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Interface de locomotion dans les environnements virtuels
Les neurosciences ont beaucoup étudié la marche humaine. Elle repose sur trois sens : la vision, la proprioception, l’équilibrioception(sens de l’équilibre).
Ces sens mobilisent trois systèmes : oculaire, somato-sensoriel et vestibulaire. Le corps humain les combine pour piloter sa marche. La plupart des interfaces jouent sur la proprioception.
Nous sélectionnons des critères définis dans le traité de la réalité virtuelle pour nous permettre de classer les différentes interfaces. Nous avons choisi comme critères : l’encombrement qui se représente en terme de volume et de poids, l’immersion qui représente l’aptitude de l’interface à immerger l’utilisateur au sein de l’environnement virtuel, la précision qui est la mesure des distances et des angles, la prise en main qui représente la facilité d’utilisation et enfin la liberté de mouvement qui est l’un des critères les plus importants. Si l’interface ne permet les déplacements que dans une direction et au sein d’un environnement limité, alors l’immersion et le retour des sensations sont faibles.
Lois de commande du Joyman
Nous allons dresser un aperçu des différentes lois de commandes qui régissent le Joyman. Pour qu’un mouvement puisse d’être réaliste il faut qu’il soit analogue à celui d’un humain, la principale difficulté vient du fait que la locomotion n’est pas holonome(toutes les positions de l’espace ne sont pas atteignables directement).
Dans le cas du Joyman, l’utilisateur se tient debout sur une plate-forme articulée et se penche pour indiquer la direction souhaitée de déplacement dans le monde virtuel. L’inclinaison induite est l’entrée de la loi pilotant la locomotion virtuelle.
La loi de commande est inspirée par la nature non-holonomic de la marche humaine. De la position et l’orientation du Joyman, nous pouvons calculer le vecteur vitesse virtuelle en utilisant notre modèle de locomotion et la loi de commande . On peut déterminer également la nature du mouvement.
En analysant, la locomotion à partir du centre de gravité d’un humain au cours d’un déplacement, on constate une trajectoire oscillatoire.
On s’appuie sur une étude qui présente une méthode de détection automatique permettant de détecter les virages à partir d’une trace capturée de locomotion humaine, en se projetant dans l’espace de représentation de vitesse-courbure.
Une démarche envisageable est celle de l’utilisation de l’espace des vitesses . Les auteurs ont étudié les limites du déplacement humain et ont pu intégrer des valeurs minimales et maximales aux différents paramètres utilisés .
Ces lois de commandes diffèrent suivant la nature de l’interface et prennent part à la finesse, la précision et le réalisme du déplacement au sein de l’environnement virtuel. L’optimisation de ces lois est un critère déterminant de la qualité de l’interface.
Modélisation physique de la locomotion
Nous allons essayer d’élaborer un modèle permettant d’utiliser les propriétés physiques du monde réel dans un univers virtuel à l’aide du Joyman, principalement la gravité. L’ensemble est réalisé à l’aide de unity 3D, outil permettant la création de contenus interactifs tels que des visualisations architecturales ou des animations 3D en temps réel.
Ce logiciel a pour principale caractéristique d’utiliser un éditeur de script monodevelop qui peut exploiter les langages c#, javascript, Boo et de contenir un environnement de développement intégré.
Plusieurs scènes ont été conçues pour exploiter la locomotion avec les modèles de skieurs que nous avons créés.
Nous présenterons ces scènes par plusieurs captures d’écrans qui ont été prises en particulier une scène contenant une piste créée pour tester les modèle de skieur, et une scène de démonstration permettant la locomotion dans un environnement virtuel avec un décor que nous avons créé. On décrit à l’aide de captures d’écran prises la scène «piste». Cette vue permet d’avoir un aperçu du relief de la piste. On peut remarquer que la pente est plutôt raide et les virages assez serrés. Cette piste est donc tout indiquée pour le test. Le skieur prend ainsi de la vitesse rapidement, il est intéressant de pourvoir tester les modèles de skieur sur cette pente pour s’assurer de leur stabilité en présence de virages et avec une vitesse importante.
Modèle physique avec frottement
Nous allons commencer par décrire la physique d’un skieur qui descend une pente. L’accélération du skieur dépend de l’inclinaison de la piste, le skieur est ralenti par les frottements des skis sur la neige.
La loi de Coulomb exprime sous une forme simplifiée l’intensité des forces de frottements qui s’exercent entre deux solides. Selon que ces solides glissent ou non l’un contre l’autre, on parle de glissement (frottement dynamique) ou d’adhérence (frottement statique).
