Ces syst`emes sont en fait enti`erement bas´es sur le calcul d´eterministe de valeurs issues de capteurs sp´ecifiques.
Capteurs `a 6 degr´es de libert´e avec r´ecepteurs (( embarqu´es ))
Pour obtenir une information de position et d’orientation avec 6 degr´es de libert´e, il existe deux technologies de base, les r´ecepteurs ´electromagn´etiques et ceux `a ultrasons.
Les syst`emes ´electromagn´etiques ont ´et´e les premiers utilis´es. Ils sont bas´es sur l’´emission d’un champ ´electromagn´etique par une antenne. En fonction de l’intensit´e selon chaque axe et la phase du champ per¸cu par un capteur, il est en effet possible de d´eterminer la position et l’orientation de ce capteur dans l’espace. Cependant, le syst`eme est oblig´e d’alterner le champ d’une direction canonique `a une autre en passant par les trois axes. Cela pose un probl`eme de fr´equence lors de l’utilisation de plusieurs capteurs o`u chaque capteur doit pouvoir traiter son propre triplet de champs `a une cadence suffisante.
Des syst`emes plus r´ecents sont bas´es sur l’´emission d’ultrasons. Ces syst`emes se servent de la triangulation pour d´eterminer la position de chaque capteur. Une simple triangula-tion ne permettant pas d’obtenir l’orientatriangula-tion du capteur, il faut multiplier les microphones ultrasons sur le capteur. En effet, pour avoir une bonne pr´ecision sur la position, il suffit d’´ecarter les ´emetteurs fixes. Cependant, la pr´ecision de l’orientation d´epend directement de la discrimination entre les r´ecepteurs. Cette discrimination est directement fonction de leur ´ecartement. Mais la taille du capteur doit ˆetre limit´ee pour ne pas gˆener l’utilisa-teur. Ainsi, les constructeurs sont oblig´es de rajouter une centrale inertielle au syst`eme de capture afin d’am´eliorer la pr´ecision sur l’orientation tout en gardant une taille rai-sonnable pour l’ergonomie du dispositif de capture. Dans les faits, la centrale inertielle calcule aussi l’acc´el´eration, permettant ainsi d’am´eliorer la pr´ecision en corr´elant plusieurs sources d’information : une pr´ediction de la position future avec les centrales inertielles et l’information renvoy´ee par les capteurs ultrason. Jusqu’`a tr`es r´ecemment, cette technologie avait un poids non n´egligeable `a cause de la centrale inertielle.
L’un des plus importants probl`emes de ces deux technologies est celui des r´eflexions parasites.
En effet, pour les syst`emes ´electromagn´etiques, les r´eflexions sont caus´ees par des com-posants ferromagn´etiques qui agissent comme des courants de Foucault g´en´er´es par les capteurs. Ainsi, il suffit de rajouter un mat´eriel magn´etique entre l’antenne ´emettrice et
le capteur pour que les donn´ees soient fauss´ees. En fait, il n’existe aucune autre solution que celle d’imposer des composants non magn´etiques dans l’espace d’interaction.
Concernant les syst`emes `a ultrasons, les r´eflexions proviennent des surfaces lisses. Les r´eflexions seront d’autant plus importantes que le mat´eriau est rigide. Le probl`eme des r´eflexions parasites sur les ´ecrans a ´et´e contourn´e par la multiplication des ´emetteurs et des r´ecepteurs. Ce qui fait que l`a o`u trois microphones suffisent th´eoriquement pour trianguler une position, ces capteurs utilisent jusqu’`a une dizaine de microphones.
Les algorithmes associ´es sont g´en´eralement parall´elisables. Ainsi, ces derni`eres ann´ees ont vu l’apparition de syst`emes complets de capture de mouvements : (( motion capture )). Ces syst`emes permettent de capter simultan´ement plusieurs positions et orientations dans un mˆeme espace en se basant sur plusieurs r´ecepteurs. Ils sont souvent utilis´es dans le do-maine du sport, mais aussi dans celui des jeux vid´eo pour cr´eer des corpus de mouvements r´ealistes qui sont ensuite appliqu´es `a des personnages de synth`ese.
