Chapitre I. Choix d’un dispositif de réalité virtuelle

Chapitre I. Choix d’un dispositif de réalité virtuelle

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Chapitre I. Choix d’un dispositif de réalité virtuelle I.1. Introduction

Le dispositif de réalité virtuelle est composé de deux parties : le matériel informatique et

le dispositif de visualisation. Concernant ce dernier, deux exigences devaient être

satisfaites:

Le dispositif devait être immersif

Le caractère d’immersivité se rapporte à la sensation d’être dans l’environnement.

Pour maximiser cette sensation le système devait avoir deux propriétés :

1/ permettre la visualisation d’images stéréoscopiques

2/ permettre la visualisation d’images occupant une large part du champ

visuel.

Le dispositif devait être lumineux

Afin d’assurer une bonne dynamique des luminances à l’écran, le système devait

permettre des luminances d’au moins 200 cd/m².

Mis à part la gestion de deux flux d’images pour permettre la vision stéréoscopique, nous

n’avions pas de contraintes fortes concernant le matériel informatique. En effet, notre

protocole a été conçu de manière à ne pas nécessiter le calculateur puissant comme cela

aurait été le cas si nous avions inclus de la modélisation 3D en temps réel. La plus

importante partie de notre budget (500 000 francs) a donc été consacrée à l’acquisition

du dispositif de visualisation. Nous présentons ici, l’offre dans ce domaine et la solution

que nous avons finalement retenue.


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I.2. Voir en relief

I.2.1. Le principe de la vision stéréoscopique

Le système visuel dispose d’un grand nombre d’indices pour évaluer la position et la

distance des objets. La plupart de ces indices sont monoculaires : la taille angulaire d’un

objet qui nous est familier nous permet d’évaluer sa distance (fig.I.1a); nous

comprenons qu’un objet qui en recouvre partiellement un autre se trouve devant lui

(fig.I.1b) ; la perspective est utile pour construire une représentation de l’éloignement

des objets ; la parallaxe, c’est-à-dire le mouvement apparent des objets qui résulte du

mouvement de l’observateur, nous apporte des indications sur la distance relative des

objets, dans la mesure où les objets les plus proches semblent se déplacer plus

rapidement que les objets éloignés ; les signaux proprioceptifs de courbure du cristallin

nous aident à déterminer la distance absolue de l’objet fixé.

Figure I.1a : La taille angulaire (a, b, c) de l’objet décroît avec son éloignement (A, B, C).

Figure I.1b : l’indice d’interposition fait que l’on perçoit trois cercles placés les uns sur les autres. Or, on pourrait interpréter cette image comme trois formes adjacentes, dont deux sont des cercles morcelés.

Distance A Distance B Distance C

Objet a b c

Cependant, ces éléments ne donnent à l’observateur que des informations sur la position

et la distance des objets, ils ne permettent pas d’avoir une véritable représentation

spatiale en trois dimensions de la scène observée. Seul l’indice de disparité binoculaire

peut créer une perception stéréoscopique de l’environnement. Parce que nous avons

deux yeux décalés horizontalement, chaque œil reçoit une vue légèrement différente de

la scène. La disparité binoculaire est l’écart angulaire entre les positions rétiniennes des

images du même objet par rapport aux fovéas (fig.I.2). Les disparités entre les deux

images bidimensionnelles sont interprétées comme des différences de profondeur lors de

la fusion en une image unique tridimensionnelle (dite « image cyclopéenne »).

A

B

C


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Figure I.2 : lorsque le sujet fixe le point F, l’image de F tombe sur la fovéa de chaque œil. L’image d’un point (A) situé sur le même plan que F tombe sur deux points correspondants de la rétine. Ainsi l’angle A’ est égal à l’angle A’’. L’image d’un point (B) situé sur un autre plan que F tombent sur des points disparates des deux rétines. Ainsi, l’angle B’ est différent de l’angle B’’. C’est le degré de disparité calculé par le cerveau qui donnera une information sur la distance entre les deux points (F et B).

A’

A’’

B’B’

FA

B

Œil gauche Œil droit

I.2.2. Reconstruire l’effet stéréoscopique

La base de la vision stéréoscopique est la capacité du système visuel à calculer les

disparités entre deux images bidimensionnelles pour construire une perception unifiée

tridimensionnelle. Le premier à avoir compris ce mécanisme est le physicien Charles

Wheatstone qui, en 1838, conçu le premier stéréoscope (fig.I.3a). Par un système de

miroirs (fig.I.3b), il présenta indépendamment aux deux yeux, deux dessins (la

photographie n’est pas encore inventée) représentant un cube vu sous deux perspectives

légèrement décalées horizontalement. L’observateur rapporte voir un cube « solide », en

relief.


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Figure I.3a : le stéréoscope de Charles Wheatstone (1838)

Figure I.3b : l’image d’un objet dessiné tel qu’il apparaîtrait à l’œil gauche (K’) et à l’œil droit (K), est présentée à chaque œil indépendamment au moyen de miroirs (A A’). L’observateur perçoit un objet « solide » en relief.

Depuis Wheatstone, de nombreux systèmes ont été développés pour permettre aux

images d’acquérir la 3ème dimension. Ces systèmes, progressant et se diversifiant avec

les découvertes technologiques, sont toujours conçus sur le même principe impliquant

que la vue droite et la vue gauche soient scindées et envoyées séparément à chaque œil.

Il est actuellement possible de réaliser ce principe à partir d’un écran de projection

unique. Deux techniques sont disponibles :

I.2.2.1. Stéréoscopie active

Cette technique exploite les capacités de résolution temporelle des écrans à tube

cathodique (CRT) et du système visuel. L’œil humain possède une caractéristique appelé

fréquence critique de fusion (FCF) que l’on peut définir comme la fréquence temporelle

de papillotement d’une source lumineuse conduisant à la perception d’un éclairement

stable. La FCF dépend de plusieurs facteurs comme la composition spectrale de la source,

sa luminance moyenne, sa taille, ou encore sa position rétinienne, mais ne dépasse

jamais 60Hz. Un moniteur CRT a une fréquence de rafraîchissement maximale de plus de

120Hz, ce qui signifie que chaque seconde, il peut afficher en alternance 60 fois l’image

destinée à l’œil droit et 60 fois l’image destinée à l’œil gauche. Cette fréquence étant

supérieure à la FCF maximale, l’observateur ne percevra pas de papillotement. Pour que

chaque œil ne voie que l’image qui lui correspond, il est nécessaire d’utiliser des lunettes

obstruant la vue de chaque œil en synchronisation avec l’affichage du moniteur. La figure

I.4 illustre cette technique.


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Lorsque l’image gauche est affichée, le panneau LCD (cristaux liquides) droit est noir et

le panneau LCD gauche est transparent. Ainsi l’œil gauche voit l’image gauche.

Inversement lorsque l’image droite est affichée. Cette alternance étant répétée à une

fréquence supérieure au FCF, il en résulte la perception d’une image stable et différente

pour chaque œil. La fusion des deux images crée la vision stéréoscopique.

