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L'informatique n'a cessé de progresser depuis les premiers calculateurs jusqu'aux micro-ordinateurs modernes. Aujourd'hui, si les machines de nos foyers continuent à voir leur puissance de calcul et leurs capacités graphiques croître d'année en année, leur évolution paraît avoir atteint un point satisfaisant sous bien d'autres aspects. En particulier, nous sommes tous habitués à taper sur un clavier et à cliquer sur des boutons, ouvrir des menus ou déplacer des icônes avec une souris: notre façon de contrôler les ordinateurs s'est standardisée, et rien ne semble apparemment en voie de compromettre ces standards sur lesquels s'accordent à la fois les fabricants de matériel, les éditeurs de logiciels et la plupart des utilisateurs.
Il existe néanmoins bien d'autres manières de contrôler des applications interactives. Les manettes de jeu sont d'usage courant, et les ordinateurs de poche modernes sont en train de démocratiser l'emploi du stylet. Des dispositifs d'entrée moins connus tels que les tablettes graphiques, les instruments de musique électroniques ou les contrôleurs 3D sont depuis longtemps exploités dans le monde professionnel ou semi-professionnel. Enfin, les utilisateurs pour lesquels l'usage d'un clavier ou d'une souris est difficile voire impossible emploient également des dispositifs d'entrée spécialisés.
Au-delà de leur grande variété, les dispositifs d'entrée alternatifs possèdent tous un point commun : ils sont particulièrement adaptés à un contexte donné, c'est-à-dire à certains types d'utilisateurs (handicapés moteurs, par exemple), de tâches (jeux vidéo ou conception graphique) ou d'environnements de travail (environnement mobile). Ces dispositifs non conventionnels sont indispensables dans la mesure où les dispositifs standard ne sont pas toujours pertinents. De nombreux travaux de recherche ont de plus montré qu'il était toujours possible de rendre l'interaction plus naturelle et plus productive par l'usage de dispositifs d'entrée dédiés au contexte.
Parmi les nombreux dispositifs d'entrée existants, le clavier et la souris bénéficient d'un statut particulier en tant que dispositifs génériques. Ils ont été conçus pour être efficaces dans la plupart des situations courantes: un environnement de travail de type bureau, un utilisateur « moyen », et des tâches courantes comme la saisie d'un courrier ou la navigation sur Internet. Or ces dispositifs sont en réalité peu efficaces, quelle que soit la tâche, car ils n'exploitent que partiellement nos capacités motrices et nous obligent à des manipulations séquentielles plutôt que parallèles.
Nous utilisons nos deux mains dans presque toutes nos tâches quotidiennes et sommes par ailleurs capables d'apprendre à coordonner efficacement un grand nombre de groupes musculaires (pour jouer d'un instrument ou conduire une voiture, par exemple). Nos doigts possèdent également des capacités motrices exceptionnelles. Sur un ordinateur, ces capacités sont assez bien exploitées pour la saisie textuelle mais très peu pour la manipulation d'objets graphiques. La parole constituerait également un complément efficace au contrôle moteur. Ces idées ont été depuis longtemps confirmées par des travaux de recherche, qui montrent qu'une interaction réellement efficace passe par la multiplication et la diversification des dispositifs d'entrée.
Si la qualité de l'interaction repose pour beaucoup sur la partie « physique » de l'interface, elle dépend également de la façon dont les dispositifs physiques sont exploités au niveau logiciel. Actuellement, utiliser une souris est synonyme de cliquer, double-cliquer ou effectuer des cliquer-glisser sur des boutons, barres de défilement et autres menus. Le vocabulaire est limité, et les éléments graphiques standardisés ont montré leurs faiblesses: ils entravent la tâche réelle (rédaction d'un document, par exemple) en occupant de la place et en imposant des déplacements répétés de l'attention visuelle. Là encore, de nouvelles approches, visant à rendre l'interaction plus concise et plus directe, ont été proposées dans bon nombre de travaux de recherche, et prouvent que même l'interaction à la souris est susceptible d'être considérablement améliorée.
Les standards en Interaction Homme-Machine sont souhaitables car il en découle
une réutilisabilité qui profite aux programmeurs d'applications, et une
cohérence qui profite, dans une certaine mesure, aux utilisateurs. Nos
interfaces actuelles, avec leurs souris, icônes et fenêtres s'inspirent
principalement du système Xerox Star, initialement issu de la recherche.
