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Panorama des solutions industrielles et normatives
Nous souhaitons proposer un formalisme permettant la création d’interfaces graphiques 3D sur le Web pour la visualisation et l’exploration de grands ensembles de données. Afin d’intégrer au mieux notre projet dans l’écosystème du Web, nous devons donc nous intéresser à la fois aux types de contenu 3D qui sont/seront présents sur le Web, à leurs usages ainsi qu’aux formats et aux standards qui existent ou seront bientôt disponibles. Nous devons aussi déterminer plus précisément le type de données qui seront ou non utilisables par notre formalisme, et à travers quelles technologies. Dans ce chapitre, nous présentons donc ces deux grands domaines connexes à notre problématique : le Web 3D et les technologies de gestion de contenu. En section 2.1, nous revenons sur l’évolution de l’intégration de contenus 3D sur le Web, et nous présentons le contexte actuel du Web 3D ainsi que les défis qu’il lui faut relever afin de se démocratiser. En section 2.2, nous présentons un point rapide sur l’évolution des interfaces pour la création, la visualisation et la manipulation de contenu 3D. En section 2.3, nous présentons les technologies permettant de proposer du contenu 3D interactif sur le Web. Puis nous présentons un rapide état de l’art des technologies de gestion de données en section 2.4. Enfin, en section 2.5, nous présentons nos conclusions sur les technologies 3D et de gestion de données sur le Web, dans le contexte de la visualisation de grands ensembles de données.
Du Web au Web 3D
Le Web 3D
En 1994, Mark Pesce et Toni Parisi étudient la possibilité de visualiser et de naviguer dans des environnements 3D sur le Web et présentent Labyrinth [68] à la première Conférence World Wide Web à Genève. Un forum est alors mis en place pour la conception des spécifications du VRML (Virtual Reality Modeling Language, [16, 21]), un langage multi plates-formes en liaison avec le World Wide Web, utilisable dans les clients de visualisation, les outils auteurs, et diverses applications. Ce forum évolue et devient le consortium VRML. Pour refléter les évolutions du VRML et l’émergence de nouveaux outils pour la 3D sur le Web (java3D, MPEG4, …), le VRML Consortium devient le Consortium Web3D [92]. Les évolutions technologiques et l’émergence du langage XML (Extensible Markup Language, [15]), ont entrainé l’apparition d’un nouveau format baptisé X3D (eXtensible 3D, [22]), ayant comme contrainte d’être rétro-compatible avec VRML. Le but du consortium Web3D a toujours été de permettre l’affichage et la navigation à l’intérieur d’environnements virtuels intégrés au Web, proposant ainsi une nouvelle alternative aux sites Web. Cependant, un abus de langage entraîne souvent l’utilisation du terme « Web 3D » pour désigner l’utilisation de la 3D sur le Web, au travers de contenus 3D généralement interactifs intégrés à des pages Web en HTML (Hypertext Markup Language) et affichables par les navigateurs Web. La définition actuelle du Web 3D regroupe ces deux concepts (voir définition 2.1.1).
Définition 2.1.1 Le Web 3D un système rassemblant un ensemble d’environnements 2D et 3D interactifs et inter-connectés, permettant tout type d’applications (simulation immersive pour l’apprentissage, réseau social, jeu en ligne, . . . ), et à l’intérieur desquels les utilisateurs se déplacent et interagissent avec le contenu de manière naturelle.
Driver et al. [26].
D’après Driver et al., le Web 3D inclura les outils et technologies du Web 1.0, du Web 2.0 et proposera de nouvelles technologies spécifiques aux environnements 3D, favorisant ainsi l’immersion de l’utilisateur et une augmentation significative de la collaboration entre utilisateurs. D’autres terminologies sont parfois utilisées pour définir l’intégration de contenus 3D interactifs dans l’Internet. Ainsi, le terme Métavers (metaverse en anglais, pour méta univers) a été employé pour la première fois dans le roman Le Samouraï virtuel (titre original : Snow Crash, [83]) de Neal Stephenson paru en 1992. Dans cette fiction, Neal Stephenson décrit un monde virtuel dans lequel chacun se déplace grâce à une représentation de lui-même qu’il nomme déjà un avatar. Le centre de ce monde est une rue immense bordée de bâtiments en tous genres et de néons publicitaires, et possédant des rues secondaires. Toute personne peut construire un bâtiment le long de ces rues, moyennant l’obtention d’un permis de construire. Ce monde, peuplé d’avatars et de bâtiments divers (restaurants, magasins, résidences,…), est appelé « le Métavers ». Les humains s’y connectent depuis leur ordinateur en utilisant des lunettes spécifiques permettant une forte sensation d’immersion dans le Métavers. Bien qu’intéressante, cette vision du métavers est restrictive de par son analogie poussée avec le monde réel (modélisation du monde par une boule géante, des rues dans une ville, nécessité d’utiliser des véhicules pour se déplacer plus rapidement d’un point à un autre, …).