Dans notre cas, nous étudions le frottement entre le skieur et la pente. Nous allons essayer de construire un modèle réaliste qui respecte la loi de Coulomb, afin que les calculs de frottement soient directement pris en compte par le moteur de Unity 3D. Nous allons créer un matériel qui sera ajouté à chacun des colliders qui sont en jeu dans la locomotion du skieur.
Modèle avec roue
Le but cette fois est de chercher à maximiser le réalisme du mouvement avec les composants matériels du Joyman. Les roues sont les composants de capteur inertiel. Cette fois on ne cherchera pas exactement un réalisme physique, c’est à dire à l’exactitude des calculs des forces de frottements selon la loi de Coulomb qui s’exercent sur le skieur.
De plus, l’utilisation de roues permet de glisser sur la neige. Ainsi le fait de pouvoir déraper peut considérablement augmenter le réalisme du comportement du skieur sur la neige. L’utilisateur aura des sensations analogues à la réalité.
Au cours de mes recherches, j’ai trouvé une idée d’architecture de skis avec des roues qui m’a semblé intéressante.
Nous utiliserons une architecture avec 4 roues, elle paraît en effet pouvoir assurer la stabilité du skieur. Pour ce modèle nous utiliserons des wheel colliders, des spheres colliders peuvent-être aussi utilisées. Ce type collider est semblable à une roue. Nous dressons un aperçu des champs de classe wheelcollider, mais il existe également des méthodes associées que l’on ne détaillera pas. Le collider peut être caractérisé comme une roue avec un centre et un radius (rayon).
Il nous faut développer un controller qui permette un traitement approprié. De manière analogue au premier modèle, le script du controller centralise tous les traitements.
Contrairement au modèle précédant, la locomotion se fait directement à partir des colliders. On va décrire un modèle de skieur assez simpliste avec 4 wheels colliders. Ce composant est le plus souvent utilisé pour les modèles de voiture et mais peut-être utilisé pour d’autres véhicules terrestres.
Intégration avec le Joyman
Description du Joyman : Nous allons faire une description des techniques du Joyman. Comme décrit précedemment, le Joyman est une interface équilibrioceptive développée par l’équipe VR4i/Mimetic. La capture des mouvements de l’utilisateur se fait via une centrale inertielle. On récupère ainsi les deux angles de rotation qui peuvent aussi être vus comme des quantités dx et dy utilisées par les lois de commandes . La tension de la corde au niveau de la plate-forme permet d’ajuster l’assiette et la stabilité du Joyman en position initiale. Initialement, les mains ne servent que d’appui, de pouvoir se pencher sans avoir peur de tomber. Mais, ces dernières n’intervenant pas directement dans la locomotion, nous pouvons développer des techniques d’interaction supplémentaires (on peut imaginer un clavier ou autre interface d’entrée sur la rambarde du Joyman). Le Joyman peut être considéré comme un joystick à taille humaine, l’utilisateur contrôlant l’inclinaison du périphérique non pas avec sa main mais à l’aide de tout son corps.
Intégration du modèle pour son utilisation avec le Joyman : Le Joyman est donc notre principal périphérique d’entrée, utilisé au sein d’un environnement virtuel crée grâce au moteur de unity 3D. Lorsque l’utilisateur se penche, la centrale inertielle mesure l’inclinaison du plateau central(dx et dy), les paramètres sont récupérés par le système, déclenchant ainsi le mouvement du skieur dans la scène. Le déroulement est ensuite projetée à l’écran ou dans un casque. Le Joyman est employé avec la plate-forme de réalité virtuelle Immersia, permettant ainsi une forte immersion de l’utilisateur dans l’environnement de réalité virtuelle.
Table des matières
1 Introduction
1.1 Présentation générale
1.2 Contexte
1.3 Sujet du stage
2 Etat de l’art
2.1 Interface de locomotion dans les environnements virtuels
2.2 Lois de commande du Joyman
3 Modélisation physique de la locomotion
3.1 Introduction
3.2 Modèle physique avec frottement
3.3 Modèle avec roue
3.4 Facteurs pouvant améliorer l’immersion de l’utilisateur
4 Intégration avec le Joyman
4.1 Description du Joyman
4.2 Intégration du modèle pour son utilisation avec le Joyman
5 Conclusion
5.1 Résumé du travail réalisé
5.2 Limites et perspectives
6 Références
