Table Of Contentformat couv dépliée 352 mm larg 240 mm haut dos 32 mm
Direction : Philippe Fuchs
u
Cet ouvrage (en 2 volumes) constitue la Philippe Fuchs, a Coordination : Guillaume Moreau
e
seconde édition étendue et mise à jour professeur de l’Ecole des or SCIENCES B. Arnaldi - J.M. Burkhardt - A. Chauffaut - S. Coquillart
du précédent traité de la réalité virtuelle mines de Paris, est le M T. Duval - S. Donikian - P. Fuchs - J. Grosjean - F. Harrouet
paru en décembre 2000. responsable de l’équipe e MATHÉMATIQUES E. Klinger - D. Lourdeaux - D. Mellet d’Huart - G. Moreau
m A. Paljic - J.P. Papin - P. Stergiopoulos
Réalité Virtuelle & Réalité u ET INFORMATIQUE J. Tisseau - I. Viaud-Delmon
a
Sous la direction de Philippe Fuchs et la Augmentée. ll
i
coordination de Guillaume Moreau, il est Ses recherches concer- Gu
rédigé par dix-huit chercheurs français, spé- nent les aspects théoriques ,
s
cialistes de la réalité virtuelle. et techniques de h
c
l’interfaçage en environne- u
F
Ce premier volume « Fondements et Interfaces ments virtuels e
p
Comportementales » expose les aspects théo- p
i
l
riques et l’interfaçage de l’homme dans un hi
Guillaume Moreau, P Le traité de la
environnement virtuel.
maître de conférences en
Plus précisément et en premier lieu, il pro-
informatique à Centrale
pose une définition du champ de la réalité
virtuelle. Une démarche multidisciplinaire Nantes est chercheur au
est présentée, posant les questions psycholo- laboratoire CNRS CERMA réalité virtuelle
giques, ergonomiques, neurophysiologiques, UMR 1563. Ses travaux
de recherche portent sur
physiques et informatiques de l’homme
dans un monde virtuel. l’utilisation de la réalité 1 2e édition
virtuelle pour l’étude des
La problématique de l’interfaçage compor- l
o
ambiances architecturales
temental est ensuite abordée. Toutes les v Volume 1 : Fondements et interfaces
et urbaines
interfaces motrices, sensorielles et sensori- comportementales
motrices sont décrites en expliquant leur e
l
principe et leurs caractéristiques techniques. l
e
Une analyse détaillée des techniques d’im- u
t
mersion, d’interaction et des primitives com- r
i
portementales virtuelles est présentée. v
Une dernière partie aborde les questions éthi- é
t
ques, juridiques et les effets sur l’homme. li
a
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r
Dans le second volume « Création des envi-
a
ronnements virtuels & applications » le lec- l
teur trouvera la description des techniques e
d
informatiques pour la création des environ-
é
nements virtuels et un exposé des applica- t
i
tions professionnelles de la réalité virtuelle. a
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e
L
Préface de Alain Berthoz,
Professeur au Collège de France
85 Euros
cou-bandeau vol-1a 1 29/09/03, 16:14
PRÉFACE
AlainBerthoz
Laréalitévirtuellevajouerunrôledécisifdanslesannéesàveniretcetraitéestdonc
trèsutilepourrassembleruncertainnombredeconnaissances,dethéoriesetdetech-
niques. On peut, en effet, prévoirune explosion de son utilisation dans les domaines
suivants.
D’abord l’éducation, où elle va apporter beaucoup à de nombreuses disciplines par
le développement de l’enseignement à distance et par l’apprentissage des processus
industriels. Les plus grandes sociétés développent aujourd’hui des méthodes basées
sur la réalité virtuelle pour entraîner leur personnel à des opérations de manipula-
tion, l’aider dans la compréhension de processus complexeset dans la navigation en
environnementshostilesou lointains.De façonplus générale,la réalité virtuellehap-
tiqueetvisuelle(carlaréalitévirtuellen’estpasseulementvisuellemaismultimodale)
sera un outil indispensable pour le développement des simulateurs de demain, qu’ils
concernentlepilotaged’avionsoudevoitures,lasimulationdeméthodeschirurgicales
ou la simulationd’activitéssportives.On peut dire que noustenons là unformidable
outil d’apprentissage. Cependant, son usage ne sera pas limité à l’enseignement ou
à l’entraînement. La réalité virtuelle est aussi entrée dans le monde du travail par la
téléopération qui exige une restitution de la présence des objets manipulés et de leur
environnement.Véritableprolongementdelamain,delavision,dusensdutoucher,la
réalitévirtuellepermetaujourd’huid’allongerlebrasdel’opérateurau-delàdesroutes
etdesocéans.