Figure I.4 : Principe de la stéréoscopie active. La séquence en deux temps (T1 et T2) présentée ci-dessus se répète 60 fois par seconde. Les lunettes LCD sont synchronisées au moniteur par un émetteur d’infrarouges (EIR) contrôlé par la carte graphique de l’ordinateur. Sur notre illustration, la perception résultant de la fusion des deux images est une pyramide tronquée dont le sommet est plus proche de l’observateur que la base.

T1 : le moniteur affiche la vuegauche. L’œil droit est obstrué, le sujet ne voit que de l’œil gauche.

T2 : le moniteur affiche la vue droite. L’œil gauche est obstrué, le sujet ne voit que de l’œil droit.

I.2.2.2. Stéréoscopie passive

On qualifie la technique que nous allons présenter de « passive » par opposition à la

précédente. Ici, les lunettes permettant la vision stéréoscopique ne sont pas « actives » :

il ne s’agit pas de panneau LCD à ouverture synchronisée, mais de simples filtres

polarisés.

Cette technique est surtout utilisée lorsque ce sont des projecteurs qui servent de base

au dispositif de présentation des images. Nous verrons (cf. partie « moniteurs ») que des

développements récents permettent de l’appliquer à la présentation sur moniteur CRT.


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Le principe est le suivant : deux projecteurs affichent simultanément sur un écran deux

vues (œil droit - œil gauche) de la même scène. Les deux images superposées à l’écran

sont séparées grâce à un encodage par polarisation optique. Les images sont encodées à

la sortie des projecteurs par des filtres polarisants (l’un horizontal et l’autre vertical),

projetées sur un écran traité pour conserver la polarisation, et finalement décodées par

le port de lunettes à filtres polarisés (fig.I.5). Chaque œil ne perçoit que l’image du

projecteur correspondant. La fusion des deux images crée la vision stéréoscopique.

Figure I.5: Principe de la stéréoscopie passive. L’optique du projecteur rouge est équipée d’un filtre qui polarise verticalement la lumière. L’optique du projecteur bleu est équipée d’un filtre qui polarise horizontalement la lumière. Si le sujet porte des lunettes équipées des mêmes filtres, chaque œil ne percevra que l’image provenant du projecteur correspondant. Il est ainsi possible de présenter sélectivement la vue droite à l’œil droit et la vue gauche à l’œil gauche, pour recréer la vision stéréoscopique. N.B : Les couleurs sont utilisées ici à titre illustratif. En réalité les verres des lunettes sont gris, et les images sont vues en couleurs.

Projecteurs à optique polarisée.

Vertical

Horizontal

Ecran traité pour conserver la polarisation

Lunettes à filtres polarisés

Vertical Horizontal

Nous allons présenter une revue étendue des systèmes de projection stéréoscopique

permettant la présentation d’images gérées par ordinateur, et disponibles au moment où

ce travail a été initié. Nous avons classé ces systèmes en trois familles : les visiocasques,

les moniteurs informatiques, les projecteurs.


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I.3. Les visiocasques

En raison de sa portabilité, le visiocasque est la première solution que nous avons

envisagée pour la présentation des images. Les raisons pour lesquelles nous avons

finalement écarté cette solution apparaîtront dans la discussion suivante sur les qualités

techniques des visiocasques. La variété de l’offre s’est réduite depuis 1995, avec un

recentrage du marché sur des produits grand public (< 2500 US$) au détriment des

produits de haute technologie (>20 000 US$). Choisir le visiocasque idéal est une

démarche complexe et parfois décevante, tant les promesses des fournisseurs sont

éloignées de ce que permet réellement le produit.

Deux technologies d’affichage sont disponibles (fig.I.6a et I.6b) : l’AMLCD (Active Matrix

Liquid Cristal Display) pour les visiocasques de basse et moyenne gamme, et le CRT

miniature (cathode ray tube) pour les visiocasques de haut de gamme. Dans l’état actuel

de la technologie, le tube cathodique reste le moyen le plus fiable et le moins coûteux de

présenter des images ayant une résolution supérieure au XVGA (1024x768). Cependant,

l’amélioration rapide des LCD devrait permettre de dépasser les contraintes de poids et

d’encombrement des CRT.

Figure I.6a : Composants d’un HMD avec écran LCD Figure I.6b: Composants d’un HMD à écran CRT

I.3.1. Les paramètres à connaître

I.3.1.1. Résolution et champ de vision

La résolution d’écran définit sous la forme d’une matrice (Ex : 1280x1024) le

nombre maximal de pixels affichable par un écran. L’augmentation du nombre des

pixels permet la présentation de détails plus fins.


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Le champ de vision d’un visiocasque donne la taille (en degrés) du champ visuel

de l’observateur occupé par l’image. Le sentiment d’immersion dans

l’environnement virtuel s’accroît lorsque le champ de vision est plus proche de

180°.

Un compromis doit être trouvé entre ces deux paramètres. En effet, à résolution

constante, la taille angulaire de chaque pixel augmente en même temps que le

champ de vision. Il en résulte une perte de définition de l’image. On peut

quantifier la définition de l’image par le test d’acuité visuelle de Snellen utilisée en

optométrie. Dans ce test, le sujet se tient à 20 pieds (environ 6 mètres) d’une

échelle de lecture composée de lettres de taille angulaire croissante. A chaque

taille angulaire est associée un indice (D) représentant la distance à laquelle un

observateur ayant une vision normale identifie la lettre. On relève la valeur D

correspondant à la taille angulaire la plus faible pour laquelle le sujet identifie les

lettres. L’acuité est donnée par : V= 20 / D. Une acuité normale est de 20/20. Le

seuil de non-voyance est de 20/200.

La définition horizontale du visiocasque peut être obtenue de la même manière en

calculant :

D =FOV *1200# de ⋅ pixels

avec FOV = champ de vision horizontal

# de pixels = nombre de pixels horizontaux

Ainsi, un visiocasque bas de gamme présentant un FOV de 70° et 420 pixels, a un

D de 70*1200/420=200, ce qui produit une définition de 20/200 égale au seuil de

non-voyance. Cet appareil n’est pas utilisable pour les applications nécessitant

une grande finesse de détail. Son champ de vision relativement important en fait

une interface immersive pour le jeu.

La méthode la plus couramment utilisée pour augmenter la taille du FOV sans

diminuer la définition du visiocasque consiste à réduire la zone de chevauchement

(« overlap ») entre les images de l’œil droit et de l’œil gauche. En effet, la

capacité de détection de la distance stéréoscopique diminue rapidement dans le

champ de vision périphérique. L’idée est de ne présenter aux deux yeux que la

zone centrale de chaque image.


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Le Simeye 100 est composé de deux CRT d’une résolution de 1280*1024 chacun.

Le FOV de 108° est créé par le chevauchement de 20° de la zone centrale de deux

images de 64° (fig.I.7b). Dans cette configuration, D=(64*1200)/1280=60, soit

V=0,33. Si l’on avait créé un FOV de 108° par chevauchement à 100% des deux

images (fig.I.7a), on aurait : D=(108*1200)/1280=101, soit V=0,2.

