Métaphores d'interaction dans un univers 3D coopératif

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DEA, Supérieur, Diplôme d'études approfondies (DEA) (bac+5)
  • rapport de stage - matière potentielle : metaphores d' interaction
  • cours - matière potentielle : du stage
DEA informatique Rapport de stage Metaphores d'interaction dans un univers 3D cooperatif Aurelien Fenals Responsable : Thierry Duval Fevrier - Juin 2002
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Publié le : mercredi 28 mars 2012
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DEA informatique
Rapport de stage
Metaphores d’interaction dans un
univers 3D cooperatif
Aurelien Fenals
Responsable : Thierry Duval Fevrier - Juin 2002Table des matieres
Introduction 3
1 La cooperation en realite virtuelle 4
1.1 La realite immersive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Quelques mots sur la cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Les peripheriques d’interaction 8
2.1 Presentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Les interfaces reelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Les in virtuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Le travail cooperatif 11
3.1 Inter^et du travail cooperatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Inter^et economique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.2 Inter^et humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Les contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.1 Contraintes techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 Prise de conscience de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Les solutions existantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.1 Les plates-formes de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.2 Les ameliorations apportees a GASP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4 Les interactions dans GASP 16
4.1 Le principe de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2 Les interacteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3 Les adaptateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5 La mise en uvre de metaphores 19
5.1 Un outil : le rayon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.2 L’elastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2.2 Developpements GASP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2.3 Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.3 Le rayon pliable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.3.2 Developpement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.4 Le rayon deformable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Page 1Metaphores d’interaction
5.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.4.2 Developpement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.4.3 Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.5 Le rayon a selection multiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.5.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.5.2 Developpement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.6 Les composantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.6.2 Remarque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6 Manipulation a plusieurs en simultane 30
6.1 Etude preliminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.2 Developpement de l’adaptateur PsaDoubleConnecteurRelatifMultiple . . . . 31
6.3 Retour sur la metaphore des composantes de mouvement . . . . . . . . . . 33
Conclusion 34
A Les equations de Bezier 35
B Diagrammes UML 36
B.1 Les connecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
B.2 L’adaptateur PsaDoubleConnecteurRelatifMultiple . . . . . . . . . . . . . . 37
Page 2Introduction
Depuis ces dernieres annees, les recherches dans le domaine des univers virtuels en 3
dimensions (3D) ont pris une ampleur importante. Il est loin le temps ou on s’emerveillait
devant un cube qui tourne autour de lui-m^eme dans tous les sens. Desormais, un utilisateur
peut ^etre immerge dans un monde totalement numerique ou tout ce qu’il per coit est en
fait genere par un ordinateur. Il peut m^eme ressentir les e ets de certaines de ses actions
gr^ ace a des systemes adequats. Il est capable d’interagir avec les objets qui l’entourent, il
peut les deplacer, les deformer, etc. . .
Ces mondes peuvent ^etre partages entre plusieurs utilisateurs. Ces derniers se re-
trouvent donc tous dans le m^eme environnement avec toujours cette possibilite d’inter-
agir. Cependant, les limites technologiques actuelles font que l’utilisateur n’apprehende
pas l’univers virtuel aussi facilement que le monde reel. Que ce soit au niveau de la vi-
sualisation ou bien des peripheriques d’interaction, plusieurs problemes encore non resolus
vont in uencer le comportement de l’utilisateur. Ces problemes sont tres presents dans le
cas ou plusieurs utilisateurs collaborent dans le cadre de la realisation d’une t^ache com-
mune. En e et dans un univers virtuel les sensations et les perceptions sont deformees, le
simple fait de chercher un utilisateur en balayant l’univers 3D du regard prendra plus de
temps que dans la realite.