L’utilisationdelaréalitévirtuellenes’arrêtetoujourspaslà.Onentrevoitmaintenant
sonapplicationdansledomainemédicalpourl’aideaudiagnosticdecertainesmala-
dies(parexemplelevertigeoulestroublesdel’orientationspatiale)etpourl’étudedes
bases neurales de ces maladies, où la réalité virtuelle s’est introduite car elle permet
de manipuler lesparamètres du mondevisuel, haptiqueou acoustique.La réalité vir-
tuelle peut être aussi exploitée pour la réhabilitation, voire le traitement des troubles
liésàl’âge(parexemplepardesméthodesdethérapiescomportementales).NotreLa-
boratoire est engagé dans une coopération avec deux services de Psychiatrie a Paris
et a Lyon pour tester l’intérêt de la réalité virtuelle pour compléter les thérapies co-
gnitivesdanslestroublescommel’agoraphobie.J’aieneffetdansmonlivre"Lesens
du mouvement" proposé l’idée que certains de ces troubles sont dus a une difficulté
àconstruireunecohérenceentretouteslesinformationssensoriellesouentrelesdon-
nées des sens et les attentes du sujet et nous avons montré qu’une exposition à des
conflits sensorielspouvaitinduireuneréductionsensibledeladésorientationspatiale
[Tsuzukue.a.,1995, Vittee.a.,1994] ouvrant ainsi la voie a ces nouvelles thérapies.
J’ai fait l’hypothèse quecette capacité de résoudre des conflits étaitliée à des straté-
gies cognitivesqui permettent au cerveau humain de trouver des solutions nouvelles
lorsquedessystèmessensori-moteurssontlésésouconfrontésàdesproblèmesqu’ils
nepeuventpasrésoudre[Berthoz,1985,Jonese.a.,1985,Jonese.a.,1984]maisilfaut
segarderdesehâteragénéraliseretilfautmaintenant,avecpatienceetrigueurétudier
scientifiquementaveclesclinicienslechampréeld’applicationdecesméthodes;
Enfin son usage va se répandre dans la science par le biais de la simulation des pro-
cessusetdelaconstructiondemodèlesexplicatifsdansdetrèsnombreuxdomaines.Il
ii Letraitédelaréalitévirtuelle-P.Fuchs,G.Moreau-(c)lesPressesdel’Ecoledesmines
estinutiledementionnerl’immensechampd’applicationqueconstitueledomainedes
jeux,qu’ilssoientbasésounonsurdestechniquesderéalitévirtuelle.
Cesexemplesdonnentuneidéedel’enjeu.Faceàlui,lesméthodesetlestechniques,
commeonleliraici,sedéveloppenttrèsrapidement.Ilfauttoutefoisresterconscient
ducheminquiresteàparcourir.Etquirisqued’êtrelong.Cecheminestd’abordtech-
nologique.Eneffet,latechnologiequipermettraunerestitutionfidèledelaréalitén’est
pasencoreachevéeetlesavoir-fairedesingénieursseraprécieux.Lesjeunesontdevant
euxunimmensechampderechercheetderéalisation.Ensuite,surleplandelafusion
desmodalitésdelaréalitévirtuelle,ilestnécessairedecombinervision,senshaptique
etacoustique,commelefaitsihabilementlecerveau.Ceciestencoreungranddéfià
relever.Pourcela,jeconseillesansaucundouted’accroîtrelatropfaiblecoopération
entre les spécialistes des sciencesde la cognitionet les ingénieurs.Pas parce que les
processus qu’utilise le cerveau, lorsqu’ils sont connus, sont nécessairement à copier
maisparcequ’unéchangeréciproquenepeutqu’enrichirlesconnaissancesdesunset
desautres.DetellescoopérationssonttropraresenFrance,etjeremercielesauteurs
decelivredes’êtreadresséàunPhysiologistepourpréfacerleurouvrage.
