La realite virtuelle existe depuis plusieurs annees deja. Pourtant, apres pres de deux decennies, elle n'a pas connu la croissance que plusieurs auraient esperee. Une des justifications les plus courantes pour expliquer l'absence d'evolution et de penetration de cette technologie dans nos vies de tous les jours demeure le cout eleve des composantes materielles formant ces systemes de realite virtuelle.

Un des facteurs dominants ayant donne lieu a l'essor de l'ordinateur personnel, le « PC», au debut des annees 80 fut la transition d'une interface textuelle vers une interface graphique, mieux adaptee aux utilisateurs grand public et plus facile a utiliser. Partant de ce constat, la presente these vise a promouvoir 1'emergence d'une interface graphique offrant des retombees similaires pour les systemes de realite virtuelle. Pour y arriver, nous avons developpe une plateforme de test RV configurable et reutilisable qui forme la fondation nous permettant de realiser des experiences avec des sujets humains, dans un environnement virtuel et avec des conditions controlees. Nous avons utilise cette plateforme pour effectuer trois experiences avec des sujets humains qui ont permis de recueillir des mesures de performances ayant trait a l'utilisation d'interfaces dans un environnement virtuel.

La premiere experience visait a etudier les variations de performances humaines relatives aux manipulations des panneaux de dialogue eux-memes. Nous avons done eu une approche macroscopique en considerant le panneau de dialogue dans son environnement plutot que de nous attarder au contenu du panneau de dialogue lui-meme. Nous avons evalue et compare les variations de performances suivant cinq reperes definissant differents modes d'attachement entre le panneau de dialogue et le corps du sujet. L'hypothese ici est que dans les environnements virtuels 3D, le repere utilise pour positionner le panneau de dialogue par rapport a l'utilisateur a un impact positif sur la performance de manipulation et la satisfaction de l'utilisateur.

Lors de 1'experience, nous avons demande a nos sujets de manipuler un element d'interface sur le panneau de dialogue et avons mesure le temps et l'ecart de position de ces manipulations. Meme si cette mesure est consideree dans un espace local au panneau de dialogue, c'est la relation entre la position du panneau de dialogue et celle du sujet qui etait le point d'interet de cette experience pour evaluer les performances humaines des manipulations de 1'IHM. Les resultats de cette etude montrent qu'il existe effectivement un lien entre les reperes utilises et la performance humaine de la manipulation des IHM rattachee a un repere donne. Les resultats nous ont permis de decouvrir que ce lien augmente proportionnellement en fonction du nombre de degres de liberte partages, entre les reperes des IHM et celui de l'utilisateur, et les performances humaines. La performance augmente avec le nombre de degres de liberte partages de sorte que les IHM qui sont attachees aux mouvements et a la position du corps de l'utilisateur sont preferables selon ces resultats.

La deuxieme experience visait a etudier les variations de performances humaines relatives aux manipulations des elements d'interface qui composent une IHM utilisant un panneau de dialogue comme plateforme. Nous avons done eu une approche microscopique en considerant des caracteristiques locales a ces elements d'interface. Les trois caracteristiques etudiees sont:​ les changements de couleur, l'utilisation de la retroaction visuelle « systeme de visee » que nous avons developpee et la projection d'une ombre de la main virtuelle pour rendre l'interaction plus naturelle aux yeux de l'utilisateur. Nous avons fait varier ces trois caracteristiques au fil des manipulations effectuees par les sujets pour mesurer les variations de temps de manipulation ainsi que les ecarts de positions. L'hypothese ici est que dans le contexte de l'utilisation de panneaux de dialogue ne permettant pas de retroaction tactile, l'utilisation du systeme de visee permet d'augmenter la performance de manipulation et la satisfaction de l'utilisateur comparativement aux panneaux de dialogue n'utilisant pas cette technique.

Les resultats de cette etude montrent qu'il existe un lien entre le type de retroaction visuelle utilise et la performance humaine a manipuler les IHM. Nous avons constate que la retroaction qui tente de simuler des retours d'information visuels plus naturels s'est averee moins efficace. C'est le changement de couleur, suivi de tres pres par la retroaction du systeme de visee, qui ont montre les meilleurs niveaux de performances. Plusieurs facteurs peuvent expliquer ces resultats. Un des facteurs dominants est le fort contraste de couleur qui est present pour les deux retroactions plus performantes. Les changements de couleur de neutre (un curseur gris dans le cas present) a vert et a jaune utilisent des longueurs d'onde du spectre visible suffisamment distantes pour que la transition entre chacune soit facilement perceptible a l'ceil de Putilisateur et attire son attention. Le systeme de visee utilise une ligne de couleur rouge vif qui est egalement visible et demarquee des couleurs utilisees par les elements d'interface. C'est ce manque de contraste visuel qui a nui aux performances humaines dans le cas de la retroaction de l'ombre projetee. Plusieurs sujets ont formule des remarques a cet egard. L'autre facteur expliquant les meilleures performances de certaines retroactions est qu'elles fournissent une solution visuelle a un probleme complexe et non explicite. Le systeme de visee a cette propriete en indiquant visuellement a l'utilisateur la distance qui separe la main virtuelle de la surface du panneau de dialogue et des elements d'interfaces. Cette retroaction visuelle donne egalement l'alignement entre les elements d'interface et la main ou le pointeur virtuel. Le systeme de visee reduit done la charge cognitive de l'utilisateur en lui fournissant la solution a un probleme qu'il devrait normalement resoudre mentalement, et en temps reel lors de ces manipulations.

