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National audience; Les planétariums ont connu une évolution technologique effrénée avec l’arrivée du numérique à partir des années 1980. Ce contexte, qui bouleverse la nature des séances proposées, génère chez les médiateurs des difficultés à s’approprier et à exploiter les potentialités de médiation permises par ces nouveaux outils : changer les perspectives, naviguer à des distances et des temporalités astronomiques, visualiser l’invisible. Les sociétés qui fournissent les systèmes numériques pour planétariums observent ce phénomène et tentent d’accompagner les médiateurs. C’est le cas de RSA COSMOS, une des entreprises leaders sur le marché de la conception d’équipements pour planétariums et structure d’accueil de cette thèse CIFRE. Elle conçoit un logiciel de planétarium sophistiqué, SkyExplorer. A partir de l’analyse sémio-scientifique des représentations visuelles d’objets célestes proposées par ce logiciel de planétarium, nous interrogeons la façon dont les médiateurs peuvent faciliter l’accès des publics aux savoirs astrophysiques. Quelles fonctionnalités permettent aux médiateurs d’exploiter ces représentations visuelles ? A quelles conditions les fonctionnalités du logiciel permettent-elles de révéler les concepts astrophysiques de ces représentations visuelles ?

International audience

International audience; Les agents virtuels peuvent être utilisés pour promouvoir des comportements pro-sociaux. Dans cet article, nous explorons le potentiel des agents virtuels et de la réalité virtuelle pour lutter contre les discriminations sociales à travers l'induction d'empathie chez l'utilisateur. Nous présentons différents systèmes développés dans cette perspective et discutons les facteurs d'influence, les outils de mesures des performances de ces systèmes, ainsi que les limites actuelles de ces travaux.

La réalité virtuelle s’est imposée comme un nouveau paradigme de la recherche et des applica-tions scientifiques. La capacité de cette technologie à simuler des situations complexes sur me-sure offre aux chercheurs la possibilité d’étudier des comportements possédant contrôle méthodo-logique et dimension écologique. Cette dernière est rendue possible par l’émergence du sentiment de présence, la sensation « d’être là », phénomène au cœur des études in virtuo. Le présent tra-vail s’inscrit dans un cadre méthodologique et fondamental visant à faire avancer l’émergence d’un corps de connaissances sur la réalité virtuelle et son sentiment de présence. En effet, la compréhension globale de ce dernier demeure très limitée, notamment au regard de ses liens avec la performance en réalité virtuelle. Que ce soit dans un but de diagnostic ou d’investigation du comportement humain, la question de la relation entre sentiment de présence et performance est pourtant cruciale : si la présence favorise la performance, par exemple la performance à un test neuropsychologique, celle-ci devient un biais systématique inhérent à l’outil qu’il est néces-saire de contrôler pour toute expérimentation rigoureuse. Si cette question demeure peu étudiée dans la littérature c’est parce qu’elle est largement complexifiée par les interactions entre tout un ensemble de variables adjacentes – genre, cybermalaises, style cognitif, expérience des jeux vi-déo –, mais aussi parce que la performance peut prendre des myriades de formes différentes et qu’il est ainsi particulièrement ardu d’inférer une causalité directionnelle. Afin d’explorer cette question, le présent travail propose trois expérimentations sur trois différents types d’évaluation : fonctions exécutives, cognition spatiale, apprentissage sémantique. Les données ainsi recueillies font également l’objet d’analyses transversales destinées à comparer les expérimentations. En-semble, ces résultats semblent distinguer l’existence de deux composants de la réalité virtuelle. Le premier, le profil cognitif, est constitué par les facteurs humains individuels interagissant avec les facteurs systèmes – notamment le degré d’intégration de la tâche – pour moduler le deu-xième, l’expérience utilisateur. De cette expérience utilisateur dépendent le sentiment de pré-sence, la performance, mais aussi leur relation. Ce modèle, présenté en conclusion, est discuté au regard d’approches théoriques différentes de la cognition et permet de dresser une liste de recommandations et de perspectives pour les utilisateurs de la réalité virtuelle, notamment les possibilités d’estimer a priori l’expérience utilisateur d’un individu., Virtual reality has emerged as a new paradigm for research and scientific applications. The ability of this technology to simulate complex custom-made situations offers researchers the opportunity to study behaviours with a laboratory methodological control and an ecological dimensions. The latter is made possible by the emergence of the feeling (or “sense”) of presence, the sensation of "being there", a phenomenon at the heart of in virtuo studies. The present work is part of a meth-odological and fundamental framework aimed at advancing the emergence of a body of knowledge on virtual reality and its sense of presence. The global understanding of the sense of presence remains very limited, especially with regard to its links with performance in virtual reality. Whether it is for diagnostic purposes or for the investigation of human behaviour, the question of the relationship between the sense of presence and performance is crucial: if presence promotes performance, for example by increasing scores during a neuropsychological test, it becomes a systematic bias inherent to the tool that must be controlled in any rigorous experiment. This ques-tion remains little studied in the literature, mostly because it is complexified by the interactions between a whole set of adjacent variables – gender, cybersickness, cognitive style, video game experience – but also because performance can take many different forms, making it particularly difficult to infer directional causality. In order to explore this question, the present work proposes three experiments on three different types of evaluation: executive functions, spatial cognition, semantic learning. The data collected in this way is also the object of transversal analyses de-signed to compare the experiments. Together, these results seem to suggest the existence of two components of virtual reality. The first, the cognitive profile, is made up of individual human factors interacting with system factors – notably the degree of integration of the task into the virtual envi-ronment – to build the second, the user experience. The sense of presence and performance, but also their relationship depends on the user experience. This model, presented in conclusion, is discussed with regard to different theoretical approaches to cognition, notably the ecological and computational theories. This discussion makes it possible to draw up a list of recommendations and perspectives for virtual reality users, including the possibilities of estimating a priori the user experience of an individual immersed in virtual reality., Thèse en cotutelle internationale avec l'Université de Caen Normandie en France

Cette thèse rend compte d'une recherche portant sur l'utilisation d'environnements virtuels en formation professionnelle. Cette recherche est conduite en référence au programme empirique et technologique du « cours d'action » et a été menée dans le contexte industriel de la professionnalisation des agents de terrain dans les centrales nucléaires. Trois dispositifs de formation ont été co-conçus, expérimentés et analysés. Les résultats font état (i) des structures typiques de différents niveaux dans l'organisation du cours d'expérience des acteurs lors de l'utilisation de l'environnement virtuel en situation de formation, ainsi que (ii) des expériences-type de reenactment, de projection aux futures situations de travail et de mise en intrigue dynamique. Les avancées technologiques se sont concrétisées par et portent sur la re-conception de chacun des trois dispositifs de formation, tout en donnant lieu également à des pistes de re-conception de l'environnement virtuel lui-même. La discussion des résultats empiriques permet (i) d'examiner le reenactment sous le regard de l'imagination productive en explicitant la place des images, (ii) de souligner le rôle des abductions dans la dynamique d'apprentissage/développement et l'intérêt des « laboratoires de curiosités », ou encore (iii) de proposer un essai méthodologique pour l'Observatoire du programme du cours d'action : l'entretien de remise en situation à partir de traces artificielles. Un second niveau de discussion technologique permet de proposer trois principes de conception de situations de formation mobilisant des environnements virtuels : (i) l'aide à la réflexivité augmentée, (ii) l'aide à l'extension de la sémiose et l'encouragement des abductions, et (iii) l'encouragement à l'expérience mimétique.