Lecheminestensuitethéorique.Noussavonspeudechosessurlesprocessuscérébraux
quipermettentdereconnaîtreavecunegrandefinesselaforme d’unobjetenmouve-
ment. Au fond, nous savons peu de chose sur la perception du mouvementet sur les
mécanismesquipermettentaucerveaudemettreencorrespondanceletoucheretlavi-
sion.Noussavonsenfinpeudechosesurlafaçondontlecerveaurésoutlesproblèmes
dedélai.J’aieul’impression,enlisantcelivre,quedesproblèmesthéoriquesmajeurs
sont encore à résoudre dans ledomaine de l’algorithmique, en particulier concernant
les problèmes tridimensionnels. La représentation de l’espace 3D, la reconnaissance
des objets, posent des problèmes de géométrie encore non résolus, les capteurs sont
encoreàperfectionnermaisaussilesthéoriessurletraitementdeleursdonnées.Nous
savonsquelecerveaupeutrésoudreleproblèmedugrandnombrededegrésdelibertéà
contrôler,qu’ilanticipe,présélectionneetfaitdeshypothèsessurlesdonnéesdessens.
Cescapacitésdeprédiction,d’anticipation,d’utilisationdelamémoirepourprédirele
futurpermettentdesimplifierla"neurocomputation".Noussavonsaussiquel’analyse
dumondeextérieurutilisedes"modèlesinternes"desloisdelamécaniqueetdeslois
physiques.Faut-ilintégrerdetelsprocessusdanslessystèmesdecontrôleetd’analyse
dessystèmesderéalitévirtuelle?Faut-ileninventerdemeilleurs?Voilàledéfi,etce
livre sera utile à tous ceux qui veulent le relever. Il sera aussi utile au moment ou la
réalitévirtuelledonnelieuadesréseauxd’excellenceauniveauEuropéen.
Alain Berthoz est Professeur au Collège de France. Il est le directeur du Laboratoire
dePhysiologiedelaPerceptionetdel’ActionCNRSCollègedeFrance.Ilestl’auteur
desouvrages"Lesensdumouvement"(1997)et"Ladécision"(2003)publiéschezO.
Jacob.
[Berthoz,1985] A.Berthoz(1985). Adaptativemechanismsineye-headcoordination.
InA.BerthozetG.M.Jones,editors,Adaptativemechanismsingaze
control,pages177–201.Elsevier.
[Jonese.a.,1985] G. M. Jones et A. Berthoz (1985). Mental control of the adaptative
process. InA.BerthozetG.M.Jones,editors,Adaptativemechanisms
ingazecontrol,pages203–208.Elsevier.
[Jonese.a.,1984] G.M.Jones,A.Berthoz,etB.Segal. Adaptativemodification ofthe
vestibulo-ocular reflex by mental effort in darkness. Exp Brain Res,
(56):149–153(1984).
iii
[Tsuzukue.a.,1995] T. Tsuzuku, E. Vitte,A. Semont, et A. Berthoz. Modification of pa-
rametersinverticaloptokineticnystagmusafterrepeatedverticalopto-
kineticstimulationinpatientswithvestibularlesions. ActaOtolaryn-
gol.Suppl,(520Pt2):419–422(1995).
[Vittee.a.,1994] E.Vitte,A.Semont,etA.Berthoz. Repeatedoptokineticstimulation
inconditionsofactivestandingfacilitatesrecoveryfromvestibularde-
ficits. Exp.Brain.Res,(102):141–148(1994).
iv Letraitédelaréalitévirtuelle-P.Fuchs,G.Moreau-(c)lesPressesdel’Ecoledesmines
AVANT PROPOS
Depuis une dizaine d’années, la réalité virtuelle s’est développée en France. Celle-ci
ouvre potentiellement de nouvellesperspectivespour notre société. Mais soyons réa-
listes,laréalitévirtuelleinduitd’abordbiendesdéfisscientifiquespourleschercheurs
etpourlesindustriels.Nousavonsparticipéavecenthousiasmeàl’éclosiondelaréalité
virtuelleenFrance,conscientsdel’immensitédelatâche.Durantcettedécennie,nous
avonsdéveloppé,entreautres,desconnaissancespourl’interfaçageenenvironnement
virtuel et conçu des méthodes pour la réalité virtuelle, tant sur le plan technique que
surleplanhumain.