Figure I.7a : création d’un FOV de 108° par chevauchement complet de deux images de 108° V=0,2

Figure I.7b : création d’un FOV de 108° par chevauchement de la zone centrale de deux images de 64°.V=0,33

108° horizontaux 108° horizontaux

108° horizontaux

44°

44°

44° 44°

20°

20°

20°

108° horizontaux

I.3.1.2. Ratio de contraste

Quantifie la différence de luminance entre les pixels les plus lumineux et les pixels

les moins lumineux. Un ratio de contraste de 50:1 est un minimum pour obtenir

des images ayant une dynamique suffisante. En dessous de ce seuil, les images

peuvent apparaître délavées.

I.3.1.3. Luminance

La luminance de l’image est un facteur moins important que le ratio de contraste

dans les applications classiques du visiocasque. La capacité d’adaptation du

système visuel permet une bonne dynamique de la luminosité même à des

niveaux bas de luminance pour peu que le ratio de contraste soit suffisamment

important. Dans le cas spécifique de notre application, nous souhaitions obtenir

des images les plus lumineuses possible afin de reproduire au plus près la richesse

de l’environnement lumineux présenté.


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I.3.1.4. Distance inter-pupillaire

Il s’agit de la distance entre les deux pupilles de l’observateur. Cette distance est

propre à chaque personne (en moyenne 65 mm). Il est indispensable que

l’alignement des images par rapport à la pupille puisse être ajusté. Sur les

modèles haut de gamme, cet ajustement est toujours possible dans une

fourchette de 55 à 75 mm.

I.3.2. L’offre

Nous présentons (tab.I.1) les visiocasques qui nous ont été proposés compte tenu de nos

contraintes. Afin de permettre une comparaison, nous signalons les performances du

PCTV-K180 destiné au grand public.

I.3.3. Discussion

Les deux visiocasques satisfaisants à nos impératifs d’immersivité (FOV > 100°

horizontalement) et de définition de l’image (format SXVGA), sont le Datavisor80 et le

Simeye100. Cependant le prix de ces appareils les place hors de notre budget. Le

Datavisor Hires, tout en ayant un prix encore élevé (50,000US$) présente comme les

deux modèles cités plus haut l’inconvénient d’une luminance assez basse, à laquelle

s’ajoute une réduction importante du FOV (<80° horizontalement). Le Proview XL50 est

intéressant par sa forte luminance (150 cd/m2) autorisée, sa définition au format XVGA

acceptable et son prix modeste (15,000 US$). En revanche, le FOV est très réduit (40°

horizontalement) et l’observateur peut voir son environnement, ce qui diminue

considérablement l’effet immersif. En dehors de ces 4 visiocasques, l’offre ne correspond

plus à nos exigences, en particulier au niveau de la résolution des écrans qui est

inférieure ou égale à 640 x 480 sur la plupart des modèles.

Une alternative aurait pu être l’utilisation des systèmes BOOM (Binocular Omni-

Orientation Monitor) et PUSH. Les trois possèdent une excellente résolution (SXVGA) et

un FOV de grande taille (140° horizontal). Deux inconvénients majeurs nous ont conduits

à rejeter ces systèmes. D’une part leur coût. D’autre part leur mode d’utilisation. Nous

pensions que le fait de devoir appliquer les yeux sur les optiques pouvait être à la fois

contraignant pour l’observateur et nuisible à la sensation d’immersion.

Enfin, différentes considérations nous ont amené à prendre en compte d’autres solutions

que le visiocasque. L’objectif final de notre recherche étant la mise en place d’un système

d’étude de la qualité et du confort des ambiances lumineuses, il nous est apparu risqué

de faire évaluer ces paramètres par des observateurs contraints au port d’un casque


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pesant près de 2 kg et enserrant la moitié de la tête. Par ailleurs, l’usage du visiocasque

interdit toute présentation publique des ambiances lumineuses.

Table I.1 : Offre de visiocasques haut de gamme.

Produit Résolution

(pixels)

Ratio de

Contraste

Luminance

(cd/m2)

Champ

Horizontal

Champ

vertical

Poids

(KG)

Prix

(US$)

Datavisor 80

www.nvis.com

1280*10

24

n.c

>20

120° à 50%

d’overlap

80°

1,8

130,000

Datavisor HiRes

www.nvis.com

1280*1024

n.c.

>30

78° à

50%

d’overlap

42° à 100%

d’overlap.

52°

1,6

50,000

Simeye 100

ww.keo.com

1024*768

20 :1

35

100°

50°

1,25

87,000

Proview XL50

www.keo.com

1024*768

40 :1

15

40°

30°

1

19,000

BOOM3C

www.fakespace.com

1280*1024

n.c

60

Jusqu’à

140°

n.c

n.c

50,000

BOOM HF

www.fakespace.com

1280*1024

n.c

60

Jusqu’à

140°

n.c

n.c

100,000

PUSH1280

www.fakespace.com

1280*1024

n.c

60

Jusqu’à

140°

n.c

n.c

25,000

PCTVK180

www.tekgear.ca

600*400

n.c

n.c

30°

23°

n.c

2,560


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I.3.4. L’avenir

Actuellement, les visiocasques CRT sont les plus performants. Du fait de l’encombrement

et du poids des tubes cathodiques, de nouvelles technologies doivent être utilisées pour

satisfaire la recherche de miniaturisation. La progression rapide des performances du

LCD et de ces dérivés (Thin Film Transistor, Light Emiting Polymer) permettra sans doute

dans quelques années la conception d’écrans de petite surface que l’on pourra courber

pour créer un FOV de 180°.

Par ailleurs, la société Microvision finance des travaux de recherche sur le Retinal

Scanning Display (fig.I.8a). Avec cette technologie, l’image est directement construite

sur la rétine de l’observateur. Ceci est réalisé en balayant par ligne la rétine avec un

faisceau LASER. L’intensité du LASER est modulée pour chaque pixel afin de lui apporter

la quantité souhaitée de lumière.

Figure I.8a : Schéma du « Retinal Scanning Display » Figure I.8b : La technologie RDS permettra une miniaturisation du système de projection.

Si elle se développe, cette technologie présentera plusieurs avantages…

Plus haute résolution: la résolution n’est limitée que par la surface radiante de

la source.

Plus forte luminosité: l’intensité du LASER détermine la luminosité des pixels.

Plus large spectre coloré: le LASER fournit des couleurs primaires très pures,

permettant de reproduire une grande partie du spectre.

Plus large champ de vision: en utilisant une optique, il est possible de projeter

sur la rétine une image incurvée très proche de l’image

qui se crée lorsque l’on observe le monde réel.

Confort: Les générateurs LASER sont trop lourds pour être intégrés au

visiocasque. La monture ne supporte que la fibre

optique qui transmet le rayon LASER. Le dispositif est

aussi léger qu’une paire de lunettes (fig. I.8b).


45

…et quelques inconvénients

Il n’existe pas encore de diodes laser bleues et vertes dans le commerce.

Cependant le développement de la recherche dans ce domaine permet de

penser qu’elles seront bientôt disponibles.

La nocivité du RDS pour les récepteurs rétiniennes n’est pas encore bien

connue. Les études vont dans le sens d’une totale inocuité jusqu’à 100

cd/m2.

