L’architecture et la géo-ingénierie sont des domaines où les professionnels doivent prendre des décisions critiques. Ceux-ci requièrent des outils de haute précision pour les assister dans leurs tâches quotidiennes. La Réalité Augmentée (RA) présente un excellent potentiel pour ces professionnels en leur permettant de faciliter l’association des plans 2D/3D représentatifs des ouvrages sur lesquels ils doivent intervenir, avec leur perception de ces ouvrages dans la réalité. Les outils de visualisation s’appuyant sur la RA permettent d’effectuer ce recalage entre modélisation spatiale et réalité dans le champ de vue de l’usager. Cependant, ces systèmes de RA nécessitent des solutions de positionnement en temps réel de très haute précision. Ce n’est pas chose facile, spécialement dans les environnements urbains ou sur les sites de construction. Ce projet propose donc d’investiguer les principaux défis que présente un système de RA haute précision basé sur les panoramas omnidirectionels. / Architecture and geo-engineering are application domains where professionals need to take critical decisions. These professionals require high-precision tools to assist them in their daily decision taking process. Augmented Reality (AR) shows great potential to allow easier association between the abstract 2D drawings and 3D models representing infrastructure under reviewing and the actual perception of these objects in the reality. The different visualization tools based on AR allow to overlay the virtual models and the reality in the field of view of the user. However, the architecture and geo-engineering context requires high-accuracy and real-time positioning from these AR systems. This is not a trivial task, especially in urban environments or on construction sites where the surroundings may be crowded and highly dynamic. This project investigates the accuracy requirements of mobile AR GIS as well as the main challenges to address when tackling high-accuracy AR based on omnidirectional panoramas.

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Le traumatisme craniocérébral modéré-grave (TCC) a une prévalence élevée au Canada. Il s'agit d'une condition neurologique qui affecte le fonctionnement cognitif. Parmi ces atteintes cognitives, les fonctions exécutives (FE) et la mémoire prospective (MP) sont particulièrement touchées lors d'un TCC. Cependant, les outils actuels pour les évaluer présentent plusieurs lacunes, dont leur faible validité écologique, ce qui ne permet pas d'avoir un portrait juste du fonctionnement quotidien. Une avenue intéressante pour améliorer la validité écologique est d'utiliser la réalité virtuelle. L'objectif du mémoire était d'examiner la validité d'un scénario multitâches effectué dans un environnement virtuel non-immersif d'appartement (VMT = Virtual Multitasking Test) pour évaluer la MP et les FE chez des adultes ayant subi un TCC modéré-grave et des participants contrôles. Les objectifs spécifiques étaient d'examiner les associations entre la performance au VMT et à des mesures neuropsychologiques traditionnelles (Tour de Londres, Zoo Map Test, CAMPROMPT) ainsi que d'examiner la validité discriminante du VMT afin de voir si celui-ci permet de départager le groupe TCC et le groupe contrôle. Quinze participants ayant subi un TCC modéré-grave (20% de femmes; moyenne de 43,5 ans; moyenne de 80 mois post-TCC) ont été recrutés et appariés à 15 participants contrôles. Les résultats indiquent des corrélations positives et modérées entre une mesure du fonctionnement exécutif (Tour de Londres) et différentes mesures du VMT. Une corrélation positive et modérée entre une mesure de la mémoire prospective (CAMPROMPT) et le score total du VMT est également observées. À l'égard du deuxième objectif, les résultats démontrent que le VMT a une sensibilité de 80% et une spécificité de 73% chez une population ayant subi un TCC modéré ou grave. Ces résultats indiquent que l'utilisation du VMT peut être efficace pour mesurer le fonctionnement cognitif et détecter des difficultés dans une population clinique ayant subi un TCC. / Moderate-severe traumatic brain injury (TBI) is highly prevalent in Canada. It is a neurological condition that can impair cognitive functioning. Among these cognitive impairments, executive function (EF) and prospective memory (PM) are particularly impaired in TBI. However, current tools for assessing these domains have a number of limitations, including low ecological validity, which does not provide an accurate picture of day-to-day functioning. An interesting avenue for improving ecological validity is to use virtual reality. The aim of this study was to examine the validity of a multitasking scenario performed in a non-immersive virtual apartment environment (VMT = Virtual Multitasking Test) to assess PM and EF in adults with moderate-severe TBI and control participants. The specific aims were to examine associations between performance on the VMT and traditional neuropsychological measures (Tower of London, Zoo Map Test, CAMPROMPT), and to examine the discriminant validity of the VMT in terms of its ability to discriminate between the TBI and control groups. Fifteen participants with moderate-severe TBI (20% female; mean 43.5 years; mean 80 months post-TBI) were recruited and matched to 15 control participants. The results indicate moderate correlations between a measure of executive functioning (Tower of London) and various VMT measures. A positive and moderate correlation between a measure of prospective memory (CAMPROMPT) and the VMT total score was also reported. With regard to the second objective, results showed that VMT had a sensitivity of 80% and a specificity of 73% in a population with moderate to severe TBI. These results indicate that the use of the VMT can be effective in measuring cognitive functioning and detecting difficulties in a clinical population with TBI.