Cependant, ce système est maintenant vieux de plus de vingt ans et la recherche
en IHM a eu le temps d'explorer, mettre en 
uvre et tester des méthodes
d'interaction alternatives adaptées aussi bien aux situations les plus
courantes qu'à des contextes très spécifiques.
Ces recherches montrent à quel point les interfaces dites modernes sont, du point de vue de l'utilisabilité, au mieux inefficaces, au pire totalement inadaptées. Elles prouvent également que pour une interaction plus naturelle, productive, personnalisable et accessible aux utilisateurs handicapés, il est essentiel que nos systèmes informatiques puissent être librement contrôlés avec des dispositifs d'entrée multiples et variés, d'une manière qui prenne en compte les spécificités des dispositifs et les besoins de l'utilisateur.
Malheureusement, les standards ont si profondément structuré les systèmes interactifs qu'il est maintenant difficile de s'en défaire. Alors que certains dispositifs d'entrée non conventionnels deviennent de plus en plus abordables (tablettes graphiques, webcams, microphones) et de plus en plus faciles à installer, leur prise en charge effective par les systèmes interactifs reste quasi-inexistante : la plupart des dispositifs sont ignorés par la majorité des applications (les manettes ne servent que dans les jeux), et les autres sont sous-exploités (la tablette graphique est vue comme une souris, sa haute précision et sa sensibilité à la pression sont occultées). Réciproquement, une application est très difficile, voire impossible à utiliser lorsqu'un dispositif standard manque, ce qui constitue un problème majeur pour l'accessibilité aux handicapés et la portabilité des applications entre les plate-formes de différente nature.
Les applications interactives sont excessivement figées du point de vue de
l'interaction parce qu'elles sont construites avec des outils qui sont tous
câblés pour une utilisation exclusive et stéréotypée d'un clavier et d'une
souris. La prise en charge de dispositifs d'entrée non conventionnels est en
conséquence extrêmement difficile à mettre en uvre par les programmeurs.
Les innovations proposées par la recherche, comme l'interaction gestuelle ou
vocale, sont pour les mêmes raisons très rarement employées dans les
applications commerciales.
Un des objectifs de la recherche en IHM consiste à concevoir, prototyper et déterminer l'utilisabilité d'interfaces novatrices, approche qui a donné de nombreux résultats, dont venons de tirer des conclusions. Un autre objectif, essentiel et complémentaire, vise à produire des modèles et des outils qui facilitent la construction de ce type d'interfaces. La tâche est loin d'être triviale et malgré des avancées importantes, les résultats obtenus ne sont pas à la hauteur des espérances.
Il a fallu déjà consacrer une bonne partie des efforts à la compréhension et à la modélisation des interfaces conventionnelles, pour lesquelles nous ne disposons toujours pas de modèle et d'outil de construction idéal. Les recherches se donnant pour but de faciliter la construction d'interfaces non conventionnelles constituent quant à elles un domaine encore très jeune. En outre, les aspects « sorties » de l'interaction (qui concernent principalement la représentation d'objets abstraits à destination de l'utilisateur et la prise en charge d'effets graphiques sophistiqués) ont assez curieusement suscité bien plus de travaux que les aspects « entrées » (qui décrivent la manipulation de ces objets par l'utilisateur), pourtant essentiels.
Dans les travaux portant sur les entrées non conventionnelles, l'intérêt s'est
principalement focalisé sur la mise en uvre d'une communication langagière
avec des interfaces « intelligentes », en abordant des problèmes de haut
niveau tels que l'interprétation des intentions de l'utilisateur à partir de
sources d'information hétérogènes ou la prise en charge de l'ambiguïté. Malgré
la complexité de ces problèmes et l'apport indéniable des contributions
existantes, trop d'approches continuent de s'appuyer sur des modèles d'entrée
vieux de plusieurs décennies ou à en reproduire les mêmes hypothèses
simplificatrices, et mènent invariablement à des systèmes plus évolués mais
tout aussi figés.
Actuellement, aucun modèle et aucun outil ne permet d'exploiter toute la richesse offerte par les dispositifs d'entrée et n'offre assez de flexibilité pour pouvoir prendre en compte des contextes d'utilisation très divers.
Notre objectif dans cette thèse est de proposer des modèles et des outils permettant de construire des systèmes interactifs entièrement « ouverts » en entrée, c'est-à-dire des systèmes qui puissent être contrôlés avec une grande variété de dispositifs d'entrée, d'une manière qui permette d'exploiter au mieux leurs capacités.