Parallèlementànosprojetsderecherche,nousavonssouhaitéfaireuntravaild’infor-
mationsurlesavancéesdudomaine.En1996,PhilippeFuchsarédigéunpremierlivre
«Les Interfaces de la Réalité Virtuelle». En 2001, Guillaume Moreau, Jean-Paul Pa-
pinetPhilippeFuchs,conscientsdel’absencedelivrerécentenfrançais,ontécritune
premièreéditiondu«TraitédelaRéalitéVirtuelle».Celivrecouvraitplusieursaspects
dudomaine,l’objectifdel’ouvrageétantdefourniràmoyenstermesundocumentde
référencesurlaréalitévirtuelle,d’oùleterme«Traité».
Mais personne ne peut avoir une vision globale et précise de tous les secteurs de la
réalitévirtuelle.Nousavonssouhaitévivementqued’autreschercheursparticipentàla
rédactiondutraitédanscettedeuxièmeédition,soitpourécriredenouveauxchapitres,
soitpourcompléterdeschapitresexistants.Noussommesprofondémentreconnaissant
àtouslesnouveauxauteursdeladeuxièmeédition,quiontbienvouluparticiperàsa
rédaction. Nous sommes heureux de leur contribution qui ne s’est pas limitée à une
rédaction isolée de leur chapitre. Plusieurs chapitres de la première édition ont été
complétésetamélioréssuiteàdesdiscussionsfructueusesentreauteurs.Denouveaux
chapitresontétérédigésàplusieurspardeschercheursquicollaborentsurdesprojets
communs. Nos remerciementss’adressentaux chercheursetcollèguesde l’ÉNIB,de
l’IRISA,del’INRIA,del’AFPA, del’ÉcoledesminesdeParis,duCNRS ainsiqu’à
l’ensemble des chercheurs impliqués dans le projet PERF-RV pour leur contribution
essentielleautraité.
Notreambitionestdeproposerdeséditionsdutraitéréactualisées,sachantqu’uneré-
édition périodique est possible grâce à la réactivité des Presses de l’École des mines
de Paris. Les apports complémentaires de chercheurs dans les domaines des simula-
tions acoustiques, des retours d’effortet des sciences cognitivesdevraient étoffer les
prochaineséditionsdutraité.
Nous désironsaussi profiter de l’essor des nouveauxmoyens d’information : en pro-
posantuneversionconsultablesurnotresiteweb(ettéléchargeablegratuitement1pour
les étudiants), nous espérons une plus grande interactivité avec le lecteur qui pourra
donner enlignesonpointdevueetsescritiques,quenousaccepteronsvolontiers.Et
enétantoptimiste,dansunfuturplusoumoinsproche,quandlelivreélectroniquesera
performant,exploitableetexploitéàlaplacedulivrepapier,l’interactivitépourraêtre
1Laversionélectroniquen’estgratuitequepourlesétudiants.Nousespéronsquecetterègleserarespectée
partous.
vi Letraitédelaréalitévirtuelle-P.Fuchs,G.Moreau-(c)lesPressesdel’Ecoledesmines
plusgrandeentreauteursetlecteurs.Ceciinduiraunnouveaumoyendecommunica-
tion:l’INTERLIVRE,puisqu’ilseraINTERactif,téléchargeablesurINTERnet,rédigé
INTERauteursetINTERdisciplinairedanssoncontenu.
Noustenonsàremerciertouteslespersonnesquinousontaidésdansnosrechercheset
danslaréalisationdece livre,enparticulier noscollègues,les entreprisesnousayant
fourni des informations et des photographies ainsi que Catherine Delamare, respon-
sable des Pressesde l’Ecoledes Mines deParis. Nous exprimonsnotre gratitudeaux
relecteurs, Jean Serra et Gérard Subsol, dont les conseils ont contribué à améliorer
notremanuscrit.
Nosremerciementss’adressentaussiauprofesseurAlainBerthozduCollègedeFrance,
quinoussoutientdansnotreprojetetquiaeulagentillessedepréfacernotrelivre.
Nous espérons, cher lecteur, que vous apprécierez ce traité, comme nous avons pris
plaisiràlerédigeraveclesautresauteursetàtransmettrenosidées.
PhilippeFuchsetGuillaumeMoreau.
