Ö Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel IV.1. Introduction L’objectif ultime de notre recherche est de déterminer la capacité de notre système de réalité virtuelle à recréer les conditions d’une perception réaliste des ambiances lumineuses. Au–delà du choix matériel du dispositif virtuel, nous nous sommes interrogé sur la nature des images destinées à l’alimenter. Deux raisons principales nous ont conduit à utiliser des photographies numériques : Les photographies numériques sont un outil couramment utilisé depuis plus de trente ans dans les recherches en psychologie environnementale (Mandel, 1978). Dans ces recherches, différents environnements sont présentés à des sujets dans le but de comprendre les facteurs qui influencent leurs préférences. Par exemple, Kaplan et al. (1972) ont étudié le lien entre la complexité de scènes rurales et urbaines présentées sur des diapositives. Russel et Mehrabian (1974) ont apporté des éléments appuyant la validité du matériel photographique pour étudier les sentiments provoqués par divers environnements physiques. De même, Mandel (1978) rapporte des travaux méthodologiques (Seaton et Collins, 1972) dans lesquels différents environnements ont été évalués en milieu réel, sur des diapositives couleurs, et sur film. Les auteurs ont montré que les évaluations étaient pratiquement identiques à la réalité, ...
Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel IV.1. Introduction Lobjectif ultime de notre recherche est de déterminer la capacité de notre système de réalité virtuelle à recréer les conditions dune perception réaliste des ambiances lumineuses. Audelà du choix matériel du dispositif virtuel, nous nous sommes interrogé sur la nature des images destinées à lalimenter. Deux raisons principales nous ont conduit à utiliser des photographies numériques :
ÖLes photographies numériques sont un outil couramment utilisé depuis plus de trente ans dans les recherches en psychologie environnementale (Mandel, 1978). Dans ces recherches, différents environnements sont présentés à des sujets dans le but de comprendre les facteurs qui influencent leurs préférences. Par exemple, Kaplan et al. (1972) ont étudié le lien entre la complexité de scènes rurales et urbaines présentées sur des diapositives. Russel et Mehrabian (1974) ont apporté des éléments appuyant la validité du matériel photographique pour étudier les sentiments provoqués par divers environnements physiques. De même, Mandel (1978) rapporte des travaux méthodologiques (Seaton et Collins, 1972) dans lesquels différents environnements ont été évalués en milieu réel, sur des diapositives couleurs, et sur film. Les auteurs ont montré que les évaluations étaient pratiquement identiques à la réalité, quel que soit le support utilisé. Des recherches plus spécifiquement orientées vers les effets de léclairage sur le comportement ont utilisé du matériel photographique comme base dévaluation (Enrech-Xena, 2000 ; Wienold et al. 1998 ; Veitch et Newsham, 1996).
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ÖComme nous lavons déjà discuté dans lintroduction, les possibilités infinies de représentation des espaces lumineux offertes par limagerie de synthèse, en font le candidat idéal pour notre recherche. Cependant, les images de synthèses elles-mêmes sont sujettes à études concernant leur capacité à reproduire la richesse perceptive dune scène visuelle (Mc Namara et al., 1998 ; Mc Namara et al., 2000, Meyer et al, 1986) ou simplement à reproduire fidèlement les quantités lumineuses de la scène réelle (Houser et al, 1999 ; Fontoynont, 1998). Dans la plupart des études sus-citées, la photographie de la scène est considérée comme la référence à atteindre en terme de qualité de rendu. Il nous a donc semblé utile de comparer les résultats que nous obtiendrons sur la base dimages de synthèses avec des résultats obtenus sur la base de photographies numériques.