I.4. Les moniteurs

I.4.1. Introduction

Nous n’avons pas retenu les systèmes de stéréoscopie active disponibles sur les

moniteurs informatiques CRT. Nous pensions que le faible champ de vision (FOV) couvert

par un écran informatique de 21’’ vu à 50 cm de distance (environ 35° horizontalement)

réduisait de manière trop importante l’immersivité. Par ailleurs, le niveau de luminance

d’un écran informatique (80 cd/m2 diminués de plus de moitié par le port de lunettes

stéréoscopiques) était inférieur à nos besoins.

Cependant, ce support présente un nombre d’avantages importants:

- Faible coût : En fonction de la technologie choisie (voir plus bas) 2,500 à

10,000 francs sont nécessaires pour adapter un moniteur informatique à la

vision stéréoscopique, la seule contrainte étant que le moniteur ait une

fréquence de rafraîchissement de 120Hz (voir plus bas)

- Bonne définition : Le FOV horizontal d’un écran de 19’’ vu à 50 cm de distance

est d’environ 40°. Avec une résolution de 1280*1024 pixels, on obtient un

indice d’acuité (cf. HMD) V=0,54 supérieur aux indices d’acuité mesurés pour

les visiocasques. Le résultat est une image présentant une excellente

définition et dans laquelle les pixels sont pratiquement invisibles.

- Répartition homogène des luminances : l’affichage sur moniteur permet

d’obtenir des plages de luminance homogènes sur toute la surface de l’écran.

De ce fait, il est possible de présenter des scènes dont le champ de luminance

est proportionnel au champ de luminance réel. Ceci est un avantage en

comparaison à l’affichage sur grand écran par le biais de projecteurs. Nous

montrerons au chapitre suivant que ce type de système induit un « point

chaud » par lequel les luminances sont concentrées au centre de l’écran.


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- Portabilité : il s’agit d’un système à portabilité moyenne puisque la seule

contrainte est le déplacement du moniteur. Un ordinateur portable haut de

gamme peut prendre en charge la gestion des images.

- Visualisation en petit groupe : La vision stéréoscopique est permise au nombre

de personne pouvant se tenir devant un écran de 21’’.

Trois techniques sont disponibles pour la visualisation stéréoscopique sur moniteur CRT :

I.4.2. Stéréoscopie active

Comme nous l’avons discuté plus haut (cf.§I.2.2), l’effet stéréoscopique est créé par le

port de lunettes à cristaux liquides synchronisés avec le moniteur.

I.4.3. Stéréoscopie passive

Le Monitor Zsreen™ développé par le société Stereographics®, utilise à la fois la

technique d’alternance des images à haute fréquence et la technique de polarisation

(fig.I.9). Les vues droites et gauches sont affichées alternativement à 120Hz sur un

moniteur classique. Le Zscreen™ est synchronisé à l’affichage des deux vues et les

polarise dans des directions opposées 60 fois chacune par seconde. Le port de lunettes

passives polarisées permet la présentation sélective une seule vue à chaque œil.

Le Zscreen™ présente deux inconvénients: 1/ son taux de transmission faible (32%)

s’ajoute au taux de transmission moyen des lunettes passives (60%), la perte de

luminosité totale de l’écran est d’au moins 75% ; 2/ son prix (15,000 FRF) est plus élevé

que celui d’une paire de lunettes active (2,500 FRF)

Figure I.9: Le ZScreen™ est un écran à ajouter à un moniteur classique. Il est synchronisé à l’affichage des images par le biais de la carte graphique de l’ordinateur. La vue droite et la vue gauche sont affichées alternativement à haute fréquence. Le Zscreen™ polarise alternativement une vue à l’horizontal et l’autre à la verticale. Grâce au port de lunettes polarisées, chaque œil ne reçoit que l’image qui lui est destinée.


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I.4.4. Technique hybride

Récemment, une nouvelle technique de stéréoscopie sur écran informatique à été

développée par la société Vrex™. Il s’agit de permettre aux écran LCD d’être compatibles

avec la stéréoscopie passive. Le µpol™ est un système optique qui polarise les pixels

ligne par ligne. Des polariseurs microscopiques alternent une direction de polarisation sur

une ligne avec une autre perpendiculaire à la première sur la ligne suivante. Il est alors

possible d’afficher une vue stéréoscopique sur les lignes polarisées horizontalement et

l’autre vue sur les lignes polarisées verticalement. Le port de lunettes polarisées permet

de reconstruire la vision 3D. Il semble que Vrex™ commercialise dans les prochaines

semaines un écran d’ordinateur portable possédant cette fonctionnalité. Le système

deviendrait alors très portable et la luminosité des images devrait être augmentée par

rapport à un écran CRT. En revanche il reste à vérifier la qualité des images. Le système

utilisant un écran pour afficher deux images, il risque de perdre en définition.

I.4.5. L’avenir

Dans ce domaine également, le DLP™ (Cf.§I.5.1.3) ouvre des perspectives très larges.

Cette technologie n’est pas encore utilisée pour les écrans informatiques. En revanche,

un téléviseur 50 pouces à écran DLP™, va prochainement être mis sur le marché par

Samsung™. Cet appareil bénéficiera de l’excellente définition et de la forte luminosité

autorisée par le DLP™ (pas de données chiffrées disponibles). Naturellement, ce

téléviseur n’est pas équipé pour supporter la stéréoscopie active, mais ceci est

techniquement réalisable. Si une demande apparaît, on peut espérer que le DLP™ sera

utilisé pour la conception de systèmes de visualisation type « Desks ». On disposera alors

de grands écrans immersifs et facilement déplaçables, produisant des images

stéréoscopiques de forte luminosité. De plus (et nous verrons que ce point est très

important), la distribution des luminances sur un écran de ce type sera totalement

uniforme.

I.5. Les projecteurs

La présentation de nos images par le biais d’un visiocasque étant rejetée (cf. partie « les

visiocasques »), nous nous sommes tournés vers des solutions d’affichage sur grand

écran par projecteur. Cette technique présente plusieurs avantages compte tenu de nos

contraintes. L’environnement créé peut être très immersif du fait de la taille de l’écran et

de la stéréoscopie. Par ailleurs, on dispose de projecteurs fournissant des flux lumineux

de plusieurs milliers de lumens, se traduisant par des images ayant une luminance plus

forte que celle d’un moniteur ou d’un visiocasque.


48

I.5.1. Les familles de projecteur

Les projecteurs sont divisés en trois familles :

I.5.1.1. Les CRT (« Cathode Ray Tube »)

Ces projecteurs sont composés de trois tubes cathodiques (rouge, vert, bleu).

Chacun projette l’image dans sa couleur. Les trois images sont alignées sur l’écran

par un système de convergence.

Dans un tube cathodique, le flux lumineux est produit par l’excitation des points

de phosphore. La seule manière d’augmenter le flux lumineux consiste à

augmenter la zone phosphorescente en utilisant des tubes de plus grande

dimension. Le poids et l’encombrement constituant des contraintes importantes

dans la conception des projecteurs, la taille des tubes ne peut être que

modérément augmentée. Le flux lumineux ne dépasse jamais 350 lumens. En

contrepoids de cette limitation, les tubes cathodiques présentent deux avantages

techniques majeurs : ils permettent de présenter des images en très haute

définition (2,500 x 2,000 pixels) et offrent un contraste souvent égal à 1000 :1.