La réalité virtuelle est une technologie qui permet à un utilisateur d'interagir avec une scène générée par ordinateur. L'environnement virtuel dans lequel évolue le participant doit lui fournir des informations sensorielles pour qu'il puisse effectuer des tâches de façon naturelle. Plusieurs outils logiciels et matériels sont actuellement disponibles sur le marché pour tenir compte des différents aspects d'un environnement virtuel: visualisation immersive, simulation des lois de la physique, émissions sonores, etc. Cependant, aucune application n'a été développée pour intégrer ces différentes technologies dans un seul et même système. Ce projet présente une approche modulaire et flexible qui utilise les principes du multi-îhreading afin de synchroniser les données communes de position, d'orientation et de facteurs d'échelle entre plusieurs sous-systèmes intégrés dans un environnement virtuel multi-sensoriel et distribué. L'application finale comporte cinq soussystèmes qui gèrent tous un aspect de l'environnement virtuel : la synchronisation, la visualisation, la gestion des lois physiques, la distribution sur un réseau et l'intégration des sous-systèmes. Tout d'abord, un module de synchronisation forme le coeur du système en protégeant l'accès asynchrone aux données partagées entre les modules. Un processus de synchronisation en trois étapes permet alors de maintenir la cohérence entre les différents modules. Ensuite, un module de visualisation permet de produire un rendu graphique en trois dimensions de l'environnement virtuel en affichant les géométries et les textures des différents éléments virtuels composant la scène. De plus, un module haptique est utilisé pour appliquer les lois physiques sur les objets. Puis, afin de distribuer les modules sur plusieurs machines d'un réseau ou rendre l'application multi-utilisateurs, un module de distribution sera également ajouté au système final. Enfin, un module d'intégration permet d'interconnecter les modules entre eux en encapsulant les fonctionnalités du module de synchronisation. Ce dernier module permettra de gérer la transmission d'information entre les modules et d'ajouter des comportements de haut niveau au système final comme la navigation, la manipulation d'objets, des interfaces graphiques, etc.

La Géo-Simulation Multi-Agent (GSMA) est un paradigme de modélisation et de simulation de phénomènes dynamiques dans une variété de domaines d'applications tels que le domaine du transport, le domaine des télécommunications, le domaine environnemental, etc. La GSMA est utilisée pour étudier et analyser des phénomènes qui mettent en jeu un grand nombre d'acteurs simulés (implémentés par des agents) qui évoluent et interagissent avec une représentation explicite de l'espace qu'on appelle Environnement Géographique Virtuel (EGV). Afin de pouvoir interagir avec son environnement géographique qui peut être dynamique, complexe et étendu (à grande échelle), un agent doit d'abord disposer d'une représentation détaillée de ce dernier. Les EGV classiques se limitent généralement à une représentation géométrique du monde réel laissant de côté les informations topologiques et sémantiques qui le caractérisent. Ceci a pour conséquence d'une part de produire des simulations multi-agents non plausibles, et, d'autre part, de réduire les capacités de raisonnement spatial des agents situés. La planification de chemin est un exemple typique de raisonnement spatial dont un agent pourrait avoir besoin dans une GSMA. Les approches classiques de planification de chemin se limitent à calculer un chemin qui lie deux positions situées dans l'espace et qui soit sans obstacle. Ces approches ne prennent pas en compte les caractéristiques de l'environnement (topologiques et sémantiques), ni celles des agents (types et capacités). Les agents situés ne possèdent donc pas de moyens leur permettant d'acquérir les connaissances nécessaires sur l'environnement virtuel pour pouvoir prendre une décision spatiale informée. Pour répondre à ces limites, nous proposons une nouvelle approche pour générer automatiquement des Environnements Géographiques Virtuels Informés (EGVI) en utilisant les données fournies par les Systèmes d'Information Géographique (SIG) enrichies par des informations sémantiques pour produire des GSMA précises et plus réalistes. De plus, nous présentons un algorithme de planification hiérarchique de chemin qui tire avantage de la description enrichie et optimisée de l'EGVI pour fournir aux agents un chemin qui tient compte à la fois des caractéristiques de leur environnement virtuel et de leurs types et capacités. Finalement, nous proposons une approche pour la gestion des connaissances sur l'environnement virtuel qui vise à supporter la prise de décision informée et le raisonnement spatial des agents situés.