Virtual reality has emerged as a new paradigm for research and scientific applications. The ability of this technology to simulate complex custom-made situations offers researchers the opportunity to study behaviours with a laboratory methodological control and an ecological dimensions. The latter is made possible by the emergence of the feeling (or “sense”) of presence, the sensation of "being there", a phenomenon at the heart of in virtuo studies. The present work is part of a meth-odological and fundamental framework aimed at advancing the emergence of a body of knowledge on virtual reality and its sense of presence. The global understanding of the sense of presence remains very limited, especially with regard to its links with performance in virtual reality. Whether it is for diagnostic purposes or for the investigation of human behaviour, the question of the relationship between the sense of presence and performance is crucial: if presence promotes performance, for example by increasing scores during a neuropsychological test, it becomes a systematic bias inherent to the tool that must be controlled in any rigorous experiment. This ques-tion remains little studied in the literature, mostly because it is complexified by the interactions between a whole set of adjacent variables – gender, cybersickness, cognitive style, video game experience – but also because performance can take many different forms, making it particularly difficult to infer directional causality. In order to explore this question, the present work proposes three experiments on three different types of evaluation: executive functions, spatial cognition, semantic learning. The data collected in this way is also the object of transversal analyses de-signed to compare the experiments. Together, these results seem to suggest the existence of two components of virtual reality. The first, the cognitive profile, is made up of individual human factors interacting with system factors – notably the degree of integration of the task into the virtual envi-ronment – to build the second, the user experience. The sense of presence and performance, but also their relationship depends on the user experience. This model, presented in conclusion, is discussed with regard to different theoretical approaches to cognition, notably the ecological and computational theories. This discussion makes it possible to draw up a list of recommendations and perspectives for virtual reality users, including the possibilities of estimating a priori the user experience of an individual immersed in virtual reality.; La réalité virtuelle s’est imposée comme un nouveau paradigme de la recherche et des applications scientifiques. La capacité de cette technologie à simuler des situations complexes sur mesure offre aux chercheurs la possibilité d’étudier des comportements possédant contrôle méthodologique et dimension écologique. Cette dernière est rendue possible par l’émergence du sentiment de présence, la sensation « d’être là », phénomène au cœur des études in virtuo. Le présent travail s’inscrit dans un cadre méthodologique et fondamental visant à faire avancer l’émergence d’un corps de connaissances sur la réalité virtuelle et son sentiment de présence. En effet, la compréhension globale de ce dernier demeure très limitée, notamment au regard de ses liens avec la performance en réalité virtuelle. Que ce soit dans un but de diagnostic ou d’investigation du comportement humain, la question de la relation entre sentiment de présence et performance est pourtant cruciale : si la présence favorise la performance, par exemple la performance à un test neuropsychologique, celle-ci devient un biais systématique inhérent à l’outil qu’il est nécessaire de contrôler pour toute expérimentation rigoureuse. Si cette question demeure peu étudiée dans la littérature c’est parce qu’elle est largement complexifiée par les interactions entre tout un ensemble de variables adjacentes – genre, cybermalaises, style cognitif, expérience des jeux vidéo –, mais aussi parce que la performance peut prendre des myriades de formes différentes et qu’il est ainsi particulièrement ardu d’inférer une causalité directionnelle. Afin d’explorer cette question, le présent travail propose trois expérimentations sur trois différents types d’évaluation : fonctions exécutives, cognition spatiale, apprentissage sémantique. Les données ainsi recueillies font également l’objet d’analyses transversales destinées à comparer les expérimentations. Ensemble, ces résultats semblent distinguer l’existence de deux composants de la réalité virtuelle. Le premier, le profil cognitif, est constitué par les facteurs humains individuels interagissant avec les facteurs systèmes – notamment le degré d’intégration de la tâche – pour moduler le deuxième, l’expérience utilisateur. De cette expérience utilisateur dépendent le sentiment de présence, la performance, mais aussi leur relation. Ce modèle, présenté en conclusion, est discuté au regard d’approches théoriques différentes de la cognition et permet de dresser une liste de recommandations et de perspectives pour les utilisateurs de la réalité virtuelle, notamment les possibilités d’estimer a priori l’expérience utilisateur d’un individu.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are receiving increasing interest from industry and academia due to their wide application in search and rescue, infrastructure inspection, surveillance, among others. This thesis focuses on research in the area of teleoperation systems for quadrotor vehicles. Throughout this thesis, a teleoperation system for a quadrotor vehicle was developed. In this system, the user interface is based on a virtual telepresence approach. Control algorithms were developed and implemented within the master and slave systems. The first part of this thesis consists of developing mathematical models of the dynamics of a quadrotor aircraft. Most works currently found in the literature for quadrotors are based on classical approaches such as Euler angles. These representations can lead to problems such as discontinuities, singularities, gimbal-locks, and highly non-linear equations. An alternative to these classical representations are unit quaternions. These have the advantages of the lack of singularities and gimbal lock effects. The second part of this work was dedicated to the development of a quadrotor teleoperation system. This system consists of a virtual user interface in a local environment and a quadrotor in a remote environment. A User Datagram Protocol (UDP) communication was used to communicate both environments. The user manipulates a virtual drone in the local environment and a real drone follows the position and orientation references in a remote environment. The user receives virtual feedback on the states of the real vehicle in the virtual environment. Results of the implementation of the proposed teleoperation system in real time are presented. The last part of this thesis addresses the delay problem in the teleoperation system. Delays due to system latency and the distance between environments were modeled as a delayed control input. Then, a predictor-based controller was developed in order to maintain the stability of a drone’s flight. This approach was applied to the classical Euler- Lagrange model and to the quaternion-based model in order to analyze performance. Simulations of both models with delayed inputs are presented.; Les UAVs suscitent un intérêt croissant de la part de l’industrie et des universités en raison de leur large application dans la recherche et le sauvetage, l’inspection des infrastructures, la surveillance, entre autres. Cette thèse se concentre sur la recherche dans le domaine des systèmes de téléopération pour véhicules quadrirotor. Tout au long de cette thèse, un système de téléopération pour un véhicule quadrirotor a été développé. Dans ce système, l’interface utilisateur est basée sur une approche de téléprésence virtuelle. Des algorithmes de contrôle ont été développés et mis en œuvre dans les systèmes maître et esclave. La première partie de cette thèse consiste à développer des modèles mathématiques de la dynamique d’un avion quadrotor. La plupart des travaux actuellement trouvés dans la littérature pour les quadrotors sont basés sur des approches classiques telles que les angles d’Euler. Ces représentations peuvent conduire à des problèmes tels que des discontinuités, des singularités, des verrous à cardan et des équations hautement non linéaires. Une alternative à ces représentations classiques sont les quaternions unitaires. Ceux-ci présentent les avantages du manque de singularités et d’effets de verrouillage de la nacelle. La deuxième partie de ce travail a été consacrée au développement d’un système de téléopération à quatre rotors. Ce système se compose d’une interface utilisateur virtuelle dans un environnement local et d’un quadrotor dans un environnement distant. Une communication UDP a été utilisée pour communiquer les deux environnements. L’utilisateur manipule un drone virtuel dans l’environnement local et un vrai drone suit les références de position et d’orientation dans un environnement distant. L’utilisateur reçoit un retour virtuel sur les états du véhicule réel dans l’environnement virtuel. Les résultats de la mise en œuvre du système de téléopération proposé en temps réel sont présentés. La dernière partie de cette thèse aborde le problème des retards dans le système de téléopération. Les retards dus à la latence du système et à la distance entre les environnements ont été modélisés comme une entrée de commande retardée. Ensuite, un contrôleur basé sur des prédicteurs a été développé afin de maintenir la stabilité du vol d’un drone. Cette approche a été appliquée au modèle classique d’Euler-Lagrange et au modèle basé sur les quaternions afin d’analyser les performances. Des simulations des deux modèles avec des entrées retardées sont présentées.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are receiving increasing interest from industry and academia due to their wide application in search and rescue, infrastructure inspection, surveillance, among others. This thesis focuses on research in the area of teleoperation systems for quadrotor vehicles. Throughout this thesis, a teleoperation system for a quadrotor vehicle was developed. In this system, the user interface is based on a virtual telepresence approach. Control algorithms were developed and implemented within the master and slave systems. The first part of this thesis consists of developing mathematical models of the dynamics of a quadrotor aircraft. Most works currently found in the literature for quadrotors are based on classical approaches such as Euler angles. These representations can lead to problems such as discontinuities, singularities, gimbal-locks, and highly non-linear equations. An alternative to these classical representations are unit quaternions. These have the advantages of the lack of singularities and gimbal lock effects. The second part of this work was dedicated to the development of a quadrotor teleoperation system. This system consists of a virtual user interface in a local environment and a quadrotor in a remote environment. A User Datagram Protocol (UDP) communication was used to communicate both environments. The user manipulates a virtual drone in the local environment and a real drone follows the position and orientation references in a remote environment. The user receives virtual feedback on the states of the real vehicle in the virtual environment. Results of the implementation of the proposed teleoperation system in real time are presented. The last part of this thesis addresses the delay problem in the teleoperation system. Delays due to system latency and the distance between environments were modeled as a delayed control input. Then, a predictor-based controller was developed in order to maintain the stability of a drone’s flight. This approach was applied to the classical Euler- Lagrange model and to the quaternion-based model in order to analyze performance. Simulations of both models with delayed inputs are presented., Les UAVs suscitent un intérêt croissant de la part de l’industrie et des universités en raison de leur large application dans la recherche et le sauvetage, l’inspection des infrastructures, la surveillance, entre autres. Cette thèse se concentre sur la recherche dans le domaine des systèmes de téléopération pour véhicules quadrirotor. Tout au long de cette thèse, un système de téléopération pour un véhicule quadrirotor a été développé. Dans ce système, l’interface utilisateur est basée sur une approche de téléprésence virtuelle. Des algorithmes de contrôle ont été développés et mis en œuvre dans les systèmes maître et esclave. La première partie de cette thèse consiste à développer des modèles mathématiques de la dynamique d’un avion quadrotor. La plupart des travaux actuellement trouvés dans la littérature pour les quadrotors sont basés sur des approches classiques telles que les angles d’Euler. Ces représentations peuvent conduire à des problèmes tels que des discontinuités, des singularités, des verrous à cardan et des équations hautement non linéaires. Une alternative à ces représentations classiques sont les quaternions unitaires. Ceux-ci présentent les avantages du manque de singularités et d’effets de verrouillage de la nacelle. La deuxième partie de ce travail a été consacrée au développement d’un système de téléopération à quatre rotors. Ce système se compose d’une interface utilisateur virtuelle dans un environnement local et d’un quadrotor dans un environnement distant. Une communication UDP a été utilisée pour communiquer les deux environnements. L’utilisateur manipule un drone virtuel dans l’environnement local et un vrai drone suit les références de position et d’orientation dans un environnement distant. L’utilisateur reçoit un retour virtuel sur les états du véhicule réel dans l’environnement virtuel. Les résultats de la mise en œuvre du système de téléopération proposé en temps réel sont présentés. La dernière partie de cette thèse aborde le problème des retards dans le système de téléopération. Les retards dus à la latence du système et à la distance entre les environnements ont été modélisés comme une entrée de commande retardée. Ensuite, un contrôleur basé sur des prédicteurs a été développé afin de maintenir la stabilité du vol d’un drone. Cette approche a été appliquée au modèle classique d’Euler-Lagrange et au modèle basé sur les quaternions afin d’analyser les performances. Des simulations des deux modèles avec des entrées retardées sont présentées.