I.5.1.2. Les LCD (« Liquid Cristal Display »)

Contrairement aux tubes cathodiques qui génèrent eux-mêmes la lumière qu’ils

projettent, les dispositifs de production de la lumière et de l’image sont

indépendants dans les projecteurs LCD. L’utilisation de source à forte puissance

(lampe à halogénure métallique, lampe au Xénon) permet d’atteindre des flux

allant jusqu’à 5,000 lumens.

Le principe de fonctionnement du LCD est le suivant. Comme on le voit sur la

figure I.10, un système LCD est composé de 3 éléments principaux : une source

lumineuse (néons) qui éclaire la plaque LCD par derrière, et entre les deux, un

réflecteur qui permet d’uniformiser la distribution de la lumière sur la plaque. Une

plaque LCD d’une définition de 1024 x 768 contient en fait 2,359,296 sous-pixels,

car chaque pixel est composé des 3 sous-pixels : un rouge, un bleu et un vert.

Chaque triade RGB est contrôlée par un transistor qui génère son propre courant.

Ce courant, qui peut varier largement, produit un mouvement des cristaux

liquides dans chaque sous-pixel. Les cristaux liquides s’orientent selon un angle

particulier. Cet angle détermine la quantité de lumière qui passe à travers le sous-

pixel. Si les cristaux s’orientent dans la même direction que le filtre polarisant, la

lumière passe à travers. Si ils s’orientent perpendiculairement à la polarisation du

filtre, la plaquette reste noire.


49

Figure I.10 - Principe de la plaque LCD

La définition maximale des projecteurs LCD est actuellement limitée à 1280 x

1024. Ceci pose problème si la zone de projection est large et que l’observateur

en est proche. Dans ce cas, il lui est possible de voir les pixels, ce qui nuit à la

qualité de l’image. Enfin, le ratio de contraste des projecteurs LCD est plus faible

(350 :1) que celui des projecteurs CRT. Ce manque de contraste est cependant

largement compensé par la puissance lumineuse des LCD.

I.5.1.3. Les DLP (« Digital Light Processor »)

Le DLP™ est la technologie émergente qui remplacera les tubes cathodiques et

les panneaux LCD dans les prochaines années.

Cette technologie est basée sur un semi-conducteur optique : le DMP™, « Digital

Micro-mirror Device ». Ce semi-conducteur optique permet une connexion

purement digitale entre la source et la projection, ce qui permet une forte

augmentation de la qualité de l’image par rapport aux techniques précédentes.

Le DMP™ (fig.I.11a) contient 1.3 millions de miroirs microscopiques montés sur

tige (fig. I.11b). Chaque miroir constitue un pixel.

Le principe de fonctionnement est le suivant. Chaque micro-miroir peut s’incliner

soit vers la source de lumière (ON) soit dans la direction opposée (OFF) pour

créer un pixel lumineux ou sombre (fig.I.11c). Un code permet de régler la

fréquence d’inclinaison vers la source. Plus cette fréquence est élevée, et plus le

pixel sera lumineux. 1024 niveaux de gris peuvent ainsi être créés.

Pour créer la couleur, la lumière blanche de la source traverse un filtre coloré

(« color wheel ») qui décompose la lumière en 3 composants rouge, vert, bleu.

La fréquence d’émission de chacun de ces composant sur les micro-miroirs

détermine la couleur perçue. 16.7 millions de couleurs peuvent être créées. La

figure 10d, présente un schéma de l’ensemble du système.


50

Cette technologie permet des systèmes de projection ayant des flux de plusieurs

dizaines de milliers de lumens. Par ailleurs, elle permet la stéréoscopie active en

alternant à haute fréquence les images destinées à l’œil gauche et celles

destinées à l’œil droit.

Figure I.11a : Plaquette DMP™ Figure I.11b : Détail DMP™

Figure I.11c : Orientation des micro-mirroirs

Figure I.11d : Système DLP™

I.5.2. Reconstruire l’effet stéréoscopique

La stéréoscopie active

La technique de stéréoscopie active ne nécessite qu’un seul projecteur (fig.I.12).

Il s’agit de projeter les deux vues en alternance à haute fréquence et d’utiliser des

lunettes actives synchronisées avec le projecteur par un émetteur d’infrarouges

(cf.§I.2.2.1). Initialement, seuls les projecteurs CRT permettaient cette technique.

En diminuant la durée de rayonnement des phosphores (modification « fast

phosphors »), il est possible d’augmenter la fréquence de rafraîchissement du

projecteur à un niveau suffisant pour alterner les deux vues sans provoquer

d’image « fantôme ».


51

En raison de son faible taux de rafraîchissement, la technologie LCD ne permet

pas l’affichage alternatif des deux vues stéréoscopiques. En revanche, la

technologie DLP™ est parfaitement adaptée à la stéréoscopie active. La table 2,

présente des projecteurs Vrex, Barco et Mirage à base de DLP™ compatible avec

la stéréoscopie active. Il est a noter que ces produits n’existaient pas lors de

l’acquisition de notre matériel.

Figure I.12 – Projection en stéréoscopie active.

La stéréoscopie passive

L’usage de deux projecteurs est nécessaire (fig.I.13). Chacun projette une vue

différente. Les images sont polarisées, l’une horizontalement et l’autre

verticalement. La polarisation est soit interne (polarisation au niveau du panneau

LCD ou DLP) soit externe (application d’un filtre polarisant sur les optiques des

CRT). L’écran de projection doit être de type métallisé. En effet, les surfaces

métallisées réfléchissent les ondes électromagnétiques dans la région optique

sans en modifier la polarisation ; ce n’est pas le cas d’une surface peinte en blanc.

L’observateur porte des lunettes passives à filtres polarisés de manière à ce que

chaque œil ne perçoive que l’image qui lui est destinée.

Ce mode de projection stéréoscopique ne nécessite que peu de modification des

projecteurs. C’est donc le dispositif le plus largement répandu.


52

Figure I.13 – Projection en stéréoscopie passive.

La stéréoscopie passive : nouveau procédé

La société Vrex™ vient de déposer le brevet d’un procédé appelé micropolarisation

(µpol™). Il s’agit de permettre aux projecteurs et écrans LCD d’offrir la

stéréoscopie. Le µpol™ est un système optique qui change la polarisation de la

lumière ligne par ligne. Il est constitué d’une série de polariseurs microscopiques

qui alternent spatialement entre une direction de polarisation avec une autre

perpendiculaire à la première. Il est alors possible d’afficher une vue

stéréoscopique sur les lignes polarisées horizontalement et l’autre vue sur les

lignes polarisées verticalement. Le port de lunettes polarisées permet de

reconstruire la vision 3D. Cette technologie est utilisée sur le VR-3100 (tab.I.2) et

pourrait très prochainement équiper des écrans LCD d’ordinateurs portables.

