeurs non-initiés à la RMV. Les développeurs RMV ayant une nécessité à poursuivre leur algorithme au-delà de la programmation visuelle, MIREDGE permet une génération automatique de code dans leur moteur de jeu. L'approche garantie une large compatibilité avec les environnements de développement et les périphériques, ouvrant ainsi des perspectives sur l'étude de logiques d'interactions universelles. / This thesis is in the field of the virtual environments for human learning. Digital Epistemic Games (DEG) are a category of serious games dedicated to solving complex, multidisciplinary and non-deterministic problems. The objective of DEGs is to propose authentic learning situations in terms of interactions so that learners can construct and anchor knowledge in their context of use.The first part of the thesis is devoted to exploring spatial, temporal and social dimensions of DEG interactions. Experiments were conducted in ecological environment and showed an educational contribution through an increase in the learner engagement. The design of the prototypes showed that the development of the immersive interactions of a virtual environment for human learning currently remains reserved for specialists in Mixed Reality or Virtual (MVR).So the second part of the thesis was the proposal of a development environment named MIREDGE. A visual programming interface allows developers to model interactions without specific knowledge in MVR through the reuse of blocks. Experiments have evaluated the effectiveness and efficiency of MIREDGE for specialist and non-specialist developers in MVR.As specialist developers in MVR have to continue their algorithm beyond visual programming, MIREDGE allows automatic generation of code providing the corresponding script being totally re-editable in their game engine. The MIREDGE approach ensures wide compatibility with development environments and peripherals. This opens perspectives on the study of the logics of universal interactions.

Cette thèse est consacrée au domaine interdisciplinaire des Systèmes de Transport Intelligents et des technologies de Réalité Virtuelle. Elle se concentre sur l’amélioration des stratégies de commande des véhicules intelligents en tenant compte des impacts de l’environnement naturel ainsi que sur l’analyse de performance, la visualisation et la vérification de la validité des algorithmes de commande sur la plateforme de véhicules intelligents réalité virtuelle (IVVR).La plateforme IVVR comprend trois sous-systèmes : un sous-système de commande de véhicules intelligents, un sous-système de visualisation et un sous-système virtuel sans fil. Le synthétique environnement naturel a été modélisé et simulé pour la simulation et l’analyse de performance des stratégies de commande sous conditions environnementales complexes. Ensuite, les expérimentations concernant le trafic équipé du régulateur de vitesses adaptatives (ou coopérative) sont exécutés et ils montrent que les systèmes existants ont échoué à maintenir une espace inter-véhiculaire de sécurité lorsque les conditions d’environnement naturel sont défavorables. Dans ce cas, nous proposons un nouvel algorithme de commande appelé NECACC pour le contrôle longitudinal du véhicule en maintenant une espace inter-véhiculaire de sécurité et garantissant une capacité de circulation optimisée même dans des conditions environnementales complexes. Cet algorithme est ensuite simulé, vérifié et validé sur la plateforme IVVR. Enfin, les démonstrations de trafic virtuel effectuant des manœuvres communes de circulation contrôlés par les systèmes de commande intégrés proposées sont présentées sous diverse conditions environnementales / This thesis is dedicated to the interdisciplinary area of Intelligent Transportation Systems and Virtual Reality technologies. It focuses on the improvement of intelligent vehicles control strategies by considering the natural environment impacts as well as the visualization, the verification and performance analysis of proposed control algorithms on the proposed Intelligent Vehicles Virtual Reality (IVVR) platform.The IVVR platform includes three subsystems: Vehicle Intelligent Control Subsystem, Visualization Subsystem and Virtual Wireless Subsystem. For realizing the control strategy simulation and performance analysis under complex natural environment conditions, Synthetic Natural Environment has been modeled and simulated in this IVVR platform. Therefore, experiments of Adaptive Cruise Control (ACC) or Cooperative ACC system equipped traffic are executed and show that normal ACC/CACC system fails to keep a safe inter-vehicle space when the natural environment condition is variable or adverse especially in stiff conditions. For solving this problem, we propose a new control algorithm called NECACC (Natural Environment based CACC) for longitudinal vehicle control in maintaining a safe inter-vehicle distance as well as guaranteeing an appropriate traffic capacity even under complex environmental conditions. This algorithm is then simulated and verified in IVVR platform as a “proof of concept”. Finally, some virtual traffic demonstrations performing common traffic maneuvers are presented in IVVR platform under various environmental conditions. The vehicle platoon is controlled by proposed integrated control system and the safety can be ensured all the time