Our work is related to the training of crisis management in virtual environments. The specification of possible unfoldings of events in a simulation is essential for human learning in a virtual environment. This allows both to propose and orchestrate personalized learning situations and also to bring the learner toward relevant and educative scenarios. The work presented in this thesis focuses on the dynamic generation of scenarios and their execution in a virtual environment. For that, we aim at a set of objectives that are often contradictory : the freedom of action of the user, the generation of various scenarios that respect the authorial intent, the narrative control and the capacity of the system to adapt to deviations fromthe learner. The different approaches of interactive storytelling tackle more or less some of these objectives, but it is difficult to satisfy them all, and this is the challenge of our work. In addition to these objectives, we also aim at facilitating the modeling of the narrative content, which is still a real issue today when it comes to model complex environments such as the ones related to crisis management. We propose an emergent approachwhere the scenario experienced by the learner will emerge fromthe interactions between the learner, the virtual characters and our narrative system MENTA. MENTA is in charge of the narrative control by proposing a set of adjustments (over the simulation) that satisfies narrative objectives chosen by the trainer (e. g., a list of specific skills). These adjustments take the form of a prescribed scenario that is generated by MENTA via a planning engine that we have coupled with fuzzy cognitive maps through a macro-operator FRAG. A FRAG is used to model FRAGment of scenario in the form of scripted sequences of actions/events. The originality of our approach relies on a strong coupling between planning and graphical models which preserves the exploration capability and the generative power of a planning engine (which contributes to the generation of various and adaptable scenarios), while facilitating the modeling of narrative content as well as the authorial intent thanks to fragments of scenario that are scripted by the author and used during the planning process. We have worked on a concrete application example of scenarios dealing with the management of a massive influx of victims. Then, we have implemented MENTA and generated scenarios related to this example. Finally, we have tested and analyzed the performance of our system.; Nos travaux s’inscrivent dans le cadre de la formation à la gestion de crise en environnements virtuels. La scénarisation joue un rôle essentiel pour l’apprentissage humain en environnement virtuel. Cela permet à la fois de proposer et d’orchestrer des situations d’apprentissage personnalisées et également d’amener l’apprenant vers des scénarios pertinents et formateurs. Les travaux présentés dans cette thèse s’intéressent à la génération dynamique de scénarios et à leur exécution en environnements virtuels. Pour cette scénarisation, nous visons un ensemble d’objectifs qui sont souvent contradictoires : la liberté d’action de l’utilisateur, la génération de scénarios variés et fidèles à l’intention de l’auteur, le contrôle scénaristique et la résilience du système de scénarisation. Les différentes approches de la narration interactive favorisent plus ou moins certains de ces objectifs mais il est difficile de tous les concilier, et c’est là l’enjeu de nos travaux. En plus de ces objectifs, nous cherchons également à faciliter la modélisation du contenu scénaristique qui est encore de nos jours un réel enjeu lorsqu’il s’agit de scénariser des environnements complexes comme celui de la gestion de crise. Nous proposons une approche émergente dont le scénario vécu par l’apprenant va émerger des interactions entre l’apprenant, les personnages virtuels et notre système de scénarisation MENTA. MENTA est chargé du contrôle scénaristique en proposant un ensemble d’ajustements (sur la simulation) répondant à des objectifs scénaristiques choisis par le formateur (p. ex., faire travailler certaines compétences en particulier). Ces ajustements prennent la forme d’un scénario prescrit qui est généré par MENTA via un moteur de planification que nous avons couplé avec des cartes cognitives floues au travers d’un macro-opérateur FRAG. Un FRAG permet de modéliser des fragments de scénarios sous la forme de séquence d’actions/événements scriptés. L’originalité de notre approche repose sur un couplage fort entre planification et modèles graphiques qui permet de conserver les propriétés d’exploration et de puissance générative d’un moteur de planification (ce qui favorise la variabilité et la résilience du système), tout en facilitant la modélisation du contenu scénaristique ainsi que l’intention de l’auteur au travers de morceaux de scénario qui vont être scriptés par l’auteur et réutilisés dans la planification. Nous avons travaillé sur un exemple applicatif concret de scénarios portant sur la gestion d’un afflux massif de blessés, puis nous avons implémenté MENTA et généré des scénarios relatifs à cet exemple. Enfin, nous avons testé et analysé les performances de notre système.

Our work is related to the training of crisis management in virtual environments. The specification of possible unfoldings of events in a simulation is essential for human learning in a virtual environment. This allows both to propose and orchestrate personalized learning situations and also to bring the learner toward relevant and educative scenarios. The work presented in this thesis focuses on the dynamic generation of scenarios and their execution in a virtual environment. For that, we aim at a set of objectives that are often contradictory : the freedom of action of the user, the generation of various scenarios that respect the authorial intent, the narrative control and the capacity of the system to adapt to deviations fromthe learner. The different approaches of interactive storytelling tackle more or less some of these objectives, but it is difficult to satisfy them all, and this is the challenge of our work. In addition to these objectives, we also aim at facilitating the modeling of the narrative content, which is still a real issue today when it comes to model complex environments such as the ones related to crisis management. We propose an emergent approachwhere the scenario experienced by the learner will emerge fromthe interactions between the learner, the virtual characters and our narrative system MENTA. MENTA is in charge of the narrative control by proposing a set of adjustments (over the simulation) that satisfies narrative objectives chosen by the trainer (e. g., a list of specific skills). These adjustments take the form of a prescribed scenario that is generated by MENTA via a planning engine that we have coupled with fuzzy cognitive maps through a macro-operator FRAG. A FRAG is used to model FRAGment of scenario in the form of scripted sequences of actions/events. The originality of our approach relies on a strong coupling between planning and graphical models which preserves the exploration capability and the generative power of a planning engine (which contributes to the generation of various and adaptable scenarios), while facilitating the modeling of narrative content as well as the authorial intent thanks to fragments of scenario that are scripted by the author and used during the planning process. We have worked on a concrete application example of scenarios dealing with the management of a massive influx of victims. Then, we have implemented MENTA and generated scenarios related to this example. Finally, we have tested and analyzed the performance of our system., Nos travaux s’inscrivent dans le cadre de la formation à la gestion de crise en environnements virtuels. La scénarisation joue un rôle essentiel pour l’apprentissage humain en environnement virtuel. Cela permet à la fois de proposer et d’orchestrer des situations d’apprentissage personnalisées et également d’amener l’apprenant vers des scénarios pertinents et formateurs. Les travaux présentés dans cette thèse s’intéressent à la génération dynamique de scénarios et à leur exécution en environnements virtuels. Pour cette scénarisation, nous visons un ensemble d’objectifs qui sont souvent contradictoires : la liberté d’action de l’utilisateur, la génération de scénarios variés et fidèles à l’intention de l’auteur, le contrôle scénaristique et la résilience du système de scénarisation. Les différentes approches de la narration interactive favorisent plus ou moins certains de ces objectifs mais il est difficile de tous les concilier, et c’est là l’enjeu de nos travaux. En plus de ces objectifs, nous cherchons également à faciliter la modélisation du contenu scénaristique qui est encore de nos jours un réel enjeu lorsqu’il s’agit de scénariser des environnements complexes comme celui de la gestion de crise. Nous proposons une approche émergente dont le scénario vécu par l’apprenant va émerger des interactions entre l’apprenant, les personnages virtuels et notre système de scénarisation MENTA. MENTA est chargé du contrôle scénaristique en proposant un ensemble d’ajustements (sur la simulation) répondant à des objectifs scénaristiques choisis par le formateur (p. ex., faire travailler certaines compétences en particulier). Ces ajustements prennent la forme d’un scénario prescrit qui est généré par MENTA via un moteur de planification que nous avons couplé avec des cartes cognitives floues au travers d’un macro-opérateur FRAG. Un FRAG permet de modéliser des fragments de scénarios sous la forme de séquence d’actions/événements scriptés. L’originalité de notre approche repose sur un couplage fort entre planification et modèles graphiques qui permet de conserver les propriétés d’exploration et de puissance générative d’un moteur de planification (ce qui favorise la variabilité et la résilience du système), tout en facilitant la modélisation du contenu scénaristique ainsi que l’intention de l’auteur au travers de morceaux de scénario qui vont être scriptés par l’auteur et réutilisés dans la planification. Nous avons travaillé sur un exemple applicatif concret de scénarios portant sur la gestion d’un afflux massif de blessés, puis nous avons implémenté MENTA et généré des scénarios relatifs à cet exemple. Enfin, nous avons testé et analysé les performances de notre système.