Capteurs `a 6 degr´es de libert´e par cam´era infrarouge
La technologie infrarouge permet de ne pas avoir de r´ecepteurs (( embarqu´es )). En effet, certains syst`emes de capture par cam´era infrarouge sont bas´es sur la r´eflexion des ondes infrarouges par des mat´eriaux sp´ecifiques. En pla¸cant des boules de ces mat´eriaux sur l’objet `a traquer, on peut obtenir sa position dans le champ de vision des cam´eras. Pour ce faire, on d´etermine la position du marqueur dans l’espace par triangulation en connaissant la position des cam´era les unes par rapport aux autres. De plus, en pla¸cant plusieurs boules sur un sous-objet rigide et ind´eformable, on peut obtenir l’orientation de ce dernier.
Au-del`a du probl`eme de r´eflexion sur des miroirs ou sur des objets parasites, il y a le probl`eme de l’occultation. Imaginons que nous mettons un r´eflecteur dans la paume de la main et que nous fermions le poing : dans ce cas, le syst`eme sera incapable de d´eterminer la position du capteur.
De plus, les boules doivent ˆetre relativement grosses, afin de laisser une trace visible sur les capteurs des cam´eras quelle que soit la distance entre ces boules et lesdites cam´eras. Or, cela empˆeche de mettre plusieurs sph`eres sur une petite surface. Qui plus est, le fait d’obtenir un point ne suffit pas pour d´eterminer un r´ef´erentiel 6 degr´es de libert´e (6DDL). Le nombre minimum de capteurs pour obtenir un r´ef´erentiel 6DDL est de 3. Ainsi, il faut multiplier les r´eflecteurs afin de caract´eriser compl`etement l’orientation.
Pour palier ces deux gros d´efauts, ce type de dispositif multiplie g´en´eralement les cam´eras. Une autre approche, qui fait l’objet des travaux de th`ese d’Olivier Magneau, doctorant au sein LIMSI-CNRS, est d’utiliser de fa¸con optimale et contrˆol´ee le position-nement des capteurs sur les objets `a traquer [MBG02b, MBG02a].
Ces recherches sont d’autant plus pertinentes que l’infrarouge poss`ede un ´enorme int´erˆet par rapport aux deux technologies pr´ec´edentes. De par la mani`ere dont cette tech-nologie est utilis´ee, le syst`eme embarqu´e est totalement passif et la transmission du signal ne requiert aucun m´edium particulier. Ainsi, il n’y a aucun cordon ombilical entre le
r´eflecteur et le syst`eme de traitement. Contrairement aux autres syst`emes, il n’est pas n´ecessaire de mettre en place un syst`eme de transmission sans fils. La seule limitation `a la multiplication des r´eflecteurs, d’un coˆut tr`es faible, est la puissance de calcul n´ecessaire au suivi de l’ensemble des capteurs et au traitement du signal issu des cam´eras.
Il existe aussi le syst`eme Optotrak qui utilise des diodes lumineuses. Contrairement aux syst`emes d´ecrit pr´ec´edemment, l’Optotrak requiert des ´el´ements embarqu´es actifs. De plus, ce syst`eme acquiert les donn´ees en temps r´eel.
Autres syst`emes de capture de position
Il existe d’autres syst`emes permettant `a l’ordinateur d’obtenir la position de l’utilisa-teur. Par exemple, la soci´et´e Boeing a impl´ement´e un syst`eme qui per¸coit les influx nerveux au travers de la peau et qui arrive ainsi `a d´eterminer le d´eplacement du bras sur lequel il est appliqu´e.
Un autre syst`eme utilis´e est celui du bras articul´e. Ainsi, en recomposant la succession des rotations et translations subie par le bras articul´e, on peut d´eterminer avec beaucoup de pr´ecision la position de l’extr´emit´e (en fait, ces syst`emes sont ceux qui ont la plus grande pr´ecision). Ce bras peut ˆetre utilis´e pour supporter un visiocasque, tel que sur le BoomTM.