Les réseaux traitant l’information, intègrent différentes technologies incluant une large gamme de dispositifs aux capacités et puissances très variées et capables de gérer une immense quantité d’informations sous forme de données d’une grande diversité de formats. La recherche sur l'imagerie 3D, la réalité virtuelle et autres techniques holographiques permettront d’offrir de nouvelles techniques d’interactions homme/machine (IHM), notamment pour les appareils mobiles. Cela enrichira encore la variété et la diversité de ces dispositifs. Beaucoup d'efforts ont été faits, notamment ces dernières années, afin d’établir une intégration ouverte, évolutive et transparente des différentes technologies permettant l’affichage de contenus, notamment d’images 2D et 3D et ce pour tout type de système, y compris mobile en tenant compte, notamment et de plus en plus, de la situation géographique individuelle de l'utilisateur final. Sur ces différents points, la tâche est loin d’être terminée. Cette thèse représente, dans ce contexte, une contribution, vers la généralisation de la transportabilité des informations pour des objets communicants de natures différentes, notamment portables, particulièrement dans le cas de l’imagerie en 3 dimensions, de plus en plus exploitée.L'objectif de ce travail de recherche est de trouver un moyen de résoudre le problème énoncé ci-dessus en proposant une architecture pour fournir un accès sans contrainte, continu et personnalisé pour le contenu et les applications interactives partout et à tout moment avec la plus grande quantité possible d’appareils communicants. Un exemple d’exploitation utile et particulièrement adaptée d'un tel système est l'apprentissage sur mobile en raison de la grande diversité des appareils communicants disponibles, dotés de caractéristiques et de fonctionnalités très différentes. Comme solution au problème considéré, une nouvelle architecture nommée "Smoothie" est proposée, un prototype a été développé et évalué en tant que composant important d'un jeu d'apprentissage collaboratif de langues étrangères nommé LLG (Language Learning Game). / Today’s network landscape consists of many different network technologies, a wide range of end-devices with large scale of capabilities and power, an immense quantity of information and data represented in different formats. Research on 3D imaging, virtual reality and holographic techniques will result in new user interfaces (UI) for mobile devices and will increase their diversity and variety. A lot of effort is being made in order to establish open, scalable and seamless integration of various technologies and content presentation for different devices including those that are mobile, considering the individual situation of the end user. Till today the research is going on in different parts of the world but the task is not completed yet.The goal of this research work was to find a way to solve the above stated problems by investigating system architectures to provide unconstrained, continuous and personalized access to the content and interactive applications everywhere and at anytime with different devices. As a Solution of the problem considered, a new architecture named “Smoothie” is proposed, developed as prototype and evaluated as an important feature of a collaborative foreign language learning game named LLG.

L’objet de ce travail est de mieux comprendre les modifications cognitives et cérébrales liées à la sclérose en plaques (SEP) et les facteurs pouvant les affecter afin de contribuer à améliorer la prise en charge cognitive des personnes vivant avec une SEP. Nous avons orienté nos travaux selon 2 axes. Le premier visait à optimiser les évaluations cognitives. Nous avons montré une diminution de la qualité de vie (QdV) liée à l’atteinte cognitive et à son retentissement sur le statut professionnel, ainsi que l’intérêt d’utiliser l’Echelle d’Humeur Dépressive version auto-questionnaire que nous avons validée et dont la dimension « perte de contrôle émotionnel » était particulièrement associée à la QdV. Nous avons aussi élaboré des tâches « écologiques » en environnement virtuel et montré leur potentiel à évaluer plusieurs composantes cognitives, voire leurs interactions, suggérant leur intérêt pour évaluer l’impact des troubles cognitifs dans les activités quotidiennes. Le second, pour lequel nous avons présenté les bases théoriques, la méthodologie et les résultats préliminaires, consistait à améliorer la prise en charge cognitive grâce à son évaluation et à la réhabilitation (étude REACTIV, en cours). Nous avons créé des paradigmes en IRMf et un programme de réhabilitation spécifique visant à guider les phénomènes de plasticité cérébrale afin d’optimiser le transfert des acquis dans la vie quotidienne et améliorer la QdV. Lors des résultats préliminaires, nous avons identifié en imagerie multimodale des mesures IRM de deux structures prédictives de la progression de certaines performances cognitives au cours de nos thérapies : le thalamus et le corps calleux. / The purpose of this work is to better understand the cognitive and brain changes associated with multiple sclerosis and the influencing factors to help improve cognitive support for people living with MS. We organized our work according to two axes. The first one was to optimize cognitive assessments. We have shown i) a decrease in quality of life (QoL) linked to cognitive impairment and its impact on the professional status and ii) interest in the use of Depressed Mood Scale self-questionnaire that we validated and whose lack of emotional control dimension was particularly associated with QoL. We also developed ecological tasks in virtual environment and showed their potential to evaluate several cognitive components or their interactions, suggesting an interest in evaluating the functional impact of cognitive impairment in daily activities of PwMS. The second, for which we presented the theoretical basis, methodology and preliminary results, was to improve cognitive care through its assessment and rehabilitation (REACTIV study in progress). We created fMRI paradigms and a specific rehabilitation program to guide brain plasticity phenomena in order to optimize the transfer of training in daily life and improve QoL. Preliminary results in multimodal imaging revealed MRI measures of two structures, the thalamus and the corpus callosum, which would be predictive of progression of certain cognitive performance during our therapies.