Our work is related to dynamic generation of critical situations in virtual environments. We focus on two particular types of critical situations : dilemmas and ambiguous situations. The challenge of this work is to generate automatically these situations using knowledge models that are not destined to describe dilemmas and ambiguous situations.A dilemma is commonly defined as a situation that includes a difficult choice. It refers to a situation where individuals have to choose between two, or more, inconvenient options. Ambiguity refers to situations that can be interpreted in different ways. In this work, we propose a formalization, inspired by humanities and social sciences, of these two notions. Using this formalization, we propose a set of algorithms and generation technics that use knowledge models — manipulated by domain experts — that are not destined to describe dilemmas and ambiguous situations. The use of these models enables the generation engine to infer new knowledge used to extract the entities (e.g. actions, events, objects) that can potentially produce situations that meet the properties defined in the dilemma and ambiguity formalization. Furthermore, in order to propose an adapted content to each learner, it is necessary to take into consideration the values system of each person in the dilemma generation process. Thus, we propose to operationnalize the theory of universal values of Schwartz (2006). Concerning the ambiguity, it is necessary to take into account the level of knowledge of the learner regarding the world variables. Thus, we propose to model the mental representation of the learner. Besides, in order to consider the uncertainties in this representation, we propose to use the belief functions theory that is well-suited to this matter.; Nos travaux traitent de la génération dynamique de situations critiques en environnements virtuels. Parmi les dimensions qui caractérisent les situations critiques, nous nous intéressons particulièrement aux dilemmes et aux situations ambiguës. L'enjeu informatique de nos travaux consiste à générer automatiquement des dilemmes et des situations ambiguës à partir de modèles qui ne sont pas destinés, a priori, à décrire ces deux types de situations.Un dilemme est souvent défini comme étant une situation à choix difficile, où l'individu doit choisir entre deux options, ou plus, qui présentent toutes des inconvénients. L'ambiguïté quant à elle, se réfère aux situations qui sont sujettes à plusieurs interprétations. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons tout d’abord un modèle formel de ces deux notions basé sur des théories issues des sciences humaines et sociales. A partir de cette formalisation, nous proposons un ensemble d’algorithmes et de techniques de génération qui raisonnent sur des modèles de connaissances — manipulés par les experts du domaine — non destinés, a priori, à la description des dilemmes ou des situations ambiguës. Le raisonnement sur ces modèles sémantiques permet d’inférer de nouvelles connaissances. Elles permettent d’identifier les entités (e.g. actions, événements, objets) susceptibles de créer, lorsqu'elles sont combinées ensemble, des situations qui vérifient les propriétés énoncées dans la formalisation des dilemmes et de l’ambiguïté. Afin de proposer un contenu adapté à chaque apprenant, pour la génération des dilemmes moraux, nous proposons d'opérationnaliser la théorie des valeurs universelles de Schwartz (2006), afin de prendre en compte le système de valeurs propre à chaque individu. Par ailleurs, pour la génération de l’ambiguïté, il est nécessaire de prendre en compte le degré de connaissance de l’apprenant des variables du monde. Nous proposons alors une modélisation de la représentation mentale de l’apprenant. Afin de considérer les incertitudes et les conflits dans cette représentation, nous proposons l’utilisation du cadre formel des fonctions de croyances qui est adapté à ce besoin.

Our work is related to dynamic generation of critical situations in virtual environments. We focus on two particular types of critical situations: dilemmas and ambiguous situations. The challenge of this work is to generate automatically these situations using models that are not intended to describe dilemmas and ambiguous situations. A dilemma is defined as a situation that includes a difficult choice. It refers to a situation where individuals have to choose between two, or more, inconvenient options. Ambiguity refers to situations that can be interpreted in different ways. In the context of this thesis, we propose a formal model for the two notions that is inspired by humanities and social sciences. Using this formalization, we propose a set of algorithms and generation technics that use knowledge models — manipulated by domain experts — that are not intended to describe dilemmas and ambiguous situations. The use of these models enables the generation engine to infer new knowledge used to extract the entities (e.g. actions, events, objects) that can potentially produce situations that meet the properties defined in the dilemma and ambiguity formalization. In order to propose a content adapted to each learner, it is necessary to take into consideration the value system of each person in the dilemma generation process. Thus, we propose to operationalize the theory of universal values of Schwartz. Concerning the ambiguity, it is necessary to take into account the level of knowledge of the learner regarding the world variables. Thus, we propose to model the mental representation of the learner. In order to consider the uncertainties in this representation, we propose to use the belief functions theory that is well-suited for this matter., Nos travaux traitent de la génération dynamique de situations critiques en environnements virtuels. Parmi les dimensions qui caractérisent les situations critiques, nous nous intéressons particulièrement aux dilemmes et aux situations ambiguës. L’enjeu informatique de nos travaux consiste à générer automatiquement des dilemmes et des situations ambiguës à partir de modèles qui ne sont pas destinés, à priori, pour décrire ces deux types de situations. Un dilemme est souvent défini comme étant une situation à choix difficile, où l’individu doit choisir entre deux options, ou plus, qui présentent toutes des inconvénients. L’ambiguïté quant à elle, se réfère aux situations qui sont sujettes à plusieurs interprétations. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons tout d’abord un modèle formel de ces deux notions en se reposant sur des théories issues des sciences humaines et sociales. A partir de cette formalisation, nous proposons un ensemble d’algorithmes et de techniques de génération qui raisonnent sur des modèles de connaissances—manipulés par les experts du domaine — qui ne sont pas destinés, à priori, pour la description des dilemmes ou des situations ambiguës. Le raisonnement sur ces modèles sémantiques permet d’inférer de nouvelles connaissances. Elles permettent d’identifier les entités (e.g. actions, événements, objets) susceptibles de créer, si combinées ensemble, des situations qui vérifient les propriétés énoncées dans la formalisation des dilemmes et de l’ambiguïté.

We are interested in the problem of the specification of the sequencing of actions in collaborative virtual environments. It is about defining, then controlling what must or can occur during the simulation in a potentially multi-user context. It is done, partly by the specification (and the execution) of a set of possible scenarios during a simulation session, and partly by the distribution of the feasible actions between the different actors (reals or virtuals) in the simulation.We present #SEVEN, a Petri nets based model, allowing to describe causal and temporal sequencing of actions in an environment. #SEVEN is then used to answer to the problem of the specification of the possible scenarios and of the distribution of the actions between the actors. #SEVEN’s properties made it a model able to be adapted to the needs of the specification of scenarios, especially because it can provide different guidance levels. As an example, it can define precisely the actions that need to be performed or indicates the changes that must occur in the state of the environment without defining precisely the actions to perform. Then, we address the problem of the distribution of the actions from perspective of the role theory, proposing a team model allowing to model the behaviours and rules related to a group of actors. This model allows to make evolve the possibilities of actions offered to the actors during the simulation depending on their abilities, their position in the team or the resources they have access to., Nous nous intéressons au problème de la spécification du séquencement des actions dans un environnement virtuel collaboratif. Il s’agit de définir puis de contrôler ce qui peut ou doit se passer au cours de la simulation dans un contexte potentiellement multiutilisateur. Ceci passe, entre autres, par la spécification (puis l’exécution) d’un ensemble de scénarios possibles lors d’une session de simulation ainsi que par la distribution des actions réalisables entre les différents acteurs (réels ou virtuels) intervenant dans la simulation.Nous présentons #SEVEN, un modèle fondé sur les réseaux de Petri, permettant de décrire des agencements temporels et causaux des actions dans un environnement. #SEVEN est ensuite utilisé pour répondre aux problèmes de la spécification de l’ensemble des scénarios possibles et de la distribution des actions entre les acteurs. Les propriétés de #SEVEN en font un modèle capable de s’adapter facilement aux besoins de la spécification de scénarios notamment, car il permet de fournir différents niveaux de guidage. Il peut par exemple définir précisément les actions à réaliser et l’ordre qu’elles doivent avoir ou encore indiquer les changements d’état de l’environnement devant avoir lieu sans préciser les actions nécessaires. Ensuite, nous abordons le problème de la distribution des actions en proposant un modèle d’équipe permettant de modéliser les comportements et règles liés à l’organisation d’un groupe d’acteur. Ce modèle permet de faire évoluer les possibilités d’action offertes aux acteurs au cours de la simulation suivant leurs compétences, leur position dans l’équipe, les ressources auxquelles ils ont accès.

This article aims to summarize studies on incidence, causes and consequences of road accidents; applicability of virtual reality in neurocognitive rehabilitation of victims, and Second Life potential for development of individual autonomy. We performed a systematic literature review by manual search of the most cited articles and books by other authors, including studies of the theoretical review. Inclusion criteria: statistical data on road accidents online, studies using virtual environments in the rehabilitation and neurocognitive assessment regardless of the sample or cognitive deficits and psychological problems. A review on the most cited studies, to examine the nomenclature, indications, and what the objectives thereof. We identified 85 studies of interest, among which show a wide heterogeneity in the criteria for selection of virtual environments, learning objectives, sample types and tendency to create serious games for assessment and neuropsychological rehabilitation of cognitive functions., Cet article vise à résumer les études sur l’incidence, causes et conséquences des accidents de la route; applicabilité de la réalité virtuelle dans la réhabilitation neurocognitive des victimes, et le potentiel de Second Life pour le développement de l’autonomie individuelle. Nous avons effectué un examen systématique de la littérature par la recherche manuelle des articles et des livres plus cités d’autres auteurs, y compris des études de l’examen théorique. Critères d’inclusion: données statistiques sur les accidents de la route online, des études utilisant des environnements virtuels dans la réhabilitation et l’évaluation neurocognitive indépendamment de l’échantillon ou des déficits cognitifs et des troubles psychologiques. Un examen sur les études les plus cités, d’examiner la nomenclature, les indications et quels sont les objectifs de celle-ci. Nous avons identifié 85 études d’intérêt, parmi lesquels montrent une grande hétérogénéité dans les critères de sélection des environnements virtuels, les objectifs d’apprentissage, les types d’échantillons et la tendance à créer de nouveaux serious games pour l’évaluation et la réhabilitation neuropsychologique des fonctions cognitives., O presente artigo tem como objectivo sintetizar estudos sobre, incidência, causas e consequências de acidentes rodoviários; aplicabilidade da realidade virtual na reabilitação neurocognitiva de sinistrados; e potencialidades do Second Life para desenvolvimento de autonomia do indivíduo. Foi realizada uma revisão sistemática da literatura, através da pesquisa manual dos artigos e livros mais citados de outros autores, incluindo estudos de revisão teórica. Critérios de inclusão: dados estatísticos online sobre sinistralidade rodoviária, estudos sobre utilização de ambientes virtuais na reabilitação e avaliação neurocognitiva independentemente da amostra ou défices cognitivos e psicológicos. Foi feita uma revisão sobre os estudos mais citados, para analisar a nomenclatura, indicações e quais os objectivos dos mesmos. Foram identificados 85 estudos de interesse, de entre os quais, evidenciam uma ampla heterogeneidade nos critérios de selecção dos ambientes virtuais, objectivos de estudo, tipos de amostra e tendência para a criação de novos jogos sérios para a avaliação e reabilitação neuropsicológicas de funções cognitivas.