LES AUTEURS
Philippe Fuchs est à l’initiative du «Traité de la réalité virtuelle» et dirige la rédac-
tion de l’ouvrage, dont c’est la deuxième édition. Professeur à l’Ecole des Mines de
Paris,ilestleresponsabledel’équipeRéalitéVirtuelleetRéalitéAugmentée.Sesre-
cherchesconcernentlesaspectsthéoriquesettechniquesdel’interfaçageenRV.Dans
cettedeuxièmeédition,ilestauteuroucoauteurdeschapitres1,2,3,5,6,7,8,9,10,
11,12et13duvolume1.
([email protected]/Fr/Recherche/RV-RA)
GuillaumeMoreauestlecoordonnateurdu«Traitédelaréalitévirtuelle».Maîtrede
conférences en informatique à l’Ecole Centrale de Nantes, ses activités de recherche
sedéroulentauCERMAetportentsurl’utilisationdesoutilsderéalitévirtuellepour
l’étude des ambiances architecturales et urbaines ainsi que sur la reconstruction 3D
d’environnementsvirtuelsurbains.Ilestauteurdeschapitres2et3duvolume2.
([email protected])
BrunoArnaldi,professeuràl’INSAdeRennes,estleresponsableduprojetSIAMES
àl’IRISA.Ilestàl’initiativeetleresponsabledelaplate-formeRNTLPERF-RV,qui
rassembleenFrancedescentresderechercheetdesentreprisesdéveloppantdesappli-
cationsindustriellesaveclestechniquesderéalitévirtuelle.Ilestauteuroucoauteurdu
chapitre1duvolume1etdeschapitres5et6duvolume2.
([email protected]/siames)
JeanMarieBurkhardtestdocteurenpsychologie,maîtredeconférencesenErgono-
mie au Laboratoire d’ErgonomieInformatique (LEI) à l’Université Paris V, actuelle-
mentendélégationàl’INRIA.Sesrecherchesportent,d’unepart,surlaconceptionet
l’évaluationdesenvironnementsvirtuelset,d’autrepart,surl’étudepsychologiquedes
activitésdeconception.Il estcoauteurduchapitre2duvolume 1etduchapitre7 du
volume2.
([email protected]/leiethttp://eiffel.inria.fr)
Alain Chauffaut est ingénieur de recherche dans l’équipe SIAMES à l’INRIA de
Rennes. Ilestchargédelamiseà dispositionde laplate-forme distribuéeOpenMask
pourlaréalitévirtuelle.Ilestcoauteurduchapitre5duvolume2.
([email protected]/siames)
Sabine Coquillart est directeur de recherche à l’INRIA Rhône-Alpes. Elle anime le
groupe i3D INRIA-GRAVIR, dont lesrecherches sontfocalisées sur l’interaction3D
etplusparticulièrementl’interaction3Denenvironnementsvirtuels.Elleafaitpartie
des comités de programme des conférences de réalité virtuelle IEEE VR, EG-VE et
IPT.Elleestcoauteurduchapitre13duvolume1.
viii Letraitédelaréalitévirtuelle-P.Fuchs,G.Moreau-(c)lesPressesdel’Ecoledesmines
([email protected])
StéphaneDonikianestchargéderechercheauCNRS-IRISAUMR6074.Sesaxesde
recherche sont la modélisation du comportement humain, l’animation comportemen-
tale, lesenvironnementsvirtuelsinformés,lascénarisationd’environnementsvirtuels
narratifsetinteractifs.Ilestcoauteurduchapitre5duvolume2.
([email protected]/prive/donikian)
ThierryDuvalestmaîtredeconférenceseninformatiqueàl’universitédeRennes1et
faitpartiede l’équipeSIAMES del’IRISA. Sonaxede rechercheestles interactions
coopérativesenuniversvirtuelspartagés.Ilestcoauteurduchapitre5duvolume2.
([email protected])
JérômeGrosjeanestdoctorantdansl’équipei3Ddel’INRIA.Sesaxesderecherche
concernentl’interaction3Detplusparticulièrementlecontrôled’applicationenenvi-
ronnementvirtuelimmersif.Aucoursdesathèse,iladéveloppéleC3(Commandand
ControlCube)etQuikwriteVR.Ilestcoauteurduchapitre13duvolume1.
