Evaluation de métaphores d’interaction pour le travail collaboratif entre sites distants d’immersion virtuelle

La réalité virtuelle

En 1965, Ivan Sutherland a décrit avant de le mettre en œuvre un dispositif de type visiocasque permettant à un utilisateur d’interagir avec un monde virtuel (Sutherland, 1965). Le terme RV a été inventé par Jaron Lanier (Lanier, 1988) pour décrire une technologie permettant de créer et appréhender une réalité synthétisée et partageable par plusieurs utilisateurs. Le terme anglophone « Virtual Reality » est sans doute plus pertinent car plus proche de la notion de réalité augmentée par le virtuel que la traduction française le laisse entendre (association de deux mots antinomiques).
La définition de la réalité virtuelle a longtemps fait l’objet d’intenses débats dans les communautés scientifiques, artistiques et philosophiques, les significations du terme RV changeant d’un groupe à l’autre. En effet, il n’existe pas de définition universelle. La RV peut être définie d’un point de vue technologique comme constituée d’une série de périphériques d’entrée qui stimulent à un niveau élevé nos sens (par exemple, les visiocasques qui offrent une visualisation immersive). Selon Ellis, la RV est une interface avancée d’interaction entre l’homme et la machine. Cette interface simule un environnement réaliste et permet l’interaction avec cet environnement (Ellis, 1994).
La RV peut être également définie d’un point de vue psychologique comme un modèle sensoriel qui donne l’impression d’être dans un espace généré par ordinateur. Pour Slater (Slater & Usoh, 1994), la RV représente une réalité réelle ou simulée dans laquelle l’utilisateur croit qu’il est alors que son corps est dans un environnement qui reste physique. Cet environnement synthétique procure la sensation psychologique d’être présent dans l’environnement (« being there »). L’utilisateur perçoit l’information sensorielle comme étant corrélée avec sa proprioception (perception de son corps dans l’environnement).

Applications de la réalité virtuelle

La réalité virtuelle trouve des applications dans de nombreux domaines différents que la liste non-exhaustive suivante illustre. Plus d’informations sont proposées dans le traité de la réalité virtuelle (volume 4) (Arnaldi et al., 2006).
Enseignement : La RV est un outil puissant pour l’éducation. En effet, des études ont montré que l’apprentissage était grandement facilité par l’accompagnement d’image par rapport à un texte brut. La RV offre en plus des images des environnements multi sensoriels immersifs qui favorisent l’implication et la participation des apprenants et facilitent ainsi le processus d’enseignement (Bowman, Hodges, Allison, & Wineman, 1999) (Bell & Fogler, 2004) (Juan De & Manuel , 2000).
Architecture et patrimoine :La RV permet la visualisation et l’inspection 3D d’une construction avant de commencer sa réalisation physique (Herder, Worzberger, Twelker, & Albertz, 2002) (Kahkonen & Whyte , 2003). Les technologies utilisées dans les applications de RV pour l’architecture sont une prolongation des techniques de CAO, par ajout de textures, de l’éclairage dynamique pour une simulation réaliste de la scène, du son. Il faut également noter que l’utilisation de dispositifs d’affichages immersifs permet de donner aux utilisateurs l’illusion de visualiser une vraie structure. Des travaux existent aussi pour restituer un bâti détruit ou partiellement détruit (De Luca, Véron, & Florenzano, 2006).
Santé :Les médecins ont accès de plus en plus à un volume d’information important et à des formats de données différents, par exemple les images de type IRM (imagerie par résonance magnétique), TAI (tomographie axiale informatisée), EEG (électroencéphalogramme), des ultrasons et des rayons X. Grâce à la RV, les utilisateurs peuvent visualiser de grandes quantités d’informations en naviguant à travers des modèles 3D, par l’intermédiaire des dispositifs d’entrées et d’affichages adaptés.
La RV peut être utilisée pour l’analyse de mouvement, la réadaptation et la physiothérapie (Deutsch, Latonio, Burdea, & Boian, 2001). Par exemple le projet ANR SIMACTION vise à développer de nouvelles méthodes de rééducation afin d’améliorer en qualité et en rapidité la fonction motrice chez des sujets atteints de déficiences dues à des lésions centrales ou au vieillissement (Chevaldonne, Saimpont , Merienne , & Pozzo , 2006). Dans le même ordre d’idées, les environnements virtuels peuvent accompagner l’apprentissage d’un geste sportif ou technique. Par exemple, il est plus facile d’apprendre à jongler si les séances d’entraînement sont effectuées dans un environnement avec une gravité réduite (que seule permet la RV).