Crowd simulation models usually aim at producing visually credible crowds with the intent of giving life to virtual environments. Our work focusses on generating statistically consistent behaviours that can be used to pilot crowd simulation models over long periods of time, up to multiple days. In real crowds, people's behaviours mainly depend on the activities they intend to perform. The way this activity is scheduled rely on the close interaction between the environment, space and time constraints associated with the activity and personal characteristics of individuals. Compared to the state of the art, our model better handle this interaction. Our main contributions lie in the domain of activity scheduling and path planning. First, we propose an individual activity scheduling process and its extension to cooperative activity scheduling. Based on descriptions of the environment, of intended activities and of agents' characteristics, these processes generate a task schedule for each agent. Locations where the tasks should be performed are selected and a relaxed agenda is produced. This task schedule is compatible with spatial and temporal constraints associated with the environment and with the intended activity of the agent and of other cooperating agents. It also takes into account the agents personal characteristics, inducing diversity in produced schedules. We show that our model produces schedules statistically coherent with the ones produced by humans in the same situations. Second, we propose a hierarchical path-planning process. It relies on an automatic environment analysis process that produces a semantically coherent hierarchical representation of virtual cities. The hierarchical nature of this representation is used to model different levels of decision making related to path planning. A coarse path is first computed, then refined during navigation when relevant information is available. It enable the agent to seamlessly adapt its path to unexpected events. The proposed model handles long term rational decisions driving the navigation of agents in virtual cities. It considers the strong relationship between time, space and activity to produce more credible agents' behaviours. It can be used to easily populate virtual cities in which observable crowd phenomena emerge from individual activities., Les modèles de simulation de foules visent généralement à produire des foules visuellement crédibles avec l'intention d'insuffler de la vie à des environnements virtuels. Notre travail se concentre sur la génération de comportements statistiquement cohérents qui peuvent être utilisés pour piloter des modèles de simulation de foules sur de longues périodes de temps, jusqu'à plusieurs jours. Dans les foules réelles, les comportements des individus dépendent principalement de l'activité qu'ils ont l'intention d'effectuer. La façon d’ordonnancer cette activité repose sur l'interaction étroite qui existe entre l'environnement, les contraintes spatiales et temporelles associées à l'activité et les caractéristiques personnelles des individus. Par rapport à l'état de l'art, notre modèle gérer mieux cette interaction. Nos principales contributions se situent dans le domaine de l'ordonnancement d'activités et de la planification de chemin. Dans un premier temps, nous proposons un processus d'ordonnancement d'activités individuelles et son extension aux activités coopératives. Basé sur les descriptions de l'environnement, des activités désirées et des caractéristiques des agents, ces processus génèrent une séquence de la tâche pour chaque agent. Des lieux où ces tâches doivent être effectuées sont sélectionnés et un timing relâché est produit. Cet ordonnancement est compatible avec les contraintes spatiales et temporelles liées à l'environnement et à l'activité prévue par l'agent et par d'autres agents en coopération. Il prend également en compte les caractéristiques personnelles des agents, induisant de la diversité dans les ordonnancements produits. Nous montrons que notre modèle produit des comportements statistiquement cohérents avec ceux produits par des personnes dans les mêmes situations. Dans un second temps, nous proposons un processus de planification de chemins hiérarchique. Il repose sur un processus d'analyse de l'environnement automatique qui produit une représentation hiérarchique sémantiquement cohérente des villes virtuelles. La nature hiérarchique de cette représentation est utilisée pour modéliser différents niveaux de prise de décisions. Un chemin grossier est d'abord calculé, puis raffiné pendant la navigation lorsque de l'information pertinente est disponible, permettant ainsi à l'agent d'adapter son chemin à des événements inattendus. Le modèle proposé gère des décisions rationnelles à long terme guidant la navigation des agents dans les villes virtuelles. Il prend en compte la forte relation entre le temps, l'espace et l'activité pour produire les comportements des agents plus crédibles de. Il peut être utilisé pour peupler facilement des villes virtuelles avec des foules au sein desquelles des phénomènes observables émergent de l'activité individuelle.

Crowd simulation models usually aim at producing visually credible crowds with the intent of giving life to virtual environments. Our work focusses on generating statistically consistent behaviours that can be used to pilot crowd simulation models over long periods of time, up to multiple days. In real crowds, people's behaviours mainly depend on the activities they intend to perform. The way this activity is scheduled rely on the close interaction between the environment, space and time constraints associated with the activity and personal characteristics of individuals. Compared to the state of the art, our model better handle this interaction. Our main contributions lie in the domain of activity scheduling and path planning. First, we propose an individual activity scheduling process and its extension to cooperative activity scheduling. Based on descriptions of the environment, of intended activities and of agents' characteristics, these processes generate a task schedule for each agent. Locations where the tasks should be performed are selected and a relaxed agenda is produced. This task schedule is compatible with spatial and temporal constraints associated with the environment and with the intended activity of the agent and of other cooperating agents. It also takes into account the agents personal characteristics, inducing diversity in produced schedules. We show that our model produces schedules statistically coherent with the ones produced by humans in the same situations. Second, we propose a hierarchical path-planning process. It relies on an automatic environment analysis process that produces a semantically coherent hierarchical representation of virtual cities. The hierarchical nature of this representation is used to model different levels of decision making related to path planning. A coarse path is first computed, then refined during navigation when relevant information is available. It enable the agent to seamlessly adapt its path to unexpected events. The proposed model handles long term rational decisions driving the navigation of agents in virtual cities. It considers the strong relationship between time, space and activity to produce more credible agents' behaviours. It can be used to easily populate virtual cities in which observable crowd phenomena emerge from individual activities.; Les modèles de simulation de foules visent généralement à produire des foules visuellement crédibles avec l'intention d'insuffler de la vie à des environnements virtuels. Notre travail se concentre sur la génération de comportements statistiquement cohérents qui peuvent être utilisés pour piloter des modèles de simulation de foules sur de longues périodes de temps, jusqu'à plusieurs jours. Dans les foules réelles, les comportements des individus dépendent principalement de l'activité qu'ils ont l'intention d'effectuer. La façon d’ordonnancer cette activité repose sur l'interaction étroite qui existe entre l'environnement, les contraintes spatiales et temporelles associées à l'activité et les caractéristiques personnelles des individus. Par rapport à l'état de l'art, notre modèle gérer mieux cette interaction. Nos principales contributions se situent dans le domaine de l'ordonnancement d'activités et de la planification de chemin. Dans un premier temps, nous proposons un processus d'ordonnancement d'activités individuelles et son extension aux activités coopératives. Basé sur les descriptions de l'environnement, des activités désirées et des caractéristiques des agents, ces processus génèrent une séquence de la tâche pour chaque agent. Des lieux où ces tâches doivent être effectuées sont sélectionnés et un timing relâché est produit. Cet ordonnancement est compatible avec les contraintes spatiales et temporelles liées à l'environnement et à l'activité prévue par l'agent et par d'autres agents en coopération. Il prend également en compte les caractéristiques personnelles des agents, induisant de la diversité dans les ordonnancements produits. Nous montrons que notre modèle produit des comportements statistiquement cohérents avec ceux produits par des personnes dans les mêmes situations. Dans un second temps, nous proposons un processus de planification de chemins hiérarchique. Il repose sur un processus d'analyse de l'environnement automatique qui produit une représentation hiérarchique sémantiquement cohérente des villes virtuelles. La nature hiérarchique de cette représentation est utilisée pour modéliser différents niveaux de prise de décisions. Un chemin grossier est d'abord calculé, puis raffiné pendant la navigation lorsque de l'information pertinente est disponible, permettant ainsi à l'agent d'adapter son chemin à des événements inattendus. Le modèle proposé gère des décisions rationnelles à long terme guidant la navigation des agents dans les villes virtuelles. Il prend en compte la forte relation entre le temps, l'espace et l'activité pour produire les comportements des agents plus crédibles de. Il peut être utilisé pour peupler facilement des villes virtuelles avec des foules au sein desquelles des phénomènes observables émergent de l'activité individuelle.