Nous pensons qu'une approche moderne se doit de mettre l'accent sur une interaction à la fois riche et accessible, en encourageant l'usage simultané de dispositifs physiques multiples tout en offrant une prise en charge adaptée pour les entrées appauvries, c'est-à-dire plus limitées que les dispositifs standard. Nous prônons également des systèmes évolutifs et configurables, c'est-à-dire non limités à des classes figées de dispositifs et de modèles d'interaction connus, et qu'il est possible d'adapter finement aux particularités de l'utilisateur, de la tâche et de l'environnement.
Dans notre thèse, nous introduisons et motivons un modèle original pour la description et la gestion de l'interaction en entrée, qui s'appuie sur la notion de configurations d'entrée. Une configuration d'entrée décrit la façon dont des dispositifs physiques sont connectés à une application à travers des adaptateurs. En remplaçant l'approche événementielle traditionnelle par un paradigme à flot de données réactif, ce modèle rend la gestion des entrées entièrement explicite, du dispositif physique jusqu'à l'application. Il encourage en outre la description d'interactions novatrices et hautement concurrentes.
Le modèle des configurations d'entrée a inspiré le développement du système ICON (Input Configurator), qui permet de construire des applications interactives entièrement configurables en entrée et capables d'exploiter des dispositifs et des techniques d'interaction conventionnels ou non. L'éditeur interactif d'ICON donne la possibilité aux développeurs de prototyper et de tester un grand nombre de configurations d'entrée potentielles afin de rendre leurs applications adaptées à des situations spécifiques d'entrées appauvries ou enrichies. L'utilisateur final sélectionne la configuration d'entrée qui correspond à son matériel et à ses préférences personnelles, et peut également, selon son degré d'expertise, personnaliser cette configuration pour l'adapter à ses besoins.
Dans le chapitre 1 - L'interaction en entrée non standard, nous donnons un large aperçu des dispositifs d'entrée non conventionnels existants et des contextes dans lesquels ils sont employés, et présentons les principales techniques connues permettant d'interagir avec les applications de façon plus efficace et plus naturelle. Nous montrons ensuite en quoi il est essentiel que nos applications puissent être contrôlées de diverses manières, pour une interaction de meilleure qualité et mieux adaptée à des utilisateurs, des environnements et des tâches très variés.
Dans le chapitre 2 - Modèles et outils pour l'interaction en entrée, nous détaillons l'état actuel de la recherche du point de vue de l'interaction en entrée. Nous présentons les principaux modèles d'interface et les outils de développement expérimentaux, et déterminons en quoi ils constituent ou non une avancée par rapport aux modèles et aux outils conventionnels. Nous concluons par les apports respectifs de chacune de ces contributions.
Dans le chapitre 3 - Introduction au modèle des configurations d'entrée, nous présentons notre modèle pour la description de l'interaction en entrée, après avoir développé et motivé du point de vue conceptuel les principales notions sur lesquelles il repose.
Dans le chapitre 4 - La boîte à outils ICON, nous décrivons le système ICON, développé dans le but de valider et d'affiner notre modèle dans un contexte réel de développement. Après avoir présenté cet outil et ses principales fonctionnalités, nous décrivons et commentons un certain nombre d'exemples d'interactions non conventionnelles qu'il a permis de décrire. Nous concluons par les applications actuelles d'ICON.
Dans le chapitre 5 - Discussion, nous tentons de répondre aux nombreuses questions posées par notre approche, en identifiant tout d'abord les apports essentiels d'ICON et de son modèle sous-jacent, ainsi que leurs limites. Nous affinons et généralisons par ailleurs quelques aspects de notre approche, sur la base des enseignements que nous avons pu tirer de notre utilisation d'ICON. Pour finir, nous positionnons nos travaux par rapport aux contributions existantes et développons quelques perspectives.
Dans les annexes A, B et C, nous détaillons les mécanismes à la base du modèle des configurations d'entrée.
La lecture de ce mémoire de thèse ne devrait pas nécessiter de connaissances théoriques particulières en IHM. Une certaine pratique dans le développement d'interfaces est cependant requise pour aborder la plupart des discussions, en particulier dans le chapitre 2 et le chapitre 5. Les annexes réclament des connaissances mathématiques et algorithmiques très minimales. Le chapitre 1, et dans une moindre mesure le chapitre 3, n'appellent aucun pré-requis et suffisent à se faire une idée très générale du contexte et de notre approche.