I.5.3. L’offre

La table I.2 présente un panorama de l’offre en projecteurs compatibles avec la

stéréoscopie. Nous justifierons notre choix dans le paragraphe « Notre dispositif»

(Cf.§I.6)


53

Table I.2 – Offre de projecteurs. Cette table récapitule les principaux produits disponibles actuellement (été 2002). A noter, le Barcoreality 6300 que nous avons retenu à l’époque où nous avons constitué notre système de réalité virtuelle n’existe plus. Il est remplacé par le Barcoreality 6500, présentant un flux lumineux deux fois plus important. Aucun des projecteurs a base de DLP n’était alors disponible. Flux

(Lumens) Techno

Résolution

(pixels)

Stéréo Contraste Poids

(KG)

Prix

(Euros)

Barcoreality 6300

Barco.com

2,200

LCD

1280 x 1024

passive

300 :1

17

23 000

Barcoreality 6500

Barco.com

4,300

LCD

1280 x 1024

passive

200 :1

17,7

23 000

Barcogrphics 1209

Barco.com

250

CRT

2500 x 2000

active

1000 :1

82

40 000

Mirage 5000

Electrohome.com

5,000

DLP

1280 x 1024

active

400 :1

42

80 000

Mirage 10000

Electrohome.com

10,000

DLP

1024 x 768

active

300 :1

100

160 000

VR dual1000

Vrex.com

2,000 x 2

LCD

1024 x 768

passive

18

VR4200

Vrex.com

800

DLP

1024 x 768

Passive

ou Active

300 :1

3

20,000

Vr3100

Vrex.com

500

LCD

800 x 600

Passive

200:1

5

Barco Galaxy

Barco.com

5,000

DLP

1280 x 1024

active

500:1

45

80,000


54

I.6. Les systèmes avancés de réalité virtuelle

I.6.1. Introduction

Des systèmes de réalité virtuelle sont disponibles dans plusieurs configurations que l’on

peut classer en fonction de leur degré d’immersivité. Il est à noter que ces systèmes sont

pratiquement tous basés sur la technique de stéréoscopie active par projecteur CRT, ce

qui se traduit par des niveaux de luminosité de l’image relativement faibles. Deux raisons

peuvent expliquer ce choix :

Les systèmes de réalité virtuelle les plus immersifs utilisent plusieurs

projecteurs pour occuper une grande portion de l’espace, voire l’espace entier

(cf.§I.6.6). Utiliser la stéréoscopie passive (qui nécessite un projecteur pour

l’œil droit et un pour l’œil gauche), entraîne un doublement du nombre des

projecteurs et donc une hausse importante du coût du système.

La plupart des systèmes ont été développés avant que les projecteurs DLP

ne soient disponibles et permettent d’atteindre des fréquences de

rafraîchissement suffisante pour la stéréoscopie active. La seule solution était

d’utiliser des projecteurs CRT modifiés pour la stéréoscopie.

Nous allons présenter une revue des différents systèmes de réalité virtuelle classés par

degré d’immersivité croissant.

I.6.2. Les tables de visualisation

Les tables de visualisation constituent une bonne solution lorsque l’objectif est la

présentation en groupe restreint d’objet ou de scènes stéréoscopiques ne nécessitant pas

un haut degré d’immersion. Associé à des outils de navigation 3D (ex .SpaceMouse,…) ou

à des gants haptiques, ces dispositifs permettent la manipulation d’objets graphiques tri-

dimensionnels en temps réel. Les deux modèles présentés ici (cf. figures 3a et 3b) sont

issus de la société Fakespace™, leader mondial des solutions intégrées de réalité

virtuelle. La société SGI™ propose des produits similaires.


55

« L’immersadesk ® R1 » est une table de visualisation « classique » en ceci

qu’elle utilise la technologie CRT et la stéréoscopie active. La luminosité des

images est donc faible puisque le flux lumineux du projecteur ne dépasse pas 250

lumens pour un écran de 1.5 x 1.5 m. L’avantage principal de ce produit réside

dans sa facilité de déplacement et d’installation, puisqu’il peut être replié dans sa

boite de transport en quelques minutes. En configuration de transport, le système

entier tient dans une caisse de dimensions : L=2m ; H=0.86m ; l =1.6m pour 430

kg.

« L’immersadesk ® D1 » est la seule table de visualisation utilisant la

technologie double projecteur LCD et la stéréoscopie passive. Il en résulte une

luminosité importante des images, puisque chaque projecteur fournit un flux de

2,500 lumens par œil pour un écran de 1.2 x 1.6 m. Bien que cela ne soit pas

présenté ici (fig.I.14b), l’écran peut être levé d’un bloc avec les projecteurs pour

permettre une visualisation en mode vertical sans nécessiter aucune nouvelle

mise au point ou calibration. Ce dispositif n’est pas conçu pour être déplacé

facilement. Il est à noter qu’il n’était pas disponible au moment ou nous avons

acquis notre système de réalité virtuelle.

Figure I.14a : « L’immersadesk ® R1 » Figure I.14b : « L’immersadesk ® D1 »

I.6.3. Les salles de visualisation sur écran incurvé

Il s’agit d’une solution de présentation immersive stéréoscopiques pour des assemblées

allant jusqu’à 60 personnes. Le « GVR 120 » de la société Panoram Technologies™, offre

un écran de 8.5 x 2.5 m, incurvé pour augmenter la sensation d’être dans

l’environnement. Ce dispositif est basé sur trois projecteurs CRT modifiés pour permettre

la stéréoscopie active.


56

Figure I.15 - L’image projetée à une définition de 2560 x 764 pixels. Chaque projecteur fournit un tiers de l’image dans une définition de 1024 x 768 pixels. la zone de recouvrement entre deux tiers d’image est de 256 pixels.

1024 1024 1024

764

764

764

2560

256 256

Entre les projecteurs et la source informatique ou vidéo, se trouve un système de gestion

assurant trois rôle principaux :

Découpe automatiquement de l’image en trois. Chaque tiers est dirigé vers le

projecteur auquel il est destiné (fig.I.15).

Application d’un coefficient de déformation de l’image pour prendre en compte

l’incurvation de l’écran.

Maintenance du système.

Grâce à ce système de gestion, le GVR 120 se pilote sans avoir aucune modification à

apporter aux images sources.

On peut penser que les nouveaux projecteurs DLP capables de supporter les fréquences

de rafraîchissement de la stéréoscopie active remplaceront bientôt les projecteurs CRT.

La luminosité des images sera alors considérablement augmentée.

Figure I.16 : le « curved screen GVR-120 ®» permet la présentation à des assemblées de grande taille. (ww.panoramtech.com).


57

I.6.4. Les RAVE (« Reconfigurable Automatic Virtual Environment »)

Le système RAVE développé par la société Fakespace™, est composé d’un ensemble de

modules (généralement trois) contenant l’écran et le dispositif de projection. On voit sur

le figure 6b que ces modules sont de grande taille : la surface écran mesure 2.4 x 2.4 m,

la largeur du module est de 3.4 m. Le module central contient deux dispositifs de

projection : l’un pour le mur et l’autre pour le sol grâce à un miroir.

Les modules du système RAVE présentent l’avantage de pouvoir être reconfigurés de

plusieurs manières en fonction de l’utilisation que l’on souhaite en faire. Il est possible

d’obtenir une mur de 7.3 m de long pour les larges audiences (fig.I.17a), une salle

immersive à 4 murs (fig.I.17b) ou trois murs séparés.