How do children and adolescents grap a space? What are the parameters that make a situation more complex than others? What are the strategies employed to reproduce an itinerary or navigate in a particular space? This thesis aims to provide answers to these questions. Located halfway between Educational Science and Cognitive Psychology, this thesis is made up of three parts.The first part focuses on the analysis of the prescribed curriculum (Core Skills, study programmes). This analysis reports internal and external inconsistencies and gaps. If space can be discussed in many disciplines (mathematics and geography, for example), the implementation of specific activities relates almost exclusively to pre-primary and primary education and the importance of space knowledge acquisition for secondary education decreases over the years until becoming insignificant, despite a limited mastery by learners, especially in geometry.The second part of the thesis focuses on the analysis of curriculum through external evaluations, such as national external evaluations (without certification) and the Programme for International Student Assessment (as PISA). In this part, we question what is actually acquired by learners during primary and secondary education. The analysis identifies the hardest-won spatial mechanisms by learners (visualization in space, for example). This will allows questioning the knowledge that is actually assessed through these assessments (disciplinary knowledge versus spatial knowledge) and highlight the lack of importance granted to space knowledge in the external evaluations in French-speaking Community of Belgium.The third part of the thesis continues the analysis through a series of experiments conducted in a developmental perspective, and that are based on wealthier situations (3D environments, real or virtual, for example). Spatial cognitive mechanisms allowing children and adolescents to grasp a space are studied depending on the curriculum requirements, external assessments and observations in school contexts. The main results allow to identifying the parameters of spatial navigation tasks that increase its complexity. The specific interest about identifying cognitive strategies involved in complex tasks in space navigation highlights the impact of the environment structure on spatial strategies. If they have an intrinsic interest to understand the fundamental mechanisms mobilized in exercises requiring the implementation of spatial skills in young people aged 6 to 15 years, these results also inform curriculum developers and teachers about some important steps to mobilize in the school contexts.; Comment les enfants et les adolescents appréhendent-ils un espace ? Quels sont les paramètres qui rendent des situations plus complexes que d'autres ? Quelles sont les stratégies mises en oeuvre pour reproduire un itinéraire ou naviguer dans un espace particulier ? Cette thèse a pour objectif de fournir des éléments de réponse à ces questions. Située à mi-chemin entre les Sciences de l'Education et la Psychologie cognitive, celle-ci comporte trois volets. Le premier volet de la thèse porte sur l'analyse d'une partie du curriculum prescrit (Socles de compétences et programmes d'études). Cette analyse permet de rendre compte d'incohérences tant internes qu'externes et de lacunes au niveau du curriculum belge francophone, qu'il s'agisse de savoirs, savoir-faire ou de compétences relatifs à l'espace et son appréhension. Si l'espace est présent dans de nombreuses disciplines (mathématiques et géographie, par exemple), la mise en oeuvre d'activités spécifiques ne concerne de manière quasi-exclusive que l'enseignement maternel et fondamental et la place laissée à l'acquisition de connaissances spatiales durant l'enseignement secondaire s'amenuise au fur et à mesure des années jusqu'à devenir insignifiante, malgré une maîtrise parfois limitée par les élèves, notamment en géométrie. Le deuxième volet de la thèse porte sur l'analyse du curriculum maitrisé, au travers d'évaluations externes, comme les évaluations externes non certificatives (EENC) et les tests du Programme international pour le suivi des acquis des élèves, baptisé PISA. Ce volet permet de s'interroger sur ce qui est réellement acquis par les élèves durant l'enseignement fondamental et l'enseignement secondaire. L'analyse identifie les compétences et mécanismes spatiaux les plus difficilement acquis par les élèves (décentration, visualisation dans l'espace) et conduit à s'interroger sur les connaissances qui sont réellement évaluées par le biais de ces évaluations (connaissances disciplinaires versus connaissances spatiales) ainsi que sur le peu d'importance accordée aux connaissances spatiales dans les évaluations externes en Fédération Wallonie-Bruxelles. Toutes ces analyses ne reposent cependant que sur des informations acquises à travers d'épreuves « papier-crayon ». Le troisième volet de la thèse poursuit l'analyse à travers une série d'expérimentations menées dans une perspective développementale, sur la base de situations plus riches (environnements 3D, réels ou virtuels, par exemple). Partant des prescriptions des programmes d'études, des enseignements tirés des évaluations externes et d'observations réalisées en contexte scolaire, les mécanismes cognitifs spatiaux qui permettent aux enfants et adolescents d'appréhender un espace déterminé de façon à s'en constituer des représentations adéquates et efficaces pour réaliser des tâches de navigation sont alors étudiés. Les principaux résultats obtenus permettent d'identifier les paramètres des tâches de navigation spatiale qui accroissent la complexité de celle-ci, aussi bien en termes de tâches à réaliser qu'en termes d'environnements dans lesquels ces tâches doivent être réalisées. L'intérêt spécifique porté à l'identification de stratégies cognitives impliquées dans la réalisation de tâches complexes en navigation spatiale met aussi en évidence l'impact de la structuration de l'environnement sur les stratégies spatiales elles-mêmes. S'ils présentent un intérêt intrinsèque pour la compréhension des mécanismes fondamentaux mobilisés dans des exercices requérant la mise en oeuvre d'habiletés spatiales chez les jeunes de 6 à 15 ans, ces résultats permettent aussi d'éclairer les concepteurs de programmes scolaires et les enseignants quant à certaines démarches importantes à mobiliser dans le contexte scolaire.

10 pages; Pourquoi l'étude d'une momie intéresse-t-elle des chercheurs en informatique et intégration homme système ? Au-delà de la curiosité et de l'intérêt intellectuel qui devrait animer tout chercheur, ce n'est pas tant la momie en elle-même que la méthode de formulation d'hypothèses et de preuve concernant sa personne et son histoire et leurs validations qui nous motivent . L'étude d'une momie consiste à rassembler des faits et éléments objectifs à partir du corps lui-même, sur le contexte et son environnement de découverte et sur la connaissance relative à l'histoire et aux modes de vie de son époque. Cette démarche est conduite selon un cadre scientifique et des principes vérifiés formellement ou validés par l'expérience ; tout du moins admise comme correcte par une communauté scientifique donnée. C'est ce que l'on appelle une théorie.

For years, understanding and simulating human motion has become an important issue for various fields, such as computer animation, robotics, biomechanics, etc. In computer animation, the goal is to use this knowledge to create virtual humans as realistic as possible. With the amount of work already done, it is now possible for virtual humans to handle various tasks as realistically as a real human would do. One important key point in the realism of virtual motions is to verify dynamic laws. Every human being is subject to these laws. This PhD thesis deals with understanding the dynamics of virtual human motion and modeling simplified dynamics to reach interactive applications. This work is divided in three parts. First, we analyze human behavior to different dynamic constraints. Then, we evaluate users' perception of subtle differences in human motion due to dynamic constraints. Finally, we propose a new method for dynamic adaptation of human motion using the knowledge obtained from our previous studies. In the first part of this work, we present a study on measuring the dynamic balance of human motion. Using different criteria previously proposed in biomechanics and robotics literature, we evaluate their efficiency on different types of motions with varying degrees of dynamics. Then, we propose a preferential utilization range for each criterion. If dynamics plays an important role in the realism of virtual human motions, few works deal with the perception of dynamic properties. In order to define a perception threshold, we studied the accuracy of users to differentiate the mass of a dumbbell lifted either by a real (video) or a virtual human (animation). We observed that users do not manage to differentiate small mass differences. However, we did not perceive significant differences between comparing real videos or virtual animations. Thus, even if some information is lost in the process transforming a real motion into a virtual one, principal dynamic information are preserved and perceived by users. Regarding the accuracy reached by users on the perception of dynamic constraints, we proposed a new perception-based method for dynamic adaptation of human motions subject to new external constraints, using the knowledge obtained from the perception study. When a virtual character is subject to external perturbations that were not present in the original motion, our method separates postural and temporal adaptation of the motion. It introduces small inaccuracies but generates natural looking reactions to external perturbations while drastically decreasing computation time. Thus, the final motion is more dynamically correct than the original motion with the new perturbations, with low computation load., Depuis plusieurs années, la simulation de mouvements d'humains virtuels est devenue un enjeu important pour de nombreux domaines. Comprendre le fonctionnement du mouvement humain et le simuler intéresse des disciplines variées, telles que l'animation par ordinateur, la robotique, la biomécanique, etc. Dans le cas de l'animation d'humains virtuels, le but est d'utiliser ces connaissances pour créer des humanoïdes aussi réalistes que possible. De nombreux travaux ont été déjà été réalisés, permettant désormais de gérer de nombreuses tâches avec des mouvements fidèles à ce qu'un humain aurait réalisé. L'une des contraintes importante du réalisme du mouvement humain est le respect des lois de la dynamique. Tout humain est soumis à ces lois inviolables, faisant partie des lois de la physique. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude et la modélisation simplifiée de la dynamique du mouvement humain afin d'atteindre des performances compatibles avec des applications interactives. Le travail proposé se décompose donc en trois parties : analyser le comportement de l'être humain face à certaines contraintes dynamiques, évaluer la capacité d'un utilisateur à percevoir les subtilités gestuelles induites par ces contraintes et proposer une nouvelle méthode d'animation d'humains virtuels tirant le meilleur profit de ces connaissances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes donc tout d'abord penchés sur l'étude de la mesure d'équilibre dynamique du mouvement humain. Différents critères de mesure de l'équilibre et du déséquilibre du mouvement humain existent depuis des années en biomécanique et robotique. Dans le but d'évaluer l'efficacité de ces critères, nous avons réalisé une étude portant sur différent types de mouvements pour catégoriser le domaine d'utilisation optimal de chaque critère. Cependant, si la dynamique joue un rôle crucial dans le réalisme du mouvement, peu de travaux traitent de la perception des propriétés dynamiques. Dans le but de définir un seuil de perception, nous avons étudié la capacité des utilisateurs à détecter la masse d'un objet porté par un humain réel (vidéo) ou virtuel (animation). Il sort de l'étude réalisée qu'une faible différence de charge portée par un humain n'est pas perçue. Cependant, nous ne notons pas différence de précision si la séquence provient d'une vidéo ou d'une animation en images de synthèse. Ainsi, malgré le fait que des informations soient perdues lors du processus de capture de mouvements et de synthèse, les éléments liés à la dynamique du mouvement sont préservées et perçus par l'utilisateur. Au vu de l'imprécision avec laquelle un utilisateur perçoit les adaptations gestuelles dues à des contraintes dynamiques, nous avons proposé un modèle simplifié d'adaptation du mouvement en réponse à de nouvelles contraintes dynamiques. Lorsqu'un humain virtuel est soumis à des perturbations non présentes dans le mouvement d'origine, la méthode traite séparément l'adaptation posturale et temporelle du mouvement, entraînant une légère imprécision au profit d'une amélioration considérable du temps de calcul. Le mouvement obtenu est davantage adapté aux contraintes dynamiques que ne l'était celui d'origine, à moindre coût de calcul.