Nous abordons dans cette thèse la problématique liée à la modélisation d'environnements urbains virtuels pour des fins de simulation de la mobilité. En premier lieu, nous proposons une nouvelle approche de conception d'un Environnement Urbain Virtuel (EUV) permettant une modélisation multi-échelle grâce à l'utilisation d'un patron de conception qui met en relation les lieux d'activité et les différents réseaux de transport. Dans ce patron, une notion simple de desserte nous permet de modéliser à la fois l'accès à des lieux, le transfert modal et le changement d'échelle. Ce patron peut être spécialisé dans diverses structures à diverses échelles (macro, méso, micro, etc.). Nous formalisons l'EUV en utilisant la théorie des graphes, ce qui permet une implantation rigoureuse de ces concepts, tout en tenant compte des principales fonctions classiquement utilisées pour la simulation des parcours dans les réseaux de transports. En second lieu, nous proposons une démarche pour enrichir l'EUV avec les données de la population qui l'occupe afin d'aboutir à l'Environnement Urbain Peuplé (EUP). Le modèle de l'EUP regroupe alors à la fois la demande et l'offre en transports. Notre démarche réduit le problème en deux sous-problèmes semblables mais qui se traitent différemment: 1) l'allocation des attributs non spatiaux (donc la génération de la population synthétique) en combinant une approche de reconstruction synthétique avec un algorithme d'apprentissage non supervisé et 2) l'allocation des attributs spatiaux (donc l'assignation des lieux d'occupation) en combinant une approche de prédiction des temps de parcours (avec l'utilisation potentielle d'un algorithme d'apprentissage supervisé) avec un algorithme d'appariement dans un graphe biparti et pondéré. Au niveau de la validation, en plus des méthodes statistiques qui existent pour mesurer la vraisemblance d'une population synthétique, nous proposons une série de validations unitaires devant se faire au moment même de la création de l'EUP. Nous présentons TransNetSim, la plateforme de simulation multi-agent des déplacements que nous avons développée et qui tire partie de tous les avantages de notre modèle de l'EUP. En comparant TransNetSim par rapport à des outils existants, nous montrons qu'il regroupe un ensemble de caractéristiques qui font de lui un prototype prometteur. Particulièrement, le principe de la matrice de routage dans laquelle on compile tous les chemins optimaux en prétraitement offre un grand apport au niveau de la faisabilité computationnelle de l'approche multi-échelle. L'utilisation de la plateforme a été illustrée par la simulation du trafic de véhicules dans la ville de Québec à une échelle méso et dans le campus universitaire à une échelle micro. Finalement, nous montrons comment l'utilisation d'outils SOLAP permet d'une façon simple et efficace d'analyser et de calibrer les résultats de nos simulations (génération de la population synthétique, données résultant de la simulation du trafic).