Ces environnements distribues o rent, sur le plan du travail cooperatif, un grand
nombre de possibilites mais soulevent aussi certains problemes. L’un des plus importants
est la coordination entre les di erents participants quand ils interagissent en simultane sur
un m^eme objet. Quand quelqu’un parle d’un objet, il faut qu’il le pointe a n de bien faire
comprendre aux autres de quel objet il s’agit. Mais surtout, et c’est la problematique de
ce stage, il faut que les di erents utilisateurs puissent ressentir l’impact de leurs actions.
Les systemes a retour d’e ort n’etant pas tres adaptes a toutes les situations, il faut un
moyen (une metaphore) clair(e) pour que l’utilisateur soit conscient de son geste. Dans
le cas ou plusieurs personnes agissent sur le m^eme objet, il est important que chacune
puisse percevoir l’impact de son action sur le mouvement general de cet objet. Il faut que
les utilisateurs comprennent que la reaction globale de l’objet depend de la resultante des
actions simultanees de chacun d’entre eux au cours d’une interaction cooperative.
Les premiers chapitres vont faire un etat de l’art dans le cadre de la cooperation en
univers virtuel. Je vais presenter quelques outils assez frequemment utilises pour interagir
et j’introduirais les concepts dej a developpes sur le travail cooperatif. Le chapitre 4 fait une
presentation rapide de la plate-forme utilisee dans l’equipe en decrivant principalement les
mecanismes d’interaction mis en uvre. Les di erentes metaphores etudiees et developpees
au cours du stage sont detaillees dans le chapitre suivant. Leur developpement souleva un
probleme qui sera detaille et resolu dans le dernier chapitre.Chapitre 1
La cooperation en realite virtuelle
La cooperation dans un monde virtuel est un sujet d’actualite : l’evolution de la realite
virtuelle a o ert beaucoup de possibilites. On est maintenant capable d’agir sur les objets
presents dans un univers virtuel. L’etape suivante est de permettre a plusieurs utilisateurs
de cooperer dans le cadre d’un travail commun.
Pour que la cooperation se passe dans les meilleures conditions, l’interaction homme-
machine doit se faire le plus instinctivement possible. Beaucoup d’outils ont ete crees pour
rendre cette interaction plus facile. Nous allons entre autre voir les systemes d’a chages
qui permettent d’immerger l’utilisateur dans l’univers virtuel. Je presenterai ensuite les
problemes engendres par une cooperation en univers virtuel.
1.1 La realite immersive
L’apparition des univers 3D a engendre la creation de nouveaux peripheriques dont le
but est d’ameliorer la visualisation de l’univers. Ces materiels sont capables d’immerger
l’utilisateur dans le monde virtuel. Le but est d’eliminer au maximum les reperes du monde
reel a n que l’utilisateur aie l’impression d’^etre dans le monde 3D. En plus d’immerger
la personne dans cet univers virtuel, un mecanisme annexe (la stereo-vision) peut fournir
la sensation d’une profondeur accentuee, on a ainsi l’impression que certains objets sont
juste en face de nous, en tendant le bras, on pourrait les toucher. Pourtant il n’en est rien
ce ne sont que des illusions. Deux systemes peuvent produire ce genre d’illusions :
{ la generation d’images pour chaque il : le but est d’a cher a tour de r^ole et de
fa con rapide une image di erente pour chaque il. Les spectateurs munis de lunettes
actives synchronisees avec l’a chage vont recevoir ces images et les lunettes occulte-
ront l’ il qui n’est pas concerne. Pour qu’un tel mecanisme fonctionne correctement,
il faut que la frequence des images pour le m^eme il soit au moins de 60Hz, ce qui
fait une frequence totale de 120Hz pour la production des images. Le materiel de
projection doit donc ^etre assez performant.
{ la superposition d’images : dans ce cas nous avons aussi une image di erente pour
chaque il mais elles sont superposees a l’a chage. A n de di erencier les images,
les spectateurs portent des lunettes passives avec des verres polarises qui vont ltrer
les images.