([email protected])
FabriceHarrouetestmaîtredeconférencesauLaboratoired’IngénierieInformatique
de l’ENI Brest. Il oeuvre à la réalisation d’ARéVi, une plate-forme de simulation et
de rendu individu-centrée. Il enseigne la programmation système, les techniques de
compilationetlerendu3D.Ilestcoauteurduchapitre4duvolume2.
([email protected]/li2)
EvelyneKlinger,ingénieurdel’ENST,estchargéedeprojetsenréalitévirtuelleetde
coursdanscedomaineàl’ENSIdeCaen.Sestravauxsontactuellementorientésvers
laconstructiond’environnementsvirtuelspourletraitementdetroublespsychiatriques
etneurologiques.Elleestcoauteurduchapitre8duvolume2.
([email protected]/vepsy)
DomitileLourdeauxestingénieurderechercheeninformatiquedansl’équipeRéalité
VirtuelleetRéalitéAugmentéeauCentredeRobotiquedel’ÉcoledesMinesdeParis.
Ses recherches portent sur la conception d’environnements virtuels et l’intelligence
artificiellepourgérerlessituationsd’apprentissageenenvironnementvirtuel.Elleest
coauteurduchapitre7duvolume2.
([email protected]/Fr/Recherche/RV-RA)
Daniel Mellet d’Huart est chef de projet à l’AFPA (Association nationale pour la
formationprofessionnelledesadultes).Iltravaillesurlesusagesdelaréalitévirtuelle
pourfaciliterlesapprentissagesetsurl’ingénieriedeconceptiond’environnementsvir-
tuelspourl’apprentissage.IlmènedesrecherchesavecleLaboratoired’Informatique
de l’Université du Maine (LIUM) et l’Ecole des Mines de Paris. Il est coauteur du
chapitre7duvolume2.
ix
([email protected])
Alexis Paljic est doctorant dans l’équipe i3D de l’INRIA. Il travaille sur l’interac-
tion3Detlesaidesàlacoopérationentreutilisateursdanslesenvironnementsvirtuels
coopératifs,notammentleretourd’effort,ainsiquesurl’ergonomieetlesfacteurshu-
mains enenvironnementvirtuelsimmersifs.Il estcoauteurduchapitre 13duvolume
1.
([email protected])
Jean-PaulPapin,Médecinchefdesservices(cadrederéserve)duservicedesantédes
arméesmènedesrechercheauLaboratoiredeRobotiquedeVersailles(LRV).Sesaxes
derecherchesconcernentl’utilisationdelaréalitévirtuellepourfaciliterlanavigation
terrestre et maritime, la diffusioncontrôlée des odeurs dans les environnementsréels
et virtuelle, le développementdes simulateur de formation médicale. Il est auteur ou
coauteurdeschapitres3,4,9,14et15duvolume1.
([email protected])
PanagiotisStergiopoulosestdoctorantauCentredeRobotiquedel’EcoledesMines
deParis.Sesrecherchesportentsurlaconceptiond’interfaceshaptiquesetsurlesal-
gorithmesd’interactionpourlaréalitévirtuelle.Ilestcoauteurduchapitre8duvolume
1.
([email protected]/Fr/Recherche/RV-RA)
Jacques Tisseau est Professeur des Universités en Informatique à l’Ecole Nationale
d’Ingénieurs de Brest où il dirige le Centre Européen de Réalité Virtuelle. Ses re-
cherches portentsur l’autonomisationdes entitésvirtuelles,l’interactionavec cesen-
tités autonomes et l’épistémologie de la réalité virtuelle. Il est auteur ou coauteur du
chapitre1duvolume1etduchapitre4duvolume2.
([email protected]/li2)
IsabelleViaud-Delmon,ChargéedeRechercheauCNRSauLaboratoireCNRSUMR
7593 "Vulnérabilité, Adaptation et Psychopathologie" de l’hôpital de la Salpêtrière.
Son axe de recherche est centré autour de l’utilisation de la réalité virtuelle en psy-
chiatrieàdesfinsdiagnostiques,thérapeutiquesetexpérimentales.Laréalitévirtuelle
visuelle et auditive est utilisée comme outil pour étudier les caractéristiques de l’in-
tégration sensorielle et cognitive des personnes sensibles à la déréalisation. Elle est
coauteurduchapitre8duvolume2.
([email protected])