Virtual reality enables users to manipulate virtual objects from local or distant sites. Nevertheless, virtual objects are usually manipulated by only one user at a time. In this thesis, we define an interaction protocol describing how interaction tools and interactive objects communicate. This message-based protocol handles local and distant interactions on interactive objects for single or multi-user situations. It also manages permissions for access of interaction tools. Moreover the development of this protocol led to the definition of interaction tools and interactive objects. This characterization has driven an implementation based on a set of reusable software components that let an interaction tool modify how it selects or modifies interactive objects, and let an interactive object modify its own behaviour when it is manipulated. On top of that, extensions to the COLLADA file format based on this characterization and dedicated to collaborative interaction are proposed. A new technique for multi-user interaction is proposed. Movements in 6 degrees of freedom are deduced from the positions (not orientations) provided by 3 virtual hands. This technique thus enables two or three users to manipulate together virtual objects. The ability given to users to put precisely their virtual hands brings them a way to imitate better reality. In fact, users' feeling during a manipulation can depend on how users hold this object notably with cumbersome objects. Therefore, this technique aims to obtain realistic hand positions and gestures of users. The implementation is built upon the interaction protocol. A new concept of reconfigurable tangible interface for single or multi-user interaction is also proposed. This interface provides a way to manipulate virtual 3D objects. This interface, named RTD, proposes a reconfigurable physical mesh made up of manipulation points that have to be put on a virtual object, like grasping points. This mesh thus roughly sketches the form of the virtual object to manipulate. Two kinds of RTDs are illustrated in this thesis. A first kind of RTD is a triangular shape. It is named RTD-3 and so made up of three manipulation points. Experiments show that users prefer this technique over classical techniques of virtual reality like the mean of users' movements or the separation of degrees of freedom. A second kind of RTD is made up of four manipulation points and exists in two versions. The plane RTD-4 has its four points laying on a plane to create a quadrilateral. The non-plane RTD-4 uses articulated joints at its manipulation points to obtain a tetrahedron. A 3D form for a RTD would lead to better matching between the form of a RTD and the form of the virtual object to manipulate.; La réalité virtuelle permet à des utilisateurs de manipuler des objets virtuels depuis un même lieu ou des sites géographiques distants. Toutefois, un objet virtuel ne peut souvent être manipulé que par une seule personne à la fois. Dans cette thèse, nous définissons un protocole d'interaction décrivant le dialogue entre des outils d'interaction et des objets interactifs. Ce protocole basé messages gère les interactions locales ou distantes sur des objets interactifs en mono et multi-utilisateurs. Il inclut également une gestion des permissions pour les accès des outils d'interaction. Par ailleurs, le développement de ce protocole a permis de définir ce que sont des outils d'interaction et des objets interactifs. Cette caractérisation a donné lieu à une implémentation reposant sur un ensemble de composants logiciels réutilisables qui permettent notamment à un outil d'interaction de modifier la méthode de sélection et de modification d'objets interactifs, et à un objet interactif de modifier son comportement lorsqu'il est manipulé. De plus, cette caractérisation a permis de proposer des extensions du format COLLADA afin d'y incorporer une gestion d'interactions collaboratives. Une nouvelle technique d'interaction multi-utilisateurs est proposée. Elle déduit des mouvements selon 6 degrés de liberté à partir des positions (sans les orientations) de 3 mains virtuelles. Cette technique permet donc à deux ou trois utilisateurs de manipuler ensemble un objet virtuel. La possibilité d'un positionnement précis des mains virtuelles d'un utilisateur lui permet de mieux imiter la réalité. En effet, selon les positionnements des mains, le ressenti de l'utilisateur lors de la manipulation d'un objet, en particulier des objets encombrants, peut varier. Cette technique cherche donc à obtenir des placements des mains et des gestes réalistes chez l'utilisateur. Son implémentation a été réalisée au dessus du protocole d'interaction. Un nouveau concept d'interface tangible reconfigurable pour des interactions en mono ou multi-utilisateurs est également proposée. Cette interface constitue une solution pour la manipulation d'objets virtuels 3D en approximant leur forme. En effet, l'interface tangible reconfigurable, nommée RTD, propose un maillage physique reconfigurable constitué de points de manipulation à placer sur un objet virtuel, tels des points d'accroche. Ce maillage de points esquisse ainsi l'objet à manipuler. Deux sortes de RTD sont illustrées dans cette thèse. Une première sorte est de forme triangulaire. Elle est nommée RTD-3 et comporte donc trois points de manipulation. Les expérimentations effectuées montrent une nette préférence des utilisateurs envers l'usage de cette technique plutôt que celui des techniques classiques de la réalité virtuelle telles que la moyenne de mouvements et la séparation des degrés de liberté selon les utilisateurs. Une deuxième sorte de RTD comporte quatre points de manipulation et se trouve sous deux versions. Le RTD-4 plan place ses quatre points sur un plan et permet d'obtenir un quadrilatère. Le RTD-4 non-plan dispose en ses quatre points de manipulation d'articulations permettant d'obtenir un tétraèdre. Une forme 3D pour le RTD devrait conduire à une meilleure correspondance entre la forme du RTD et la forme de l'objet virtuel à manipuler.

Collaborative virtual environments are 3D spaces that allow multiple users to work together on a common task. To design such environments to support human-human interactions, it is important to study how people develop a common frame of reference during collaboration. The concept of common frame of reference is central to all collaborative activities. It allows partners to understand each other through a continuous exchange of information (explicit and implicit). The ultimate goal of this research is to facilitate and enrich the construction of common frame of reference to accommodate specific collaborative virtual environments characteristics. Indeed, the design elements related to the common frame of reference (i.e. communication modes, environment's construction and interactions) are essential for successful collaborative activity. Two experimental studies were conducted using different collaborative virtual environments conditions. The first study shows that adding fixed landmarks can improve the development of common frame of reference within an objects manipulation task. The second study shows that haptic communication can improve the construction of the common frame of reference in a technical gesture learning task. These results are used to provide recommendations for collaborative virtual environments design. It represents a first step towards the development of a standardized collaborative virtual environments design methodology.; Les environnements virtuels collaboratifs sont des espaces 3D permettant à plusieurs utilisateurs de travailler ensemble pour réaliser une tâche commune. Pour concevoir de tels environnements, qui supportent les interactions homme-homme, il est important d'étudier comment les hommes développent un référentiel commun pour collaborer. Notre travail a consisté à explorer la notion de référentiel commun sur laquelle s'appuie toute activité collaborative. Cette notion favorise la compréhension mutuelle des tâches communes entre partenaires à travers un échange permanent d'informations, explicites et implicites. L'objectif de ce travail a donc été de faciliter et d'enrichir l'activité d'élaboration du référentiel commun dans les environnements virtuels collaboratifs en tirant parti des caractéristiques de ces derniers. En effet, la conception des éléments liés au référentiel commun (mode de communication, construction de l'environnement et interactions) est primordiale pour assurer le fonctionnement collaboratif de l'activité. Deux études expérimentales ont été réalisées autour de deux situations concrètes. La première étude montre que l'ajout d'indices visuels permet d'améliorer l'élaboration du référentiel commun dans le cadre d'une tâche de manipulation d'objets. La deuxième étude montre que la communication haptique permet d'améliorer la construction du référentiel commun autour d'une tâche d'apprentissage d'un geste technique. Ces résultats contribuent à donner des recommandations pour la conception d'environnement virtuel qui supportent la collaboration. Ceci est une première étape dans la définition d'une méthodologie de conception pour ce type de systèmes.