Ces mecanismes ne sont pas necessaires pour immerger un utilisateur dans un monde
virtuel, mais ils permettent de mieux percevoir les e ets de la 3D. La stereo-vision ne
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s’applique pas seulement aux systemes de realite immersive, elle peut ^etre utilisee sur
un ecran classique mais qui supporte quand m^eme de hautes resolutions. Les outils de
visualisation que je vais decrire sont presentes dans le traite de la realite virtuel [9] :
Le casque virtuel : c’est l’un des premiers materiels capable d’immerger l’utilisateur
dans un univers virtuel. Il est muni de 2 petits ecrans LCD ou bien de tubes catho-
diques dont l’image est ensuite deformee par une succession de prismes et de miroirs
pour en n arriver sur chaque il. Le son est aussi restitue dans chaque oreille. Il est
important de noter que le casque est souvent dote d’un capteur (tracker) d’orienta-
tion qui va permettre a l’ordinateur d’a cher la partie de la scene que l’utilisateur
est cense regarder. L’inconvenient majeur de ce materiel est de limiter le champs de
vision a 60 ce qui handicape l’utilisateur qui est habitue a avoir un champs de vision
qui avoisine les 180 . La capacite de l’utilisateur a percevoir son environnement et a
reagir en sera tres largement diminuee. Il est a noter qu’un casque pese assez lourd
et cela aussi va in uer sur le comportement de l’utilisateur.
Les systemes de projection : si on veut pallier a la limitation du champs de vision, on
peut se tourner vers de tels peripheriques. Le principe est de projeter les images sur
un grand ecran ou sur plusieurs ecrans. Le reality center se presente sous la forme d’un
ecran de grande dimension (environ 9m de developpee) sur lequel sont projetees les
images. Un tel systeme o re a l’utilisateur un champs de vision horizontal d’environ
120 voir 180 s’il est proche de l’ecran. En revanche, le champs de vision vertical
reste de 60 . Un tel systeme peut aussi projeter les images en stereo-vision a n
d’ameliorer la vision en 3D.
Si l’on veut une immersion totale, il faut passer aux systemes de type CAVE[4]. Ce
systeme enferme l’utilisateur dans un piece cubique de 3m x 3m x 3m ou les images
sont projetees sur chaque face du cube. A n de pallier aux defauts occasionnes
par les angles du cube, l’ordinateur applique des deformations sur les bords des
images a a cher. Ces deformations sont liees a la position et a l’orientation de
l’utilisateur dans le cube. C’est pourquoi ce dernier est muni d’un capteur a 6 degre
de liberte (position et orientation). Ce systeme propose aussi la stereo-vision, si
bien que l’utilisateur a l’impression de voir des objets a l’interieur du cube. Il peut
m^eme tourner autour, car gr^ ace au capteur les images projetees sont modi ees selon
la position de l’utilisateur. Ce systeme o re une immersion complete et parfaite
cependant l’utilisateur est limite dans ses deplacements par la taille du cube. Son
inconvenient majeur reste le prix.
Le WorkBench : ce materiel est plus dedie a des applications ou l’environnement de
l’utilisateur est limite a un plan de travail. Les images sont a chees sur deux plans,
un vertical et l’autre horizontal. Toujours munis de lunettes actives l’utilisateur peut
travailler sur une table et manipuler des objets virtuels. De la m^eme fa con la position
et l’orientation de la t^ete sont suivies pour que l’illusion des objets en 3D soit parfaite.
Dans ces di erents systemes, nous avons vu que certains utilisaient la position et
l’orientation de l’utilisateur combinees a la stereo-vision pour renforcer l’impression de
3D. Mais dans de tels cas, ces systemes ne permettent plus de gerer plusieurs utilisateurs.
En e et, comme nous l’avons vu precedemment la stereo-vision necessite que l’a chage
des images soit cadencee a 120Hz. Donc pour plusieurs utilisateurs qui ne regardent pas
forcement au m^eme endroit, il faut multiplier la frequence par le nombre d’utilisateurs. A
l’heure actuelle tres peu de materiels sont capables de fournir des frequences aussi elevees
Page 5Metaphores d’interaction La cooperation en realite virtuelle
pour gerer plusieurs utilisateurs. En reduisant la frequence d’a chage pour chaque il,
on arrive a gerer l’a chage pour deux utilisateurs mais on perd en qualite (risque de
scintillement).