En 2006, Peter Flinn [36] définit le terme VERSE comme un environnement de simulation temps réel de terre virtuelle (Virtual Earth Realtime Simulation Environment). Tout comme Internet est un réseau de réseaux, un Intervers pourrait être un réseau de VERSEs. Il s’agirait donc d’un réseau mondial de mondes virtuels auxquels l’utilisateur se connecterait à travers une interface unique. Nous pourrions alors parler d’Intravers pour un réseau de mondes virtuels privés et d’Extravers pour un réseau de mondes virtuels privés accessibles à une ou plusieurs organisations. Actuellement, le Métavers est plus généralement défini comme un environnement virtuel continu, tandis que le Web 3D fait référence à un ensemble de micro-mondes interconnectés, de type pages Web en 3D. Ces différentes terminologies représentent donc de manière générale le même concept et nous emploieront plus généralement le terme Web 3D dans la suite du document, car il suggère un parallèle intéressant avec le Web actuel. Dans la section suivante, nous étudions les défis à relever pour le déploiement d’un véritable Web 3D.
Interfaces graphiques 3D et environnements virtuels
Définition 2.1.2 Une scène 3D est un espace tridimensionnel contenant un ensemble d’objets 3D pouvant avoir des propriétés physiques et des comportements.
Définition 2.1.3 Une interface graphique représente l’ensemble des composants graphiques, textuels et auditifs permettant à l’utilisateur d’interagir avec une application.
Définition 2.1.4 Une interface graphique 3D est une interface graphique dans laquelle les éléments peuvent être représentés et positionnés dans un espace tridimensionnel.
Définition 2.1.5 Un environnement virtuel est une scène ou un ensemble de scènes représentée(s)
dans un espace à une, deux ou trois dimensions, à l’intérieur de laquelle l’utilisateur peut être représenté par un avatar. Un environnement est qualifié de persistant s’il existe et évolue en permanence.
Définition 2.1.6 Un avatar est un objet graphique fixe ou animé (comme par exemple un personnage de synthèse), généralement de type humanoïde, symbolisant l’utilisateur au sein de l’environnement virtuel. L’avatar est personnalisable et peut, entre autre, se déplacer, interagir avec l’environnement et interagir avec d’autres avatars.
Les robots virtuels permettent de peupler artificiellement un environnement virtuel, ou peuvent avoir
une fonction précise comme celle de guide ou d’assistant virtuel.
Dans le cadre de notre étude, nous nous intéressons plus particulièrement aux interfaces graphiques permettant la présentation dans un espace (ou un ensemble d’espaces) tridimensionnel(s) du résultat d’une requête sur un ensemble de données. Une interface graphique sera alors dite immersive lorsqu’elle propose un ou plusieurs paradigme(s) de navigation(s) complet(s). Par exemple, l’utilisateur peut explorer l’interface graphique en se déplaçant sur un terrain respectant la gravité (en mode « marche ») ou de manière libre (en mode « survol »). Lors de la navigation, les mouvements sont considérés comme effectués par la caméra représentant l’utilisateur dans la scène. Celui-ci est alors souvent représenté par un avatar. Dans une interface non immersive, l’utilisateur « examine » les différents objets du monde et n’est généralement pas représenté. Lors de la navigation, nous pouvons alors considérer que les mouvements sont effectués dans la scène face à une caméra fixe. Un environnement virtuel est ainsi considéré comme une interface graphique immersive (voir figure 2.1(a)) tandis que la présentation d’un catalogue d’objets est considéré comme une interface graphique non immersive (voir figures 2.1(b) et 2.1(c)). Dans ce rapport, nous étudions les interfaces graphiques 3D en réseau (Internet, réseau privé, etc.) immersives ou non.