IV.2. Méthode IV.2.1. Sujets Les sujets (17 femmes et 23 hommes) ont été recrutés par messagerie électronique parmi les élèves de l ENTPE. Sur ces 40 sujets, 29 (10 femmes et 19 hommes) avaient déjà participé à létude en milieu réel. La passation en milieu réel ayant eu lieu 14 mois avant la passation en milieu virtuel, nous considérons que les sujets navaient plus aucun souvenir des stimuli présentés. En conséquence, nous rejetons tout soupçon de parasitage de nos données par effet de récence ou dapprentissage. Tous ces sujets ont déclaré avoir une vision normale ou corrigée à la normale. Ils étaient remerciés de leur participation par (45 min) par un bon dachat dune valeur de 100 francs. IV.2.2. Dispositif IV.2.2.1. Dispositif matériel et logiciel Létude sest déroulée dans notre salle de réalité virtuelle. La présentation des stimuli (photographies numériques des différentes ambiances lumineuses) était contrôlée par lapplication REVE® développée sur mesure par Richard Mitanchey dans notre laboratoire. Nous allons présenter rapidement le principe de fonctionnement de cette application.Le programme a été développé sur nos stations de travail SGI 320, sous la forme dune application Windows (API Win 32) en C/C++. Lapplication est entièrement contrôlée par le sujet à laide dun pavé numérique. La navigation se fait par le biais de boites de dialogues indiquant étape par étape les tâches à réaliser. Lapplication est divisée en 4 phases : Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel
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1/lidentification: lexpérimentateur saisi le nom du sujet 2/les test visuels: ils sont sous le contrôle du sujet et seront détaillés plus loin dans ce chapitre. 3/lapprentissage: lexpérimentateur supervise le sujet qui apprend à contrôler le pavé numérique pour naviguer dans létude. Cette phase est détaillée plus loin dans ce chapitre. 4/lexpérience de comparaison par paire: une fois le sujet familiarisé avec les manipulations du pavé numérique, lexpérience est lancée. Cest cette phase dont nous allons expliquer le principe. Nous avons déjà dit (Cf.§I.7.2) que les deux stations de travail SGI 320 doivent communiquer entre elles pour contrôler la projection des images de lil droit et gauche. Cette communication se fait sur la base dune architecture Client-Serveur selon un protocole de communication TCP/IP. Par principe, lordinateur Client (ou maître) contrôle laffichage des images destinées à lil droit. Lordinateur Serveur (ou esclave) contrôle laffichage des images destinées à lil gauche. Lorsque lapplication est lancée, le Serveur se met à lécoute de toute demande de communication de la part du Client. Le pavé numérique est relié au Client. Quand le sujet appuie sur une touche du pavé numérique pour demander laffichage dune image, le Client traite cette demande en recherchant limage pour lil droit dans sa banque de données en RAM et en envoyant lordre au Serveur de rechercher limage correspondante pour lil gauche dans sa banque de donnée. Le fait que les images soient stockées en RAM et que les messages entre Client et Serveur soient courts (un entier) permet que cette opération soit quasi-instantanée. Le délai entre lappui sur le pavé numérique et laffichage de limage stéréoscopique nexcède pas quelques millisecondes. Lorsque lexpérience de comparaison par paire est lancée par un appui sur la touche « Entrée » du pavé numérique, limage correspondant à lambiance lumineuse A de la première paire est affichée. Le sujet a la possibilité de passer à lambiance lumineuse B pour faire sa comparaison. A tout moment, il peut également changer le point de vue de lambiance affichée, puisquil dispose dune vue locale et dune vue globale de la scène. Pour chacune des 6 ambiances étudiées, il y a donc 4 images : 1/ oeil droit vue globale 2/ il gauche - vue globale 3/ il droit - vue locale 4/ il gauche - vue locale Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel
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Chaque paire a été constituée conformément à la table III.1. Les 15 paires sont stockées en RAM et lordre de présentation est tirée au hasard par lapplication. Cet ordre de présentation est transmis au fur et à mesure de lexpérience à un tableau de données Microsoft ACCESS de manière à ce que lexpérimentateur puisse savoir quelle paire a été évaluée par le sujet. Lorsque les 15 paires ont été évaluées, une boite de dialogue demande au sujet de valider par « Entrée » pour quitter lapplication. 1.1.2.2. Les photographies numériques Les photos des ambiances lumineuses ont été prises avec un appareil numérique « nikkon ». Cet appareil a été utilisé en mode « manuel », de manière à pouvoir garder constants les paramètres de diamètre douverture du diaphragme et de temps de pose. En effet, le mode « automatique »entraîne une modification de ces paramètres en fonction de la luminosité de la scène, de manière à obtenir une photographie de qualité « optimale », cest-à-dire ne présentant ni sur-exposition (photo trop lumineuse) ni sous-exposition (photo trop sombre). Il en résulte une sorte de lissage de la luminosité ayant pour conséquence de gommer une partie des différences entre les ambiances. Le choix des paramètres douverture et de temps de pose sest fait selon la procédure suivante. En utilisant les « lèche-mur » avant et arrière ainsi que le plafonnier, nous avons composé un scénario déclairage fournissant un éclairement sur le plan de travail moyen (700 lux) par rapport à léclairement fourni par nos 6 ambiances. Ce scénario a été photographié en mode « automatique » avec une balance des blancs « éclairage par tube fluorescent » (4000°K). Les valeurs douverture et de temps de pose donnés par lappareil numérique ont été relevées. Pour photographier un moniteur informatique à tube cathodique sans que des traces de balayage ny apparaissent, il faut que le temps de pose soit supérieur à la fréquence de rafraîchissement de lécran. Nous avons donc transformé les paramètres de manière à maximiser le temps de pose. Pour respecter les paramètres donnés par lappareil photographiques en mode « automatique », il était nécessaire de compenser lallongement du temps de pose par une réduction du diamètre douverture du diaphragme. Nous avons finalement choisi un temps de pose de 1/8éme de seconde et un diaphragme de 19. Ces paramètres ont été fixés en mode « manuel » et nous avons pris nos 6 ambiances en photos. Pour prendre des photographies stéréoscopiques, nous avons conçu un adaptateur se fixant sur le pied de lappareil photo. Il sagit dun rail de guidage en aluminium permettant de décaler horizontalement lappareil de 60 millimètres (écart moyen entre les deux yeux). La méthode pour prendre le couple de stéréophotographies est la suivante :
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Etape 1 : placer lappareil en position « il droit » sur le rail de guidage et déterminer le point de fixation grâce à la mire. Prendre la photo « il droit ». Etape 2 : Décaler lappareil de 60 mm sur le rail en position « il gauche ». Se recaler sur le point de fixation déterminé pour l« il droit » et prendre la photo « il gauche ». Bien entendu, le pied de lappareil ne doit pas bouger entre les deux prises. De la même manière, aucun objet de la scène photographiée ne doit être déplacé, ajouté ou supprimé entre les deux photos. Ceci aurait pour conséquence de créer des perceptions perturbantes « dobjets fantômes » lors de la visualisation stéréoscopique. 