Périphériques d’entrée pour l’interaction

Les dispositifs d’entrée ont une influence très importante sur les performances des utilisateurs dans les EVs. Parmi les plus connues, il existe trois taxonomies permettant de classer les dispositifs d’entrée : la taxonomie de Buxton (Buxton, 1983), la taxonomie de Card, Mackinlay et Robertson (Card et al., 1991), et la taxonomie de Jacob et Sibert (Jacob & Sibert, 1992). Buxton a créé une taxonomie bidimensionnelle représentant le nombre de dimensions spatiales qu’un dispositif peut détecter (qui ne doit pas être confondu avec le nombre de degrés de liberté offerts par le dispositif), ainsi que les actions senties (position, mouvement ou pression) (Buxton, 1983). Cependant, cette taxonomie inclue seulement les dispositifs continus. Card et al, ont développé leur propre taxonomie pour inclure des entrées discrètes et continues, où les dispositifs discrets mesurent seulement une valeur booléenne et les dispositifs continus sont habituellement capables de mesurer un nombre «infini» de valeurs (Card et al.,1991). Cependant, ces taxonomies tendent à traiter les dispositifs qui produisent la même information et ignorent les qualités subjectives du dispositif. Jacob et Sibert ont ajouté un facteur important aux deux taxonomies précédentes en considérant deux composants d’interaction (Jacob & Sibert, 1992) : les propriétés physiques du dispositif d’entrée et la structure perceptuelle de l’espace de la tâche. En d’autres termes, comment la tâche est perçue joue un rôle crucial dans la façon dont le dispositif d’entrée est utilisé pour accomplir une tâche.

Périphériques d’affichage pour l’interaction

Les dispositifs de sortie permettent de fournir des informations sensorielles à l’utilisateur. Ils incluent des dispositifs d’affichage, les dispositifs sonores et les dispositifs haptiques. Dans ce qui suit, nous présentons seulement les dispositifs d’affichage.
Écrans d’ordinateur :Les écrans d’ordinateurs sont parmi les dispositifs d’affichage les plus communs en RV, principalement en raison de leur disponibilité et bas coût. Zheng et al décrivent le moniteur d’ordinateur de bureau comme un dispositif d’affichage espace-constant (Zheng, McConkie, & Schaeffe, 2003). C’est-à-dire que tout en navigant dans un EV, l’utilisateur peut changer la position et l’orientation de la caméra dans l’EV tandis que le moniteur et l’utilisateur restent stationnaires. Par conséquent, il n’y aura aucune rétroaction proprioceptive ou vestibulaire disponible à l’utilisateur.
Workbench :Les workbenchs fournissent habituellement une ou deux images de projection et offrent un champ de vision considérablement plus grand qu’un simple écran d’ordinateur .
L’affichage est souvent projeté d’une façon stéréoscopique pour visualiser la scène en relief. Généralement, les workbenchs fournissent un niveau de résolution spatiale très élevé. Ils sont également intuitifs pour certains types d’application (comme par exemple la visualisation de données scientifiques). Cependant, comme avec les écrans d’ordinateurs, la mobilité de l’utilisateur est limitée lorsqu’il utilise un workbench.
Murs de projection :La scène est projetée sur une surface à l’aide d’un ou plusieurs projecteurs pour avoir un grand volume d’affichage.
CAVE :Ce dispositif utilise quatre à six écrans d’affichage disposés dans une configuration cubique qui entoure les utilisateurs. La scène est projetée sur les écrans depuis l’extérieur de l’espace de l’utilisateur . Les utilisateurs peuvent se déplacer physiquement dans le CAVE (pour des petits déplacements cependant). Ce type de dispositif représente un investissement significatif limitant son accessibilité. Également, il nécessite un espace physique considérable.
Visiocasque :Le visiocasque (ou HMD pour Head Mounted Display) est un dispositif de vision stéréoscopique, doté de deux écrans miniatures, un devant chaque œil, permettant à l’utilisateur une perception en relief des images de synthèse générées par l’ordinateur et une immersion dans le monde virtuel. Les HMDs ne sont pas particulièrement confortables à l’usage. Ils sont non seulement relativement lourds (le HMD V8 pèse approximativement 1 kilogramme), mais le centre de gravité est souvent à l’avant et incline la tête vers l’avant donc. Cependant, le visiocasque est le seul dispositif de visualisation permettant une totale immersion tout en restant portatif et compact d’utilisation .