Les environnements virtuels tridimensionnels se subdivisent en diverses catégories en fonction de leur utilisation principale. Les plus courants sont divisés entre jeux en ligne, comme les MMORPG (jeux de rôle en ligne massivement multi-joueurs), et les réseaux sociaux virtuels, plus récents mais dont le nombre d’utilisateurs augmente rapidement depuis quelques années. D’autres types d’environnements virtuels, présents généralement sur des réseaux plus restreints, sont également développés dans le domaine de l’éducation, de la simulation, ou de la collaboration. Par abus de langage, le terme de « monde virtuel persistant » est plus généralement employé dans le cas des réseaux sociaux et des MMORPG.
Ces dernières années, l’engouement pour les environnements virtuels est mesurable grâce à l’augmentation significative de la valeur des échanges monétaires réalisés en monnaie réelle ou virtuelle pour l’achat d’items virtuels : armes et avatars pour les MMORPG tels que World of Warcraft [11], vêtements, biens immobiliers et objets variés dans le cas de mondes virtuels sociaux. SecondLife [57] (voir figure 2.1(a)) a développé un système économique interne basé sur une monnaie appelée LindenDollar et échangeable contre des dollars réels. Cet engouement s’explique en partie par le caractère innovant de la technologie, mais aussi par l’expérience immersive qu’elle propose. L’utilisateur, représenté par un avatar, se déplace dans l’espace 3D, communique avec les autres utilisateurs, collabore avec eux, interagit avec les objets et accède à tout type d’information. Il se retrouve donc virtuellement immergé dans un monde avec lequel il retrouve la sensation d’agir physiquement, et qu’il peut modifier par ses actions.
Les interfaces graphiques 3D non immersives font aussi leur apparition sur le Web : résultats de recherche sous forme de cubes ([84], figure 2.1(b)) ou de sphères, sites Web et contenu multimédia ([93], figure 2.1(c)) ou publicités interactives, l’intégration complète ou partielle d’interfaces graphiques 3D sur les sites Web est de plus en plus courante.
Les défis du Web 3D
Le Web 3D possède une forte analogie avec le Web actuel. Clive [19] propose donc de se baser sur les enseignements du Web actuel pour définir les grandes lignes du Web 3D (qu’il nomme Métavers 2.0). La première conclusion que nous pouvons tirer des paragraphes précédents, est que le Web 3D ne sera pas un unique environnement monolithique de type SecondLife, mais un ensemble sans limite d’interfaces graphiques inter-connectées permettant toutes sortes d’activités : jeux, collaboration, pré-visualisation, environnement personnel, art, théâtre, commerce, etc. D’après Clive, certaines interfaces graphiques seront immersives, d’autres non. Cette diversité ne peut être obtenue que si le Web 3D, tout comme l’est le Web, n’est la propriété de personne, individu ou entreprise. De plus, elle nécessite l’existence de multiples outils permettant de créer du contenu 3D, ainsi que des interfaces graphiques 3D dans lesquelles le contenu peut être intégré. Voici une liste non exhaustive de contraintes nécessaires à l’avènement du Web 3D :
– La scalabilité : en ce qui concerne les contenus, la scalabilité ou l’échelonnabilité permet de fournir une représentation à différents niveaux de qualité permettant de s’adapter à la fois aux contraintes de transmission et aux capacités des terminaux utilisés pour l’affichage des données. La scalabilité de l’architecture correspond à la capacité d’une architecture à évoluer pour supporter une montée en charge (par exemple, les réseaux pairs à pairs ou encore la virtualisation) ;
– La standardisation : aucun standard unique n’est actuellement utilisé par les développeurs d’interfaces graphiques 3D, que ce soit au niveau des serveurs, des clients, des profils d’avatars, du type et de la gestion du contenu, des animations, etc. L’émergence plus nette de standards permettrait entre autre l’utilisation de moteurs de recherches sur le contenu de l’ensemble du Web 3D, ou encore l’agrégation dans une unique interface graphique 3D de contenus provenant de sources différentes ;