Figure I.17a et I.17b : Le système RAVE permet de modifier la configuration de l’environnement virtuel en fonction de l’utilisation qui en est faite.

Figure 17a Figure 17b

I.6.5. Les dispositifs de visualisation hémisphériques

Il s’agit du dispositif de visualisation le plus récent et le plus intéressant à plusieurs

égards. C’est la société Elumens™ qui a développé et commercialisé ce concept il y

environ trois ans. L’idée est de rendre les images plus immersives en utilisant un écran

de projection hémisphérique (fig.I.18a). L’écran est incliné et positionné de manière à

occuper 180° du champ visuel de l’utilisateur. Si les images étaient projetées sur un tel

écran avec un projecteur classique, elles seraient largement déformées. Elumens™ a

donc développé un ensemble d’optiques et d’applications destinées à créer des images

sphériques et à distribuer les pixels de manière homogène sur l’écran. Plusieurs modèles

de ces écrans existent en fonction du nombre d’utilisateurs possibles. Les

« VisionStations » sont conçues pour accueillir de 1 à 5 personnes (fig. I.18b et I.18c).


58

Les « VisionDomes » sont des dispositifs plus vastes, présentant des écrans de 4 à 5

mètres de diamètre, et permettant l’accueil de groupe allant jusqu’à 20 personnes

(fig.I.19).

Figure I.18a : principe de la « VisionStation »

Figure I.18b : « VisionStation » pour un utilisateur

FigureI.18c : « Visionstation3 » Pour 5 utilisateurs

Récemment, Elumens™ a intégré la projection stéréoscopique aux « VisionStation3 ». Le

projecteur choisi est de type DLP et permet la stéréoscopie active. Dans le but de réduire

les coûts, le projecteur choisi produit un flux lumineux de 1300 lumens, ce qui est

relativement faible comparé aux flux autorisés par cette technologie. Ce handicap, par

rapports à nos contraintes expérimentales, n’enlève rien à l’intérêt de ce concept qui

pourrait bien remplacer rapidement les dispositifs « Desks » et « Rave ». Par rapport aux

autres systèmes de présentation, les « VisionStation » présentent l’avantage d’être très

compétitives d’un point de vue financier. Par ailleurs, ces systèmes ont été conçu de

manière à pouvoir être très facilement transportables. Une « VisionStation3 » peut être

montée en deux heures par deux personnes. Un « VisionDome4 » peut être monté en

moins de 4 heures par 3 ou 4 personnes.

Figure I.19 – Le « VisionDome5 » permet la présentation d’images à des assemblées allant jusqu’à 20 personnes.


59

Dans le but d’augmenter l’intégration de ses systèmes de présentation, la société

Elumens™ a signé cette année un partenariat avec SGI™. L’application SPI (Spherical

Projection of Images) qui permet l’adaptation des images au support sphérique a été

intégrée aux environnements de développement IRIX® et OPEN GL®. Elumens™ est

donc a même de fournir des solutions complètes, de l’informatique jusqu’à la projection.

Si la « VisionStation3 » stéréoscopique avait été disponible au moment de l’acquisition de

notre système de réalité virtuelle, il est fort probable que nous aurions retenu cette

solution.

I.6.6. Les CAVE (« Cubic Automatic Virtual Environment »)

Comme les Desks et les RAVEs, les CAVEs ont été développés par Fakespace™.

Aujourd’hui, SGI™ propose des solutions équivalentes pour ces trois types de dispositifs

de visualisation. Le CAVE (fig.I.20a) est le dispositif le plus immersif. Dans sa

configuration maximale, le sujet est placé dans un cube dont les 6 faces servent de

surface de projection. Le sujet n’a plus aucun contact visuel avec l’extérieur du monde

virtuel. Les projecteurs sont situés à l’extérieur du cube et projettent l’image via un

système de miroirs (fig.I.20b). Les solutions proposées sont à base de projecteurs CRT et

le mode stéréoscopique est actif. Il serait possible aujourd’hui de remplacer le CRT par

du DLP afin de profiter du flux lumineux de cette technologie. Cependant, le prix d’un

projecteur DLP à 5000 lumens étant environ 4 fois supérieur à celui d’un CRT, le coût du

dispositif serait augmenté d’autant. Le dispositif de projection seul (sans l’informatique)

atteindrait les 500 000 Euros. Malgré son coût élevé, le CAVE est le dispositif de

visualisation immersive le plus répandu. En plus de l’immersion complète, il présente

l’avantage de pouvoir accueillir plusieurs personnes. Comme pour les dispositifs

précédents l’usage d’interfaces (gants haptiques, spacemouse,..) permet l’interaction

avec les objets virtuels. Evidemment, ce dispositif est très peu mobile.

Figure I.20a et I.20b : Le système CAVE est l’environnement le plus immersif disponible.

Figure I.20a

Figure I.20b


60

I.7. Notre dispositif

Rappelons que nos contraintes étaient les suivantes :

Le système devait être stéréoscopique

Le système devait être lumineux (au moins 200 à 300 CD/m² sur l’écran)

Le système devait permettre la projection d’images occupant une large portion

du champ visuel (au moins 90°)

Le coût du système dans son ensemble ne devait pas excéder 500 000 francs.

I.7.1. Le dispositif de visualisation

Les dispositifs de réalité virtuelle que nous avons détaillé précédemment (cf. partie les

projecteurs) ne convenaient pas à notre projet pour trois raisons principales:

1/ leur prix excédait notre budget dans toutes les configurations mis à part les

tables de visualisation

2/ la quantité de lumière fournie était insuffisante, puisque tous ces systèmes

étaient au moment de l’achat basés sur les solutions CRT.

3/ la plupart de ces dispositifs (en particulier RAVE et CAVE) sont techniquement

trop complexes par rapport à nos besoins. Notre objectif étant d’avoir une

première évaluation des qualités de rendu perceptif d’un environnement virtuel,

nous n’avions pas besoins d’utiliser immédiatement un système d’immersion

totale.

Afin d’atteindre notre objectif de luminosité, seule une solution basée sur un projecteur

LCD était envisageable. Comme nous l’avons déjà noté, les projecteurs DLP™ à haute

fréquence de rafraîchissement n’étaient pas encore disponibles au moment de l’achat de

notre système. Par défaut, nous avons opté pour un système stéréoscopique passif.


61

L’offre de projecteurs LCD polarisés était très faible en France. Deux facteurs ont orienté

notre choix vers la société Barco™ :

1/ elle était la seule à vendre des projecteurs LCD conçus spécifiquement pour la

stéréoscopie passive.

2/ elle était la seule à pouvoir nous offrir un écran conservant la polarisation en

cas de projection par l’arrière (fig.I.21a). En effet, si la projection avant sur écran

métallisé permet depuis plusieurs années la stéréoscopie passive, l’introduction de

la lentille de Fresnel (fig.I.21b) traitée pour conserver la polarisation en projection

arrière est très récente. Notre écran est le premier de ce type à avoir été vendu

en France. L’usage d’une lentille de Fresnel présente deux avantages liés:

Premièrement elle permet de réduire le « point chaud ». Ce phénomène de

concentration de la luminosité au centre de l’écran aux dépends des coins, est dû

à l’incapacité des écrans diffusants à rediriger la lumière vers l’observateur. De ce

fait, une grande partie du flux est diffusé dans des directions non utiles

(fig.I.21b). Cependant, même réduit, le « point chaud » existe toujours. Nous

l’avons mesuré précisément pour la taille d’image utilisée dans notre étude (voir

ci-dessous.)