24 photos ont été nécessaires pour reproduire les conditions expérimentales de notre étude de comparaison par paires : 6 ambiances x 2 points de vue (local / global) x 2 yeux pour la projection stéréoscopique (tab.IV.1). Nous avons choisi de présenter deux points de vue différents sur la base des indications données par la littérature. Depuis que la psychologie environnementale a recours au matériel photographique comme base détude, le problème du point de vue est redondant. Voici ce quécrivait Mandel (19..) : « Les diapositives ne présentent quune faible portion de ce qui serait vu si la personne était physiquement dans lenvironnement ; les personnes ne peuvent pas « balayer visuellement » les diapositives comme elles le feraient en milieu réel ; les photographies déterminent arbitrairement ce qui doit être vu. ». De plus, des résultats pré-expérimentaux de Wienold et al. (1998), ont montré qu « il est évident que les personnes testées ont besoin de plus dune seule vue pour former une impression globale des conditions déclairage dans une pièce » La décision de ne présenter que deux points de vue a été guidée par des impératifs expérimentaux. Chaque point de vue supplémentaire nécessite un contrôle de plus à apprendre par lutilisateur. Notre objectif étant que linterface utilisateur soit la plus simple et la plus intuitive possible, il nétait pas souhaitable de lalourdir avec un nombre plus important de contrôles. Par ailleurs, laddition de points de vue à comparer deux à deux revient à compliquer les évaluation du sujet. En effet, celui-ci ne doit plus comparer deux scènes, mais faire la synthèse de X points de vue dune scène pour la comparer avec la synthèse de X points de vue dune autre scène. Les ressources cognitives impliquées dans ce type de tâche peuvent rapidement dépasser les capacités (en particulier mnésiques) du sujet et conduire à un découragement nuisible aux résultats. Par ailleurs, la présence de plusieurs points de vue peut induire des évaluations paradoxales : lambiance A peut paraître plus lumineuse que lambiance B sous le point de vue local et moins lumineuse sous le point vue global. Ce point est particulièrement important et sest traduit en faits, puisque nous avons pu constater (sans le mesurer précisément) que la majorité des sujets navaient recours que de manière très occasionnelle aux deux points de vue. La plupart ont construit leurs jugements sur la seule vue globale. Lors de la discussion de fin dexpérimentation, certains sujets ont affirmé avoir été plus gênés quaidés par la possibilité davoir deux vues. ChapitreIV.cEovmalpuaartiaoisnodnepshioxtoagmrbaipahniceessnluummiénriequuseess/enmilmiieliueruéveilrtuel:119
Ambiance 1, vue lobale il droit
Ambiance 2, vue lobale il droit
Ambiance 3, vue lobale il droit
Ambiance 4, vue lobale il droit
Ambiance 5, vue lobale il dro ti
Ambiance 1, vue locale il droit
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Ambiance 1, vue lobale il auche
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Ambiance 6, vue Ambiance 6, vue Ambiance 6, vue Ambiance 6, vue lobale, il droitlocale, il droitlobale, il auchelocale, il aucheTable IV.1- ont été utilisées dans létude numéri ues24 hoto ra hies Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel :120 comparaison photographies numériques / milieu réel
IV.2.2.3. Données photométriques Nous avons réalisé des relevés photométriques sur lécran de projection pour chaque ambiance lumineuse et pour les deux points de vue. Les valeurs de luminance ont été obtenues avec une Luminancemétre Minolta® LS-110. Les mesures de luminance ont été prises face au centre de lécran de projection, à une distance de 1,5 mètre correspondant à la distance approximative du sujet à lécran. Le luminancemètre était monté sur un pied à une hauteur de 70 cm correspondant à la position des yeux du sujet assis. La figure 1 montre les différents points de mesure sur limage en vue globale et locale.
Figure IV.1 mesure sur limage en vue globale et localePoints de Des mesures aux mêmes points ont été réalisées en milieu réel. Le luminancemétre est placé en un point correspondant à la position de lobservateur en vue globale. La table 2 présente lensemble des mesures en milieu virtuel et réel pour les deux points de vue. La figure 2 montre une représentation graphique de ces données comparant les luminances moyennes pour chaque ambiance en milieu réel et virtuel. Nous présentons un graphique avec le point de mesure 5 et lautre sans. En effet, celui-ci est situé dans la zone déclairement mural direct produite par le lèche-mur avant. A ce point la luminance atteint des valeurs proches de 400 Cd/m² en milieu réel. Notre dispositif de projection nest pas capable de reproduire des luminances aussi élevées. On voit que lorsque lon ne prend pas en compte le point 5, la courbe des luminances en milieu virtuel est bien ajustée à la courbe des luminances en milieu virtuel. Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel
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Photo A1 A2 A3 A4 A5 A6 réel A1 A2 A3 A4 A5 A6 P123,7 27,1 17,8 20,8 29 11,4P1 1115,3 13,3 10 18 4 P2 19,5 25 1022 27 15P2 5 12 17 1015,6 16,5 P3 14,339 45 30 33 45P324,6 27 8 16 19 29 P4140 73,5 136 34 140 31P4 105 1187 41 95 30 P6177 156 119 95 119 77P6136 109 80 59 76 51 P7 54,791 92 53 51 45,3P772 70 33 36 24 36 P8 28 34,5 2450 43,3 35P870 64 39 33 35 30 P9 10 8,8 4,7 14,612,6 14,4P9 5 12 15 2617,5 20 P109,4 13 6,7 10 12,8 4,7P10 8 13 19 311,4 16 P115,5 5,4 3,8 3,6 4,5 2,5P11 5 10 11 1415,7 16 P12 26 5,4 4 3,6 5,9P12 617,4 19 14 13 19 P13 7 9 4,711 11,3 7P1319 18 12 13 16 6 Relevés photométriques sur la vue globale en milieu Relevés photométriques sur la vue globale en milieu virtuel. « Moy » donne la moyenne de tous les points réel. « Moy » donne la moyenne de tous les points pour chaque ambiance. « Moy2 » ne prend pas en pour chaque ambiance. « Moy2 » ne prend pas en com te le oint 5. com te le oint 5.
Photo A1 A2 A3 A4 A5 A6 réel A1 A2 A3 A4 A5 A6 P1 43 5089 92 52 50P194 92 50 48 31 51 P245 40 39 22 39 18P239 32 32 20 34 13 P360 69 35 54 28 52P3 62 30 6196 110 47 P4109 127 102 104 100 102P4 98 95 9799 102 95 P5 92183 152 144 118 141P5142 88 110 63 110 38 Relevés photométriques sur la vue locale en milieu Relevés photométriques sur la vue locale en milieu virtuel.réel.Table IV.2 le milieu réel et le milieu virtuelDonnées photométriques en vue locale et globale pour
80 50 100 70 60 40 80 50 30 60 40 30 20 40 20 Reel 10 Reel Reel20 100Photos0Photos0Photos S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 Comparaison réel-photos Comparaison réel-photos Comparaison réel-photo, avec oint 5 vue lobale sans oint 5 vue lobale vue locale Figure IV.2 Graphiques de comparaison des luminances en milieu réel et virtuelChapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel :122 comparaison photographies numériques / milieu réel
IV.2.3. Procédure Un rendez-vous était pris avec les sujets par courrier électronique. Chacun disposait dun créneau de une heure pour réaliser lexpérience. En moyenne 45 minutes ont été suffisantes. A lheure de son rendez-vous, le sujet se présentait dans la salle de réalité virtuelle. Afin dadapter son système visuel aux basses luminances de létude, la lumière était fournie uniquement par laffichage dune page de présentation sur le grand écran. Le sujet était invité à prendre place sur un fauteuil de bureau. Il lui était précisé quil pouvait librement choisir son placement face à lécran. Il avait à sa disposition sur une tablette ajustée à la hauteur de laccoudoir, un pavé numérique, un formulaire denquête vierge, un stylo et une paire de lunettes stéréoscopiques à filtres polarisés. Dans un premier temps, lexpérimentateur présentait de manière assez précise lobjectif de la recherche et le fonctionnement du dispositif de réalité virtuelle. Le protocole de comparaison par paire lui était expliqué de la manière suivante : « un certain nombre dambiances lumineuses vont vous être présentées sur ce grand écran. Elles vous seront toujours présentées par paires : une ambiance « A » et une ambiance « B ». Votre travail consistera à indiquer sur le questionnaire dévaluation fourni, laquelle des deux ambiances est « la plus » sur chacun des critères proposés. Par exemple vous devrez indiquer à chaque essai laquelle des ambiances est « la plus lumineuse » ou « la plus uniforme ». Pour naviguer dans létude et passer dune ambiance à lautre vous disposez dun pavé numérique. Une phase dentraînement à sa manipulation vous sera proposée ultérieurement. Pour le moment, nous allons mener deux tests visuels afin de nous assurer que vous nêtes pas porteur de déficits dans la perception de la couleur ou du relief. Mettez les lunettes de vision 3D et appuyez sur la touche « Entrée » du pavé numérique. » IV.2.3.1. Tests visuels Une application a été développée dans notre laboratoire pour mener ces tests de manière automatisée. Le sujet contrôlait toutes les étapes par le biais dun pavé numérique et de boites de dialogue à lécran. Les consignes dutilisation étaient données oralement par lexpérimentateur. Les résultats étaient disponibles sous la forme dun fichier « Microsoft Access ». Dans ce paragraphe nous présentons le détail de ces tests. Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel
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Test de vision des couleurs. Afin de détecter des troubles de la vision de couleurs qui pourraient biaiser nos résultats (8 à 12% des hommes et 1% des femmes sont daltoniens), nous avons choisi de présenter quelques planches du « Ishihara test for color blindness » qui est le protocole le plus couramment utilisé (depuis 1917) en ophtalmologie pour diagnostiquer les dischromatopsies. Le test complet comprend 38 planches. Notre objectif nétant pas de porter un diagnostique précis, nous navons conservé que 6 planches (fig.IV.3) permettant de détecter le déficit de distinction « rouge/vert » qui concerne 99% des daltoniens.
Planche1 : par tous, elle lisiblePlanche2 : les sujets déficientPlanche2 : sujets déficient les est utlisée pour expliquer le test sur la discrimination sur la discrimination et éventuellement détecter les « rouge/vert » ne peuvent pas « rouge/vert » ne peuvent pas simulateurs. voir le chiffre « 29 » voir le chiffre « 8 » Figure IV.3 utilisées pour notre test de vision des couleursExemple de planches de Ishihara Test de vision du relief Toute létude étant basée sur la vision stéréoscopique, il était nécessaire de tester ce paramètre. En effet, le système visuel étant doté dun grand nombre dindices non-stéréoscopiques pour déterminer la distance entre les objets(Bruce & Green, 1997), une proportion importante des personnes atteintes de stéréo-cécité vivent sans avoir conscience de leur déficience. Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel
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Bela Julesz a révolutionné la compréhension des mécanismes de perception stéréoscopique (Julesz, 1971). Avant lui, la théorie dominante (Sherrington, 1947) postulait que « la vision stéréoscopique résulterait de la reconnaissance, puis de la fusion de contours monoculaires » (Bruce et Green, 1997). Julesz va montrer que la reconnaissance nest pas une condition nécessaire. Pour cela, il utilise des « stéréogrammes de points aléatoires » (fig.IV.4). Les deux éléments du stéréogramme sont composés dune texture de points blancs et noirs repartis aléatoirement. Aucune forme ne peut y être reconnue. Pourtant, lorsque les deux éléments sont fusionnés par la présentation simultanée dun élément à lil droit et de lautre à lil gauche, le sujet voit un carré « flotter » au premier plan de la texture.
il Gauche il Droit Figure IV.4 Stéréogramme de points aléatoires (julesz, 1971). Lorsque ces deux figures sont fusionnées, un carré de texture se détache et semble flotter en avant du fond.Les deux éléments du stéréogramme sont composés dune texture de points blancs et noirs repartis aléatoirement. Aucune forme ne peut y être reconnue. Pourtant, lorsque les deux éléments sont fusionnés par la présentation simultanée dun élément à lil droit et de lautre à lil gauche, le sujet voit un carré « flotter » au premier plan de la texture. Cet effet est dû à la construction particulière du stéréogramme (fig.IV.5). En décalant horizontalement un carré de texture vers la droite sur lélément « droit et vers la » gauche sur lélément « gauche », on recrée les disparités rétiniennes qui seraient présentes si le carré étaient réellement au premier plan devant la texture. Chapitre IV. Evaluation de six ambiances lumineuses en milieu virtuel : comparaison photographies numériques / milieu réel