– L’interopérabilité : est la capacité d’un système à fonctionner avec d’autres systèmes présents ou futurs. Basée sur l’utilisation de standards, l’interopérabilité du Web permet de naviguer entre différentes interfaces graphiques de manière fluide, permettant par exemple d’augmenter la sécurité des transactions. Actuellement, l’interopérabilité est assurée par le format HTML. Déclinée au Web 3D, l’interopérabilité permettrait, par exemple, de conserver son avatar d’un environnement virtuel à un autre ;
– L’aide à la création de contenu 3D : une interface graphique 3D composée principalement de cubes texturés (comme Yoowalk [98] par exemple) offre une immersion et des interactions très limitées. De même, la métaphore utilisée pour organiser du contenu à travers une interface graphique a un impact fort sur la convivialité de l’interface, son adéquation à la navigation dans l’information et sur la façon dont l’utilisateur final va interagir avec les différents objets présents dans l’interface. L’engouement pour le Web est entre autre dû à l’apparition d’outils intuitifs et conviviaux facilitant la production de textes, la création et la gestion d’images ou de vidéos d’une part, et d’outils intuitifs et conviviaux d’aide à la création de sites Web classiques et Weblogs d’autre part. Le développement de ces outils a permis à tous les utilisateurs, spécialistes ou non de la programmation, de participer activement à la création de contenu sur le Web. Il est nécessaire de développer divers outils facilitant la création de contenu 3D, ainsi que la gestion et l’organisation de ces contenus dans l’espace 3D, autrement dit des outils de création d’interfaces graphiques 3D ;
– La liberté de créer tout type de contenu : une des raisons principales de l’adoption du Web par le plus grand nombre est la liberté qu’il donne à chacun de s’exprimer en ligne avec très peu de contraintes. Que ce soit au niveau de la charte graphique, des interactions, du contenu ou des usages, chaque utilisateur peut créer un site Web personnalisé. Cette liberté est assurée par le haut degré d’abstraction d’HTML et des standards qui se sont développés autour de ce langage (CSS, XML, . . . ) ;
– Enfin, la variété et l’uniformité : le Web 3D a besoin de variété dans les outils et les métaphores utilisées, les contenus produits et les usages. Cependant, comme nous l’avons abordé dans les points traitant des standards et de l’interopérabilité, le Web 3D a également besoin d’uniformité.
Si cette uniformité est en partie assurée par la présence de protocoles standardisés, elle s’est également fortement développée, entre autre sur les modes d’interaction, au fur et à mesure de l’évolution des usages sur le Web. Ainsi, par exemple, la mise en avant de liens hypertextes est aujourd’hui communément effectuée par un soulignement ou un changement de couleur. Cependant, seuls les usages imposent cette uniformisation de représentation des liens, les standards utilisés sur le Web n’interdisant pas l’utilisation d’autres moyens de mise en avant des liens (l’italique par exemple), et n’imposent pas non plus de présenter les liens de manière différente du texte. L’uniformité de la représentation des liens hypertextes est donc apparue avec les usages, permettant ainsi aux utilisateurs de naviguer plus rapidement sur le Web. Malgré cette uniformité relative, la variété de représentation des liens reste importante, par exemple en choisissant les couleurs représentant les liens d’une page Web. Cet exemple démontre l’importance de la dualité variété-uniformité. La définition de nouveaux standards pour la création de contenu 3D pour le Web doit prendre en compte le couple variété-uniformité.