Ces di erents outils presentent un plus ou moins bon degre d’immersion qui est pro-
portionnel au prix. C’est un detail qui a son importance car rares sont les equipes de
recherche qui possedent un systeme CAVE. Il faut donc prendre en compte le fait que les
di erents utilisateurs ne sont pas forcement tous parfaitement immerges dans le monde
virtuel. Cette immersion incomplete va jouer sur les temps de reaction des utilisateurs
dans le cas d’un monde cooperatif. Hindmarsh et al.[11] en ont fait l’experience : un uti-
lisateur pointe une porte et demande a un autre s’il la voit. Ce dernier ne regardant pas
au m^eme endroit va devoir s’orienter dans la direction donnee, mais en plus de son action
il dit quelque chose du style \j’arrive" a n que son interlocuteur prenne conscience qu’il
s’oriente pour regarder au m^eme endroit.
1.2 Quelques mots sur la cooperation
Quand on parle de cooperation en univers 3D, il s’agit essentiellement de faire en
sorte que l’utilisateur soit conscient de la presence des autres utilisateurs et aussi de leurs
actions. Comme cela a ete presente dans le paragraphe 1.1, les peripheriques graphiques
les plus utilises o rent un champs de vision limite et donc handicapent l’utilisateur. De
plus dans le cas d’un monde cooperatif ou plusieurs utilisateurs sont impliques, on ne peut
pas fournir autant de peripheriques dedies qu’il y a de participants, on revient donc a
l’utilisation d’ecrans classiques.
Fraser, Benford, Hindmarsh et Heath[7] ont travaille sur le developpement d’un uni-
vers cooperatif, ils ont entre autre represente de fa con explicite le champs de vision des
avatars a n que chaque utilisateur puisse voir de fa con claire ou regardent les autres ac-
teurs. La pratique a montre que cette representation permettait en plus de mieux reperer
les di erents utilisateurs dans l’univers 3D. On constate donc que des informations gra-
phiques supplementaires peuvent ameliorer l’analyse du monde qui entoure l’utilisateur.
Ces chercheurs ont aussi propose d’allonger les bras de l’avatar quand l’utilisateur pointe
un objet ou qu’il desire le manipuler. Les autres utilisateurs en regardant l’avatar com-
prennent tout de suite de quel objet parle l’utilisateur ou bien que cet objet est manipule.
La cooperation passe aussi par la communication et plusieurs recherches [11, 8, 7] ont
demontre que l’utilisation de la parole est un facteur essentiel. Les utilisateurs peuvent par
l’utilisation d’un mot ou d’une onomatopee faire comprendre qu’ils sont entrain de s’orien-
ter ou de se deplacer. La comprehension peut aussi se faire de fa con visuelle, par exemple
en utilisant des representations faciales. Selon cette idee, Lalioti, Garcia et Hasenbrink[12]
ont cree une salle de reunion virtuelle ou les utilisateurs sont representes par une sequence
video. Cette sequence video est generee en temps reel, les utilisateurs sont lmes pen-
dant qu’ils participent a la reunion et leur video est projetee dans la salle virtuelle. De
cette fa con, l’utilisateur peut faire passer des messages non-verbaux qui ne peuvent ^etre
retranscris sur un avatar.
L’inter^et des systemes cooperatifs reside dans la resolution de problemes complexes.
Prenons le cas d’un agent se depla cant dans un environnement virtuel peuple d’objets
statiques. Son r^ole est simple : quand il rencontre un objet en chemin, il le prend et se
deplace avec, s’il rencontre un autre objet, il depose alors celui qu’il possede pour prendre
Page 6La cooperation en realite virtuelle Metaphores d’interaction
l’autre. Un tel fonctionnement n’a rien de tres signi catif, pourtant si on peuple l’univers
virtuel de plusieurs de ces agents, on constatera en observant la scene dans sa globalite
que les agents sont en train de reunir les objets de l’environnement en petits tas puis un
seul gros tas.