Depuis leur introduction, les téléphones intelligents n’ont cessé d’évoluer. Ceux-ci intègrent généralement plusieurs composantes utiles (i.e. caméra numérique, récepteur GPS, accéléromètres, boussole numérique et plus récemment le gyroscope) pour des applications de Réalité Augmentée Mobile (RAM). Ce type d’application génère beaucoup d’intérêt auprès du grand public qui se voit offrir une nouvelle manière d’explorer son environnement. Afin d’obtenir une forte augmentation de la réalité en termes d’immersion de l’utilisateur et des interactions qui lui sont proposées, ces applications de RAM requièrent généralement un modèle 3D de l’environnement. Ce modèle 3D peut alors être exploité selon trois finalités différentes au sein de l’application de RAM qui sont : 1) gérer les occlusions; 2) aider au calcul de la pose (position/orientation) de la caméra de l’utilisateur; 3) supporter les interactions et l’augmentation de la réalité. Cependant, ces modèles 3D ne sont pas toujours disponibles à l’endroit où l’on souhaite augmenter la réalité ce qui nuit au déploiement des applications de RAM n’importe où et n’importe quand. Afin de surmonter cette contrainte, le présent projet de maîtrise a consisté à concevoir une chaîne de production de modèles 3D adaptée au contexte des applications de RAM dites fortement augmentées et facilement exploitable directement sur les lieux ciblés pour l’augmentation. La chaîne de production élaborée a été implantée sur la plateforme de l’iPhone 3G puis évaluée selon des critères d’exactitude, de rapidité, d’intuitivité et d’efficacité de l’augmentation résultante. Les résultats de cette évaluation ont permis de mettre en évidence la possibilité de modéliser en 3D un bâtiment simplement tout en atteignant une exactitude sous les 5 mètres en environ 3 minutes à l’aide d’un appareil de type téléphone intelligent. / Recently, a new genre of software applications has emerged allowing the general public to browse their immediate environment using their smartphone: Mobile Augmented Reality (MAR) applications. The growing popularity of this type of application is triggered by the fast evolution of smartphones. These ergonomic mobile platforms embed several pieces of equipment useful to deploy MAR (i.e. digital camera, GPS receiver, accelerometers, digital compass and now gyroscope). In order to achieve a strong augmentation of the reality in terms of user’s immersion and interactions, a 3D model of the real environment is generally required. The 3D model can be used for three different purposes in these MAR applications: 1) to manage the occlusions between real and virtual objects; 2) to provide accurate camera pose (position/orientation) calculation; 3) to support the augmentation and interactions. However, the availability of such 3D models is limited and therefore preventing MAR application to be used anywhere at anytime. In order to overcome such constraints, this proposed research thesis is aimed at devising a new approach adapted to the specific context of MAR applications and dedicated to the simple and fast production of 3D models. This approach was implemented on the iPhone 3G platform and evaluated according to precision, rapidity, simplicity and efficiency criteria. Results of the evaluation underlined the capacity of the proposed approach to provide, in about 3 minutes, a simple 3D model of a building using smartphone while achieving accuracy of 5 meters and higher.

Ce projet de mémoire s'intéresse à une toute nouvelle approche d'analyse du site archéologique de l'Îlot des Palais en basse-ville de Québec : la phénoménologie en contexte numérique. À la suite de l'élaboration de l'environnement virtuel qui représente une première hypothèse du site en 1719, l'environnement est adapté à un système de réalité virtuelle. Ce contexte d'immersion et d'interaction permet une analyse de phénoménologie dépouillée des obstacles sensoriels du contexte urbain contemporain. Ce mémoire présente un article sur la méthodologie d'acquisition des informations brutes, leurs traitements en données archéologiques 3D et la production de l'environnement virtuel. Les résultats de l'analyse sont ensuite abordés en comparaison avec l'analyse de phénoménologie du site in situ. Enfin, nous terminons avec une discussion critique sur la démarche d'archéologie numérique qui pourrait être appliquée à d'autres cas d'études, les perspectives pour l'intégration en milieu professionnel et une réflexion sur l'utilisation comme outil de médiation grand public. / This dissertation project is interested in a new approach to analyze the archaeological site of the Îlot des Palais in the City of Quebec: phenomenology in a digital context. Following the development of the virtual environment which represents a first hypothesis of the site in 1719, the environment is adapted to a virtual reality system. This context of immersion and interaction allows an analysis of phenomenology stripped of the sensory obstacles of the contemporary urban context. This document presents an article on the methodology of raw information acquisition, their processing in 3D archaeological data and the production of the virtual environment. The results of the analysis are then discussed in comparison with the analysis of phenomenology of the site in situ. Finally, we end with a critical examination of the digital archaeology approach for scientific research that could be applied to other case studies, the prospect for integration in the private sector and a reflection on public mediation through this medium.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