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Table des matières
1 Introduction
2 Panorama des solutions industrielles et normatives
2.1 Du Web au Web 3D
2.1.1 Le Web 3D
2.1.2 Interfaces graphiques 3D et environnements virtuels
2.1.3 Les défis du Web 3D
2.1.4 Applications Web
2.2 Modélisation 3D, restitution et interactions
2.2.1 Modélisation 3D
2.2.2 Interfaces d’interaction, de restitution et combinées
2.2.2.1 Interfaces de restitution
2.2.2.2 Interfaces d’interaction
2.2.2.3 Interfaces combinées
2.2.3 Conclusion
2.3 Formats et outils 3D sur le Web
2.3.1 Solutions 3D embarquées
2.3.1.1 X3D
2.3.1.2 Collada
2.3.1.3 Flash
2.3.1.4 Unity
2.3.1.5 Conclusion
2.3.2 Solutions 3D intégrées
2.3.2.1 WebGL
2.3.2.2 XML3D
2.3.2.3 X3DOM
2.3.3 Conclusion
2.4 Gestion de données
2.4.1 Gestion de données sur le Web
2.4.1.1 Exécution de scripts côté serveur
2.4.1.2 Architectures trois niveaux
2.4.1.3 Services Web
2.4.1.4 Conclusion
2.4.2 Gestion de données et Web sémantique
2.4.2.1 Généralités
2.4.2.2 Web sémantique
2.4.2.3 Langages sémantiques
2.4.2.4 Limitations des métadonnées
2.4.3 Conclusion
2.5 Conclusion
3 Production automatique d’interfaces graphiques 3D
3.1 Techniques de visualisation des graphes
3.1.1 Généralités
3.1.2 Systèmes masse-ressort
3.1.3 Focales variables et projection Fish-eye
3.1.4 Regroupement de données
3.1.5 Conclusion
3.2 Navigation et structuration
3.2.1 Navigation
3.2.2 Structuration et urbanisme
3.2.3 Conclusion
3.3 Métaphores 3D de visualisation de l’information
3.3.1 Métaphores génériques pour la visualisation de données
3.3.1.1 Métaphores 3D pour la visualisation d’information
3.3.1.2 Visualisation de recherches sur le Web
3.3.1.3 Environnements 3D pour la visualisation de données multimédia
3.3.1.4 Conclusion
3.3.2 Langages pour la définition de métaphores de visualisation de l’information
3.3.2.1 Feuilles de styles XSLT pour la définition de métaphores 3D
3.3.2.2 X-VRML
3.3.2.3 Conclusion
3.3.3 Conclusion
3.4 Conclusion
4 Formalisme pour la création d’interfaces graphiques 3D
4.1 Vue d’ensemble
4.2 Module de structuration de l’information
4.2.1 Vue d’ensemble
4.2.1.1 Généralités
4.2.1.2 Éléments nécessaires à la structuration des données
4.2.2 Structuration hiérarchique
4.2.3 Langage formel de l’arbre d’exploration : le génotype
4.2.4 Langage formel de la structure exploratoire : le génome
4.2.5 De la requête à l’arbre d’exploration : le générateur de génotype
4.2.6 Conclusion
4.3 Module de présentation de l’information
4.3.1 Vue d’ensemble
4.3.1.1 Généralités
4.3.1.2 Sélection de la métaphore de présentation de l’information
4.3.1.3 Outil auteur pour la définition de métaphores de présentation de l’information
4.3.2 Langage formel de présentation de l’information : le phénome
4.3.2.1 Niveaux d’exploration et hiérarchie de règles
4.3.2.2 Les règles
4.3.2.3 Opérateurs de modélisation
4.3.2.4 Fonctions de production et opérateurs divers
4.3.2.5 Insertion de l’information : accès au génotype
4.3.2.6 Fonctionnalités d’interaction et d’exploration
4.3.2.7 Préambule et compatibilités
4.3.2.8 Conclusion
4.3.3 De la feuille de style 3D à l’interface graphique 3D : le générateur de phénotype
4.3.4 Conclusion
4.4 Conclusion
5 Résultats et analyses
5.1 Visualisation de données multimédia
5.1.1 Interface 3D générique : la tour de carrousels
5.1.2 Interfaces 3D immersives
5.1.2.1 L’univers Orange
5.1.2.2 Un univers en papier
5.1.2.3 Conclusion
5.2 Analyse
5.2.1 Métaphores de structuration et de présentation de l’information
5.2.2 Modularité
5.2.3 Variété et adaptabilité des interfaces graphiques 3D
5.2.4 Extensibilité et compatibilité avec les technologies Web
5.2.5 Conclusion
6 Conclusion et perspectives
6.1 Contributions
6.2 Perspectives
6.2.1 Implémentations
6.2.2 Travaux de recherche
6.2.2.1 Tests utilisateurs
6.2.2.2 Amélioration du formalisme
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