D’autres syst`emes se basent sur une centrale inertielle pour obtenir l’orientation des objets. En fait, contrairement au syst`eme ultrason, les syst`emes inertiels ne fournissent qu’une information sur l’orientation et l’acc´eleration.
Configuration de la main
La solution consiste `a mettre des capteurs qui mesurent la flexion de chaque articula-tion. L`a encore, il y a deux technologies.
Les syst`emes bas´es sur des fibres optiques sont les plus anciens. Une lumi`ere est ´emise `
a une extr´emit´e de la fibre et une cellule photosensible capte la lumi`ere re¸cue `a l’autre bout. Ainsi, on peut connaˆıtre la d´eformation de la fibre en fonction de l’intensit´e absorb´ee par la fibre. Cette d´eformation est directement d´ependante de la flexion des articulations du doigt sur lequel la fibre est fix´ee.
Les syst`emes `a base de jauges de contraintes fix´ees sur chaque doigt sont actuellement les plus fiables. En effet, les fibres optiques s’usent et ont un comportement non homog`ene avec le temps.
Un autre probl`eme est la morphologie de la main des utilisateurs. Les ´elongations des diff´erents capteurs de la main ne suffisent pas `a d´efinir la g´eom´etrie exacte de la main : ces valeurs ne sont pas absolues et nous n’en connaissons pas la m´etrique de r´ef´erence. On est donc oblig´e de faire un calibrage du gant avant chaque utilisation. Cette calibra-tion permet de connaˆıtre la relacalibra-tion qui existe entre l’´etirement de chaque capteur et les angles des articulations associ´ees. Le syst`eme de reconnaissance est en effet plus robuste au changement d’utilisateur lorsque nous travaillons sur les angles plutˆot que sur l’´etirement.
Ainsi, deux personnes ayant des mains de taille diff´erentes peuvent travailler avec la mˆeme base d’apprentissage.
Widget 2D et 3D
Initialement con¸cus par les laboratoires de Xerox `a Palo Alto, les menus et la m´etaphore de bureau sont les concepts d’interaction les plus r´epandus `a l’heure actuelle sur nos or-dinateurs. Comme ces concepts sont maintenant devenus universels, beaucoup d’environ-nements immersifs se contentent de les reprendre en les pla¸cant dans un espace `a trois dimensions. Par exemple, le plan des menus a ´et´e redress´e pour apparaˆıtre comme un plan virtuel. D’autres ajoutent des d´ecorations telles que des boutons ayant une profon-deur, des textes en relief ... Cependant, conceptuellement, nous sommes toujours en deux dimensions.
Hormis quelques paradigmes, comme [GC01] qui propose de placer un menu dans une sorte de (( rubic’s-cube )), aucun syst`eme ne fait preuve d’originalit´e pour remplacer les me-nus bidimensionnels. Une explication peut ˆetre l’impossibilit´e physiologique qu’a l’homme de focaliser simultan´ement sa vue sur plusieurs plans de profondeur. En l’esp`ece, l’utilisa-teur doit pouvoir se focaliser sur le plan concern´e pour effectuer une tˆache pr´ecise comme la s´election de valeurs, de donn´ees ou d’un ´etat via un (( clic )). Pour ce type d’interac-tion, l’id´eal est de pouvoir gommer les autres plans pour ´eviter de parasiter l’affichage. En cons´equence, si l’on d´esire permettre une interaction multi-plan, il faut que l’ordinateur soit capable de d´eterminer le plan d’int´erˆet de l’utilisateur.
En fait, l’affichage de ces menus est tr`es gˆenant, car il oblige l’utilisateur `a changer de contexte visuel pour passer de l’objet 3d aux menus 2d et r´eciproquement. Cette permuta-tion de contexte peut augmenter la charge cognitive de l’utilisateur en particulier lorsque son activit´e porte sur des sc`enes complexes et qu’elle met en œuvre un grand nombre de menus. De plus, les capteurs de position ont une pr´ecision relativement limit´ee et ils introduisent des vibrations qu’il faut filtrer avant de d´eterminer la direction du pointeur.