Within the general scope of computer-assisted interventions, our work, essentially expressed in terms of virtual imaging, was focused on the pre-operative step (analysis, modeling, simulation) with the aim of realistic planning of minimally invasive treatment of vascular lesions (percutaneous transluminal angioplasty, aortic endograft placement, intravascular brachytherapy). New functionalities (local analysis, geometrical description) associated with the virtual sensor are proposed. At the close of this analytical virtual exploration of patient data (CT imaging), the surface description of complex stuctures as well as the determination of parameters characterizing the vascular structures are considered from interventional planning point of view and evaluated by considering animal model and patient data. A first specific patient approach for simulation of tool / tissue interaction in balloon angioplasty procedure is finally proposed., Dans le cadre général des interventions assistées par ordinateur, nos travaux, abordés essentiellement en terme d'imagerie virtuelle, se sont focalisés sur la phase préopératoire (analyse, modélisation, simulation) dans un objectif de planification réaliste de traitements mini-invasifs de lésions vasculaires (angioplastie transluminale, pose d'endoprothèse aortique, brachythérapie endovasculaire). De nouvelles fonctionnalités d'analyse locale et de description géométrique associées à un capteur virtuel sont proposées. A l'issue de cette exploration virtuelle analytique des données patient (imagerie TDM), la description géométrique de structures complexes ainsi que la détermination de paramètres caractérisant les structures vasculaires sont envisagées au regard du planning interventionnel et évaluées sur modèle animal et sur données patient. Une première approche de simulation spécifique patient d'interactions outils / tissus en angioplastie transluminale est finalement proposée.

Rapporteurs : Mme. Su RUAN, Professeur à l'université de Reims M. Léandre POURCELOT, Professeur à l'université de Tours Examinateurs : M. Christian ROUX, Professeur à l'ENST Bretagne M. Jean-Louis COATRIEUX, Directeur de recherche INSERM M. Antoine LUCAS, Praticien hospitalier, Service de chirurgie vasculaire, CHU Rennes M. Pascal HAIGRON, Maître de conférences à l'université de Rennes 1; Within the general scope of computer-assisted interventions, our work, essentially expressed in terms of virtual imaging, was focused on the pre-operative step (analysis, modeling, simulation) with the aim of realistic planning of minimally invasive treatment of vascular lesions (percutaneous transluminal angioplasty, aortic endograft placement, intravascular brachytherapy). New functionalities (local analysis, geometrical description) associated with the virtual sensor are proposed. At the close of this analytical virtual exploration of patient data (CT imaging), the surface description of complex stuctures as well as the determination of parameters characterizing the vascular structures are considered from interventional planning point of view and evaluated by considering animal model and patient data. A first specific patient approach for simulation of tool / tissue interaction in balloon angioplasty procedure is finally proposed.; Dans le cadre général des interventions assistées par ordinateur, nos travaux, abordés essentiellement en terme d'imagerie virtuelle, se sont focalisés sur la phase préopératoire (analyse, modélisation, simulation) dans un objectif de planification réaliste de traitements mini-invasifs de lésions vasculaires (angioplastie transluminale, pose d'endoprothèse aortique, brachythérapie endovasculaire). De nouvelles fonctionnalités d'analyse locale et de description géométrique associées à un capteur virtuel sont proposées. A l'issue de cette exploration virtuelle analytique des données patient (imagerie TDM), la description géométrique de structures complexes ainsi que la détermination de paramètres caractérisant les structures vasculaires sont envisagées au regard du planning interventionnel et évaluées sur modèle animal et sur données patient. Une première approche de simulation spécifique patient d'interactions outils / tissus en angioplastie transluminale est finalement proposée.

The subject of this thesis is situated at the confluence of the virtual environments (VE) and the IP networking. It is about the possible existence over the Internet, in the near future, of heterogeneous, large-scale, distributed virtual environments, inhabited by millions of entities. The thesis presents the development, the implementation and the experimentation of a communication architecture for a large-scale VE application. The goal of this architecture is to allow a large number of participants, located in a VE, to communicate between them, using various data flows (video, audio, text). In the design of this architecture we have considered the following objectives : to minimize the traffic in the network, to allow a large number of participants to be simultaneously connected in the VE, to accept participants with very different capabilities, to give to each participant the possibility to communicate according to its capacities and to take into account the real-time constraints specific to the Multimedia flows. We have chosen to use the multicast, as the group communication model, in particular for the aspects of congestion control, in order to reduce the traffic in the network .A simplified model of multicast have been proposed by the IETF, the SSM model (or Specific Source multicast). We have chosen to use it in our architecture, because it is better suited to express the various preferences of the participants. Our architecture is composed by two filtering levels. On the first level of filtering, the VE is dynamically partitioned into zones, according to the density of participants in the world. On the second level of filtering, the participant determines its neighbours in the VE and begins to communicates with them, according to their capacities. A participant may transmit different types of data flows. Each flow is sent over a different SSM channel. The experiments have proved the feasibility and the performances of our architecture compared with other architectures suggested in the literature. We have integrated our communication module in V-Eye, a VE application developed in the Planete Research Team.; Le sujet de la thèse est situé à la confluence du IP multicast et des environnements virtuelles. La thèse présente l'élaboration, l'implémentation et les expérimentations d'une architecture de communication pour une application d'environnement virtuel à grande échelle. Le but de cette architecture est de permettre à un grand nombre de participants, situés dans un monde virtuel, de communiquer entre eux (chaque participant communique seulement avec ses voisins), à travers différent s flux de données (vidéo, audio, texte). Dans la conception de cette architecture nous avons considéré les objectifs suivants : minimiser le trafic dans le réseau, permettre à un très grand nombre de participants d'être connectés simultanément dans le inonde virtuel, accepter des participants avec des capacités très différentes, donner à chacun d'entre eux la possibilité de Communiquer selon ses capacités et de prendre en compte les contraintes des temps réel spécifique à des flux multimédia. Nous utilisons le multipoint comme moyen de communication de groupe et en particulier les aspects contrôle de congestion afin de réduire le trafic dans le réseau. Un modèle simplifié de multipoint ayant été proposé à l'IETF (le modèle SSM ou Source Spécifique Multicast), nous avons choisi de l'utiliser dans notre architecture, à cause du fait qu'il était mieux adapté pour exprimer les différentes préférences des participants. Pour réaliser la communication dans des mondes virtuels, nous avons défini une architecture composée de deux nivelles de filtrage des données. Au premier niveau de filtrage, le monde virtuel est dynamiquement découpé en zones selon la densité de participants dans le monde. Un participant connait tous les autres participants présents dans sa zone. Au deuxième niveau de filtrage, le participant calcule ses voisins dans le monde virtuel et commence a communiquer avec eux selon leurs Capacités. Un participant peut transmettre des différents flux des données. Chaque flux est envoyé sur un canal SSM différent. Les expériences réalisées ont démontré la faisabilité et les performances de notre architecture comparent aux autres architectures proposées dans la littérature. On a intégré le module de communication proposé dans V-Eye, une application de monde virtuel développée par le projet Planète.

Unavailable, Pour faire face à la mondialisation, les sociétés qui développent des logiciels ont besoin (1) d'accroître leur production tout en réduisant les coûts de développement et (2) de pouvoir mettre en oeuvre de grands projets de développement de logiciel en faisant appel à des compétences extérieures. Dans cette thèse, nous avons étudié le problème de la fédération qui résulte de ces points dans le cas des sociétés qui développent des logiciels dans les environnements guidés (et/ou contrôlés) par des modèles des procédés de fabrication. Nous avons proposé une solution à trois niveaux : (1) modéliser les procédés de développement sous forme de composants, (2) modéliser les fédérations en proposant des primitives permettant aux environnements de se déléguer les composants afin de bénéficier des compétences qu'ils n'ont pas, et (3) développer une architecture autour du prototype PAR TNET dans laquelle les environnements ont une existence virtuelle, les permettant d'exhiber les compétences qu'elles peuvent faire valoir dans la fédération.

International audience; De plus en plus d’artistes déclarent « faire du théâtre » pour des dispositifs de présence à distance, qu’il s’agisse du réseau ou de nos extensions électroniques mobiles (téléphones portables, PDA, iPod). On peut regrouper ces différentes pratiques sous le terme générique de téléscène. Ces « scènes à distance » peuvent être soit des lieux numériques, comme des forums ou des environnements virtuels disponibles sur Internet, soit des lieux physiques, comme des plateaux de théâtre ou des cybercafés reliés par Internet, ou par un réseau créé pour l’occasion. La scène et la salle ne sont plus des entités circonscrites, mais éclatées, démultipliées, dispersées, leur nature et leur taille variant au rythme des connexions. Au théâtre, la co-présence est caractérisée par une absence de médiation (W. Benjamin). Or l’une des caractéristiques des téléscènes est justement l’absence de co-présence dans le hic et nunc de la représentation, avec pour corollaire la médiation : les spectateurs et les acteurs se rencontrent et communiquent entre eux par le réseau, par le biais d’interfaces numériques. La médiation serait synonyme d’une perte de présence : les acteurs seraient absents aux spectateurs, et chaque spectateur serait absent aux autres spectateurs. Dispersés aux quatre coins du monde, acteurs et spectateurs sont confrontés à un « drame des distances » qui permet de repenser aujourd’hui l’organisation spatiale de la scène et de la salle, de l’espace de l’action et de l’espace de l’écoute et du regard.

Les environnements virtuels collaboratifs (CVE) permettent de créer des applications de travail collaboratif synchrone particulièrement riches. Afin de permettre la coopération il est nécessaire de tirer parti de l'environnement virtuel pour soutenir la collaboration et faciliter l'interaction avec les objets de la discussion (Burkhardt, Plenacoste & Perron, 2006). Notre intérêt concerne tout particulièrement la collaboration entre utilisateurs géographiquement distants mais néanmoins impliqués dans la réalisation d'une tâche commune via la manipulation d'objets issus de l'environnement 3D.