The minimally invasive approach of arthroscopy means less pain and faster recovery time for patients compared to open surgery. However, it implies a high difficulty of performance. Therefore, surgeon should remain at a high level of technical and professional expertise to perform such operations. Surgeon’s skills are being developed over years of surgical training on animals, cadavers and patients. Nowadays, cadavers and animal specimens present an ethical problem also the practice on real humans is usually risky. For surgeons to reach a high level, new and alternative ways of performing surgical training are required. Virtual reality technology has opened new realms in the practice of medicine. Today, virtual reality simulators have become one of the most important training methods in the medical field. These simulators allow medical students to examine and study organs or any structure of the human body in ways that were not possible few years earlier. Similarly, the surgeon as well as the medical student can gain a valuable experience by performing a particular surgery with an anatomical accuracy and realism as it is actually performed in the real world. Thus, they can practice on virtual operation before they proceed and operate on real patients. In this thesis, a virtual reality training simulator for wrist arthroscopy is introduced. Two main issues are addressed: the 3-D reconstruction process and the 3-D interaction. Based on a sequence of CT images a realistic representation of the wrist joint is obtained suitable for the computer simulation. Two main components of the computer-based system interface are illustrated: the 3-D interaction to guide the surgical instruments and the user interface for haptic feedback. In this context, algorithms that model objects using the convex hull approaches and simulate real time exact collision detection between virtual objects are presented. A force feedback device, coupled with a haptic algorithm, is used as a haptic interface with the computer simulation system. This leads in the development of a low cost system with the same benefits as professional devices. In this regard, the wrist arthroscopy can be simulated and medical students can learn the basic skills required with safety, flexibility and less cost / La chirurgie arthroscopique présente actuellement un essor très important pour le bénéfice du plus grand nombre des patients. Cependant, cette technique possède un certain nombre d’inconvénients et il est donc nécessaire pour le médecin de s’entrainer et répéter ses gestes afin de pouvoir exécuter ce type d’opération d’une façon efficace et certaine. En effet, les méthodes traditionnelles d’enseignement de la chirurgie sont basées sur l’autopsie des cadavres et l’entrainement sur des animaux. Avec l’évolution de notre société, ces deux pratiques deviennent de plus en plus critiquées et font l’objet de réglementations très restrictives. Afin d’atteindre un niveau plus élevé, de nouveaux moyens d’apprentissage sont nécessaires pour les chirurgiens. Récemment, la réalité virtuelle commence d’être de plus en plus utilisée dans la médecine et surtout la chirurgie. Les simulateurs chirurgicaux sont devenus une des matières les plus récentes dans la recherche de la réalité virtuelle. Ils sont également devenus une méthode de formation et un outil d’entrainement valable pour les chirurgiens aussi bien que les étudiants en médecine. Dans ce travail, un simulateur de réalité virtuelle pour l’enseignement de la chirurgie arthroscopique, surtout la chirurgie du poignet, a été préesenté. Deux questions principales sont abordées : la reconstruction et l’interaction 3-D. Une séquence d’images CT a été traitée afin de générer un modèle 3-D du poignet. Les deux principales composantes de l’interface du système sont illustrées : l’interaction 3-D pour guider les instruments chirurgicaux et l’interface de l’utilisateur pour le retour d’effort. Dans ce contexte, les algorithmes qui modélisent les objets en utilisant les approches de “Convex Hull” et qui simulent la détection de collision entre les objets virtuels en temps réel, sont présentés. En outre, un dispositif de retour d’effort est utilisé comme une interface haptique avec le système. Cela conduit au développement d’un système à faible coût, avec les mêmes avantages que les appareils professionnels. A cet égard, l’arthroscopie du poignet peut être simulée et les étudiants en médecine peuvent facilement utiliser le système et peuvent apprendre les compétences de base requises en sécurité, flexibilité et moindre coût