Environnements virtuels collaboratifs EVCs

Selon Gibson « Les EVCs sont des systèmes distribués de RV qui offrent des environnements graphiquement, potentiellement infinis, numériques. Dans ces environnements, les individus peuvent partager l’information par l’interaction les uns avec les autres et par l’interaction collaborative et individuelle la représentation de données » (Gibson, 1989).
Churchill trouve que cette définition est restrictive. Selon lui, un EVC est un espace virtuel créé par ordinateur et distribué. Dans cet espace, les utilisateurs peuvent se réunir et agir sur des objets virtuels. L’espace virtuel peut être représenté par de simples environnements textuels ou même par de riches scènes 3D partagées (Churchill, Snowdon, & Munrr , 2001).
Nous pensons que les deux définitions sont exactes mais elles ne sont pas complètes. En effet, il existe une différence majeure entre les systèmes de RV distribuée et les systèmes de RV collaborative. Cette différence se justifie par le fait que la RV collaborative nécessite des échanges et des interactions entre les participants pour pouvoir réaliser une tâche. Dans une application de RV distribuée, les entités se côtoient, peuvent interagir ; mais le but de l’application peut être atteint par chacune d’entre elles séparément.
Dans ce contexte nous proposons la définition suivante : « Un EVC est un espace virtuel de travail géré par un système informatique, permettant de regrouper plusieurs utilisateurs dans le même espace virtuel, les participants sont engagés dans les mêmes tâches en se coordonnant pour résoudre ensemble le même problème. Un EVC doit favoriser le partage des données, la communication et la production d’un résultat final » .

Table des matières

Chapitre I – Introduction
I.1 – Contexte de recherche
I.2 – Problématiques
I.3 – Questions de recherche
I.4 – Contributions
I.5 – Structure de la thèse
Chapitre II – État de l’art
II.1 – Introduction
II.2 – La réalité virtuelle
II.2.1 – Définitions
II.2.2 – Applications de la réalité virtuelle
II.2.3 – Interaction 3D
II.2.4 – Techniques et métaphores d’interaction 3D
II.2.5 – Périphériques d’entrée pour l’interaction
II.2.6 – Périphériques d’affichage pour l’interaction
II.3 – Communication
II.3.1 – Modèle de communication de Shannon et Weaver
II.3.2 – Communication interpersonnelle
II.3.3 – Collaboration
II.4 – Environnements virtuels collaboratifs EVCs
II.4.1 – Introduction
II.4.2 – Définition
II.4.3 – Affordances des EVCs pour la collaboration à distance
II.4.4 – Plateformes du travail collaboratif existantes
II.4.5 – Études empiriques dans les EVC
II.5 – Conclusion
Chapitre III – Approche scientifique
III.1 – Introduction
III.2 – Problématique scientifique
III.3 – Méthode d’évaluation
III.3.1 – Introduction
III.3.2 – Choix de la technique d’évaluation
III.4 – Mesures
III.4.1 – Mesures subjectives
III.4.2 – Mesure objective
III.4.3 – Description des mesures
III.5 – Conditions expérimentales
III.5.1 – Sélection/Manipulation
III.5.2 – Navigation
III.6 – Conclusion
Chapitre IV – Technologies développées
IV.1 – Introduction
IV.2 – Tracking 3D
IV.2.1 – Problématique
IV.2.2 – Description du système
IV.2.3 – Calibrage d’un système de stéréovision
IV.2.4 – Détection des marqueurs infrarouges
IV.2.5 – Mise en correspondance des marqueurs infrarouges
IV.2.6 – Stabilisation et performances
IV.2.7 – Matériel
IV.2.8 – Couplage tracking 3D Wiimote
IV.3 – Applications
IV.3.1 – Navigation
IV.3.2 – Manipulation
IV.4 – Plateforme Braccetto
IV.5 – Collaboration distante entre deux Braccettos
IV.5.1 – Architecture réseau
IV.5.2 – Distribution des données
IV.5.3 – Protocole de communication
IV.5.4 – Principe de fonctionnement
IV.6 – Conclusion
Chapitre V – Expérimentations
V.1 – Expérimentation sur la navigation 3D en EVC
V.1.1 – La navigation 3D
V.1.2 – L’étude expérimentale
V.2 – Expérience sur la manipulation 3D en EVC
V.2.1 – La manipulation 3D
V.2.2 – L’étude expérimentale
V.3 – Conclusion
Chapitre VI – Conclusion et perspectives
VI.1 – Introduction
VI.2 – Contributions
VI.2.1 – État de l’art
VI.2.2 – Système de tracking optique
VI.2.3 – Applications
VI.2.4 – Evaluations
VI.2.5 – Critères de conception
VI.3 – Limitations
VI.3.1 – Limitations technologiques
VI.3.2 – Limitations liées à l’évaluation
VI.4 – Perspectives
VI.4.1 – Retour d’effort à l’échelle 1
VI.4.2 – Travail collaboratif asymétrique
VI.4.3 – Plateforme multiutilisateurs
VI.4.4 – Analyse linguistique et charge cognitive
VI.4.5 – Vers un modèle comportemental du travail collaboratif
Bibliographie
Annexe A : Questionnaires
Questionnaire d’entrée
Questionnaire de navigation
Questionnaire de manipulation
Annexe B : Protocole d’expérience
Annexe C : La Stéréovision

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