La troisieme experience visait a etudier les variations de performances humaines dans des conditions comportant une tache de duree plus longue et requerant un plus haut niveau de concentration du sujet. Elle visait egalement a tester les performances de la version 2 du systeme de visee et de l'ombre afin de voir si des ameliorations de performances etaient observees. Nous avons apporte des ameliorations a ces deux retroactions visuelles suite a nos observations ainsi que les resultats obtenus lors de l'experience 2. Nous avons done choisi de faire effectuer aux sujets un calcul arithmetique simple a l'aide d'une calculatrice virtuelle contenue sur un panneau de dialogue. La calculatrice offre une surface de travail interactive plus large avec des boutons disposes suivant une matrice de colonnes et de lignes sur la surface du menu. Cela permettait de mesurer les performances dans des conditions ou les boutons sont proches les uns des autres, rendant les interactions plus difficiles a effectuer correctement. Lors de cette experience, nous avons evalue des versions ameliorees des retroactions du systeme de visee et de 1'ombre qui avaient ete utilisees lors de l'experience 2. La version 2 du systeme de visee utilise une ligne et un cercle pour indiquer la position et la distance du pointeur virtuel par rapport au panneau de dialogue. Pour l'ombre version 2, e'est un changement d'opacite de l'ombre projetee qui indique la variation de distance de la main par rapport au panneau de dialogue. Les resultats de cette etude ont permis de constater que les aides fournies par le systeme de visee version 2 ont un impact positif sur les performances humaines. Nous avons en effet mesure des gains de performance pouvant atteindre 20 % avec une utilisation optimale des retroactions visuelles de couleur et du systeme de visee version 2 combinee. Ainsi, sur une session d'utilisation d'un systeme RV d'une duree de une heure, un utilisateur verra son temps d'utilisation reduit a 48.3 minutes s'il utilise des interfaces exploitant une combinaison optimale de retroactions visuelles par rapport a un utilisateur n'utilisant aucune retroaction visuelle. Cela constitue un gain de 11.7 minutes, ce qui est enorme.

Les resultats de ces experiences nous ont permis de presenter une serie de recommandations permettant la creation d'interfaces graphiques adaptees aux exigences propres aux environnements virtuels rencontres dans un systeme de realite virtuelle (SRV). L'absence de standardisation est un autre facteur important ayant un impact negatif sur revolution et l'acceptation de la realite virtuelle aux yeux du public. Les recommandations mises de l'avant dans cette these ont pour objectif d'etres generalisables pour un ensemble de SRV plutot que de viser une application specifique, permettant l'etablissement de standards au design d'lHM pour SRV a long terme. Ce qui nous semble evident suite a cette recherche, c'est qu'il existe un fort potentiel d'augmentation des performances pour ce type d'interfaces qui nous encouragent a poursuivre dans cette avenue.

Ces resultats raffermissent notre conviction initiale qu'une des solutions au probleme de la lenteur de 1'acceptation des technologies de RV a une echelle mondiale se trouve dans le developpement et l'utilisation d'lHM plus sophistiquees. Ces IHM ont le potentiel de permettre des niveaux d'interactivite encore non exploites par les SRV actuels. L'integration d'lHM evoluees dans les SRV permettra d'utiliser la RV pour effectuer des taches complexes dans divers domaines d'activites comme 1'architecture des batiments, en permettant de litteralement construire ceux-ci, piece par piece, sans quitter l'environnement virtuel. Les IHM RV basees sur des metaphores visuelles comme les panneaux de dialogue vont ouvrir une multitude de voies en apportant aux systemes de RV ce que la revolution WIMP a apportee aux environnements de travail sur PC. Nous esperons que nos travaux de recherche vont inspirer d'autres chercheurs a pousser les recherches dans cette direction.

Virtual reality has existed for many years already. Yet, after more than a decade, virtual reality has not grown has fast as many would have hoped. One of the causes that is often cited to explain the absence of evolution and acceptation of this technology in our every day lives is the prohibitive costs of VR hardware used to make these virtual reality systems.

One of the factors that gave rise to the personal computer, the "PC", in the beginning of the 80 's was the transition from a textual to a graphical interface, better adapted to the general public and easier to use. Given that fact, the present thesis aims to promote the emergence of a user interface that offers similar benefits for virtual reality systems. To attain this, we have developed a configurable and reusable VR test platform which forms the foundation allowing us to conduct experiments with human subjects, within a virtual environment where various conditions can be controlled. We used this platform for three experiments with human subjects that allowed gathering performance data related to the use of user interfaces within a virtual environment.