Au travers de cet exemple, nous pouvons donc remarquer que la cooperation peut
s’averer tres utile pour resoudre di erents problemes. Dans ce cas, les agents peuvent
avoir un comportement similaire ou bien un comportement propre a chacun. Quand les
agents sont des humains, il est certain que leurs comportements seront di erents mais ce
n’est pas un inconvenient, au contraire, ils peuvent avoir des r^oles complementaires. Pour
l’utilisateur, les mouvements dans un environnement virtuel ne sont pas aussi faciles a
realiser que dans la realite. Bien evidemment s’il etait muni d’un systeme exosquelette
complet et installe dans un systeme de visualisation CAVE, il serait alors completement
immerge dans l’univers virtuel. Des lors ces mouvements seraient exactement les m^emes
que dans la realite. Pourtant tres peu de personnes sont dotees d’un tel equipement, on en
est m^eme tres loin : les systemes a retour d’e ort sont rares et la plupart du temps dedies
a une application precise. Ainsi l’intervention d’un humain dans un monde virtuel est
soumise a plusieurs contraintes et par consequent, si plusieurs humains doivent cooperer
dans un monde virtuel, leurs sens vont ^etre alteres. Deplacer un objet a plusieurs sans
systeme a retour d’e ort est une t^ache assez di cile. Beaucoup de peripheriques ont ete
crees a n de rendre la t^ache plus simple, je vais en presenter quelques un dans le chapitre
suivant.
Page 7Chapitre 2
Les peripheriques d’interaction
2.1 Presentation
Les interactions permettent aux entites d’agir sur di erents objets de la scene mais
aussi sur d’autres entites. Dans le cas ou l’agent est un utilisateur, il est important que ce
dernier puisse interagir de la m^eme fa con de les autres entites.
Pour ce faire, des peripheriques d’acquisition vont permettre de saisir les mouvements
de l’utilisateur et ainsi appliquer ces mouvements a l’avatar representant l’utilisateur dans
le monde virtuel. Malgre cela, il s’avere que ces peripheriques ne sont pas appropries
dans tous les cas. Il faut donc faire usage de metaphores sur ces outils permettant ainsi
d’ameliorer les interactions dans le monde virtuel.
Les interfaces d’interactions se divisent donc en deux categories detaillees dans les
paragraphes suivants.
2.2 Les interfaces reelles
Ces interfaces regroupent en fait les peripheriques d’entrees/sorties qui vont la plupart
du temps permettent a l’ordinateur de capter les gestes de l’utilisateur et ensuite les
reproduire a l’ecran. Par exemple, la souris est l’outil de base, l’ordinateur recupere les
di erents mouvements dans un plan et peut ensuite a cher un curseur a l’ecran qui se
deplace de la m^eme fa con que la souris. Un outil analogue et plus approprie au univers 3D
f^ t son apparition par la suite : la souris 3D ou Space Mouse, cette souris est la plupart du
temps utilisee pour se deplacer dans un univers 3D, elle peut retranscrire des translations
ou bien des rotations.
Interessons nous a di erents peripheriques permettant d’interagir sur des objets et des
entites dans un monde virtuel, on peut retrouver tous les peripheriques existants de la
m^eme fa con que pour les interfaces d’a chage dans le traite de la realite virtuelle [9].
- le gant de donnee : il permet de detecter les mouvements des di erents doigts mais il
possede aussi un capteur qui donne sa position et son orientation dans l’espace. Avec
un tel outil, on peut faire de la prehension d’objet mais cette pratique est limitee
par le fait que l’utilisateur n’a pas de retour d’e ort sur ses mouvements.
- Le bras mecanique (exo-squelette) : en plus de recuperer des informations sur les
mouvements du bras il peut aussi retourner les e orts sur l’utilisateur pour lui donner
des sensations similaires au monde reel.
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