Expansion de cibles pour le pointage et sélection : application à l'interaction à distance en chirurgie augmentée

Pointing to/ Selecting targets is an elementary task universally present in graphical user interfaces (GUI). This task can be difficult to perform if the control of the cursor is not easy or if the target is far away or small. Thus facilitating target selection is a fundamental and active research topic in Human-Computer Interaction (HCI) and researchers have proposed numerous targeting assistance techniques.Our research focuses on targeting assistance techniques that allocate larger activation areas to targets. Such target expansion techniques rely on two basic elements: the expansion algorithm and the visual aid. The expansion algorithm distributes partly or wholly the free space among the targets. The visual aid presents the resulting target expansion to the users. Our work is dedicated to the visual aid that enables the users to take full advantage of the target expansion technique during the pointing/selection tasks.We first propose a three-axes design space for visual aid mechanisms. We further define a matrix-based notation for concisely describing a target expansion technique along the three design axes. We provide an analytical exploration of the design space by classifying existing target expansion techniques and by designing eight novel target expansion techniques, thus demonstrating the generative power of the design space. We also provide an experimental exploration of the design space by conducting two in-lab experiments. Based on the experimental results, we build a set of design recommendations.We then put forward a conceptual predictive model of performance. The model relies on a systematic analysis of the relevance of the visual aid provided by a target expansion technique based on the three goal-oriented phases of a selection task: the starting phase to initiate the movement towards the target, the transfer phase to bring the cursor into the goal target and the selection validation phase. To test the model we consider experimental results of the literature and of a third conducted in-lab experiment.Our contributions are applied to the field of Augmented Surgery and in particular interaction with a distant screen during a surgery in the operating theatre. As part of a Aesculap-CIFRE thesis, the next version of the product Aesculap’s OrthoPilot® Navigation System for orthopaedic surgery will include a target expansion technique for facilitating target selection by the surgeon in the operating theatre. We also provide a new foot gesture-based technique, namely Medical TapTap, for the validation of selection in the operating theatre.Pointer et sélectionner une cible avec un curseur est une interaction omniprésente dans l'utilisation des ordinateurs. La sélection peut néanmoins être difficile à réaliser si le contrôle du curseur n'est pas aisé, ou encore si la cible est petite ou distante. Aussi, faciliter la sélection de cibles est un thème essentiel et actif en Interaction Homme-Machine (IHM) et les techniques conçues sont nombreuses.Notre travail de recherche se focalise sur l'étude des techniques d'expansion de cibles. Celles-ci facilitent le pointage et la sélection en allouant à une cible une plus grande zone active, sans toutefois modifier la cible elle-même. L'algorithme d'expansion d'une technique détermine la zone active étendue de chaque cible, tandis que l'aide visuelle de la technique fournit à l'utilisateur les informations nécessaires pour exploiter l'expansion lors du pointage et sélection. Notre travail est dédié à l'aide visuelle des techniques d'expansion de cibles en abordant leur conception et leur impact sur les performances.Nous proposons dans un premier temps un espace de conception des aides visuelles. Cet espace est accompagné d'une notation matricielle de description des aides visuelles et permet une classification des techniques d'expansion existantes. Son pouvoir génératif s'illustre par la création de huit techniques d'expansion, que nous évaluons au travers de deux expériences en laboratoire. Les résultats de ces deux expériences nous permettent de formuler un ensemble de recommandations pour les concepteurs de techniques d'expansion.Nous avançons ensuite un modèle conceptuel de performance des techniques d'expansion. Ce modèle s'appuie sur la notion de pertinence de l'information contenue dans l'aide visuelle des techniques. Il considère une tâche de sélection sous l'angle cognitif en la décomposant en trois phases déterminées par les buts de l'utilisateur : la phase préliminaire au geste, la phase de transfert du curseur vers la cible et la phase de validation de la sélection. Nous confrontons ce modèle de performance avec des résultats expérimentaux de la littérature et d'une troisième expérience en laboratoire.Nos contributions sont appliquées à l'interaction chirurgien-ordinateur en contexte per-opératoire, c'est-à-dire en bloc opératoire durant une intervention chirurgicale. En particulier, l'entreprise partenaire de cette thèse CIFRE, Aesculap, intègre dans la prochaine version du produit OrthoPilot, un système informatique pour la chirurgie orthopédique, une des techniques d'expansion étudiées. Nous présentons également Medical TapTap, une nouvelle technique d'interaction gestuelle au pied conçue pour la validation de la sélection en contexte per-opératoire