The first experiment aimed to study human performance variations related to the manipulation of floating menus in a three-dimensional space. We thus took a macroscopic approach, considering floating menus within their environment instead of focussing our attention on the menu content itself. We evaluated the performance variations of five reference frames which define different attachment modes between the floating menu and the user body. During the experiment, we asked our subjects to manipulate an interface element on the floating menu and have measured the time and positional error of these manipulations. Even if this measure is considered within the floating menu local space, it is the relation between the position of the floating menu in space and the user's body that was the point of interest in this experiment while evaluating human performances. The results of this study reveal that there exists a link between the reference frames used and the user interface manipulation human performances. Our results show that there is a reciprocal link between the number of degrees of liberty shared, between the reference frames of the user interface and the user's body, and the human performances. The performance grows with the number of shared degrees of liberty such that user interfaces which are attached to the user's body movements and position are preferable based on these results.

The second experiment aimed to study human performance variations related to user interface elements manipulations composing floating menus. We thus took a microscopic approach by considering local characteristics of these interface elements. The three characteristics that were studied are:​ the color changes, the use of the "cubic menu", a visual retroaction that we have created and finally, the projection of a hand shadow to provide more life-like realism to the eye of the user. We made these three characteristics vary during subject's manipulations to measure the manipulation time variations as well as the positional errors. Results show that there is a link between the visual retroaction used and the human performance related to user interface manipulations. We observed that the retroactions that aim to more closely recreate natural visual retroactions have shown to be less efficient. The color changes, followed closely by the cubic menu retroaction, have shown the best performance levels. Many factors can explain these results. One of them is the strong color contrast which is present for these two retroactions. The color changes from neutral (a grey cursor in this case) to green and yellow uses wavelengths in the visual spectrum that are sufficiently spaced such that the transition between each is easily perceptible to the user's eye and attracts his attention. The cubic menu uses a bright red coloured line that is also visible and prominent from the colors used by the user interface elements. The lack of visual contrast is a key factor that negatively affected the projected shadow human performances. Many subjects have formulated remarks in that direction. The other factor explaining the better performances of some retroactions is that they provide a visual solution to a complex and non-explicit problem. The cubic menu has this property by visually showing the user the distance between the user's hand and the floating menu surface and interface elements. The cubic menu thus reduces the user's cognitive load by providing him the solution to a problem that he would normally need to mentally resolve in real-time while manipulating.

The third experiment aimed to study human performance variations in conditions where a longer task, requiring a higher degree of concentration, is proposed. We chose to ask the subjects to perform a simple arithmetic calculation with the aid of a virtual calculator enclosed on a floating menu. The calculator offers a wider interactive working surface with buttons laid out following a matrix of rows and columns. This allowed to measure performances in conditions where buttons are close together, making interactions harder to perform correctly. During this experiment, we evaluated enhanced versions of the cubic menu and projected shadows retroactions that were used during the second experiment. The cubic menu version 2 uses a line and a circle to indicate the position and distance of the virtual pointer with regard to the floating menu. For the shadow version 2, the projected shadow opacity changes based on the distance variation of the virtual hand with regard to the floating menu. The results of this study have shown that the cubic menu version 2 has a positive impact on human performances. We effectively measured performance gains of up to 20% with the combined use of the color change and cubic menu version 2 visual retroactions. For example, considering a one hour VR system session use, a user will see his session time reduced to 48.3 minutes if he uses interfaces using an optimal combination of visual retroactions compared to a user not using any visual retroactions. This constitutes a gain of 11.7 minutes which is substantial.

The results of these experiments have allowed us to present a series of recommendations aimed at the creation of graphical interfaces that are adapted to the requirements specific to virtual environments encountered in virtual reality systems. The absence of standardisation is another important factor which has a negative impact on the evolution and the acceptance of the virtual reality technology among the public. The recommendations brought forward in this thesis are aimed to be generic and applicable to various virtual reality systems instead of targeting a specific application, effectively allowing the establishment of long-term design standards for virtual reality system user interfaces.

This research highlights that there exist a large range of research opportunities in the direction that we took. The results observed within this thesis show that there is a great potential for performance optimisation for this type of user interfaces which encourages us to pursue in this direction.

These results strengthen our initial conviction that a solution to the slow acceptation of the virtual reality technology lies in the development and the use of more sophisticated VR user interfaces. These user interfaces have the potential to allow levels of interactivity yet unexploited by today's VR systems. The integration of advanced user interfaces within VR systems will allow using VR with complex tasks in various domains such as the architectural conception of buildings, allowing to literally conceiving the buildings, piece by piece, without leaving the virtual environment. Our work highlight the fact that VR user interfaces cannot be based solely on hand gesture or a few Wand buttons. VR user interfaces based on visual metaphors like the cubic menu will open a multitude of possibilities by giving VR systems what the WIMP revolution brought to PC computer environments. We hope that our work will inspire others researchers to push researches in that direction.