Deuxièmement, la lentille de Fresnel permet une augmentation de la luminosité

globale de l’image du fait de la redirection du flux. Par ailleurs, la projection par

l’arrière permet d’augmenter la luminosité de l’image en diminuant les

interférences de l’éclairage ambiant.

Figure I.21a : La projection par l’arrière permet de diminuer les interférence de la lumière ambiante et de profiter des avantages d’une lentille de Fresnel comme écran de projection.

Figure I.21b : la lentille de Fresnel redirige la lumière en ligne droite vers l’observateur, permettant un gain de luminosité par rapport à un écran diffusant et une diminution importante du « point chaud ». (www.dnp.dk)


62

Nous avons voulu quantifier l’effet du « point chaud » sur la répartition des luminances.

Des mesures ont été prises pour différentes tailles d’images. Finalement, nous avons

retenu une taille de 160 x 120 cm. Cette dimension permet d’optimiser la sensation

d’immersion tout en garantissant des niveaux de luminance satisfaisants ( jusqu’à 280

cd/m² sur une page blanche).

Pour réaliser ces mesures, nous avons affiché à l’écran une cible sur fond blanc (fig.I.22).

Tous les 5 cm un point était marqué. Les relevés ont été effectués en pointant le

luminancemètre à 1 cm sous chaque point. Nous avons déplacé le pied du

luminancemètre le long de repères au sol, de manière à garder une incidence normale

par rapport à l’écran et une distance à l’écran constante (1m). Les valeurs relevées sont

données sur la figure I.23. On peut voir qu’entre le centre et les bords de l’image, une

baisse d’environ 50% de la luminance est observée. Cependant, à 55cm du centre la

perte de luminance n’est que de 25%. Ceci signifie que dans le sens de la longueur, les

2/3 de l’image supportent une baisse de 25% de la luminance ; et que dans le sens de la

largeur (120 cm), la perte de luminance entre centre et bord est de 25%.

Figure I.22 : Cible utilisée pour les relevés. Les mesures ont été effectuées au niveau des points.

Figure I.23 : Relevés de luminance tous les 5 cm sur un écran de 160 x 120 cm.

Relevé de luminance

120

170

220

270

320

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

distance au centre de l'écran (cm)

Lum

inan

ce (c

d/m

²)

En faisant l’hypothèse que les luminance étaient reparties de la même manière dans

toutes les directions, nous avons interpolé une représentation tridimensionnelle du point

chaud sur toute la surface de l’écran (fig.I.24).

L’éventuel impact du point chaud sur la perception des ambiances lumineuses sera

discuté au fur et à mesure de notre exposé.


63

Figure I.24 : Représentation tridimensionnelle du point chaud sur un écran de 160 x 120 cm.

-80

-60

-40

-20 0 20 40 60 80

-60-40-200204060

020406080100120140160180200220240260280300

Luminance (cd/m²)

Distance au centre de l'écran dans la longeur (cm)

Distance au centre de

l'écran dans la largeur (cm)

Représentation graphique du point chaud

280-300260-280240-260220-240200-220180-200160-180140-160120-140

Au total, notre système de projection était composé d’une part, de deux projecteurs

polarisés « Barco 6300 », à haut flux lumineux (2200 lumens chacun), et d’autre part,

d’un écran large (2.5 x 1.5 m) type lentille de Fresnel modifié pour la stéréoscopie

passive. Le flux lumineux de nos projecteurs nous permet d’obtenir une luminance

d’écran allant de 100 à 400 Cd/m² sur une plage blanche selon la taille de l’image. Le

coût de ce système était d’environ 350 000 francs, répartis en 150 000 francs par

projecteur, plus 50 000 francs pour l’écran.

I.7.2. Le dispositif informatique

Le point le plus original de notre dispositif de réalité virtuelle est le système de contrôle

informatique que nous avons développé. Afin de ne pas dépasser notre budget

informatique (500.000 –350.000 pour la projection = 150.000 francs), nous avons dû

construire un système de gestion des images encore jamais réalisé. Les stations de

travail dédiées à la gestion des dispositifs de réalité virtuelle (type «SGI Onyx 2 ») sont

des machines dont l’entrée de gamme se situe autour de 500.000. Ce type de

supercalculateur ne nous convenait pas, non seulement pour une question de coût, mais

également pour leur surcapacité de calcul par rapport à nos besoins. En particulier, ces

machines sont capables de gérer la production d’images stéréoscopiques en temps réel,

ce qui n’est pas utile pour notre application dans laquelle les scènes seront fixes et pré-

calculées.


64

Le principe de notre système informatique est le suivant : utiliser deux stations de travail

graphiques d’entrée de gamme (« SGI 320 » sur plateforme Windows NT) et les relier

par un protocole de communication réseau afin de coordonner la gestion des deux flux

d’images. Une station est dédiée aux images de la vue gauche et l’autre aux images de la

vue droite. L’une des deux machines est désignée comme étant l’ordinateur maître,

l’autre comme esclave. Lorsque le maître affiche une image pour la vue qui lui

correspond, il envoie un message à l’esclave qui affiche passivement la même image

pour l’autre vue. Le temps de communication entre les deux machines est suffisamment

court pour que l’observateur ne ressente aucune gêne visuelle lorsqu’il passe d’une

image à l’autre.

Cette technique nous a permis d’avoir un système informatique parfaitement adapté à

notre projet pour un coût (40 000 francs par station SGI) de 5 à dix fois inférieur à celui

d’une station « Onyx 2 ». La figure I.25 schématise notre système au complet.

Figure I.25 : Notre dispositif de projection est constitué de deux canaux (vue droite / vue gauche) indépendants. Ces canaux sont contrôlés par deux stations de travail liées par une connexion réseau : lorsque le maître envoie une image de la vue droite, l’esclave reçoit l’ordre d’afficher la même image pour la vue gauche. Les interfaces « MagicBarco » permettent d’avoir un retour écran de ce qui s’affiche sur chaque projecteur et un contrôle colorimétrique précis sur chacun des canaux Rouge, Vert, Bleu.


65

I.7.3. La salle expérimentale

Pour l’installation de notre dispositif réalité virtuelle, nous souhaitions un local le plus

sombre possible afin de maximiser la sensation lumineuse. Nous avons aménagé une

salle au sous-sol de l’ENTPE. Prévue à l’origine pour accueillir des Travaux Pratiques

d’éclairagisme, cette salle était à la fois aveugle et peinte en noir mat. Le dispositif

informatique (stations SGI et moniteurs) a été placé dans un coin et isolé du reste de la

pièce par un rideau de séparation noir. Les figures I.26 et I.27a, b, c présentent le plan

et quelques vues de la salle de réalité virtuelle.

Figure I.26 : Plan de la salle expérimentale


66

Figure I.27a : Deux stations graphiques génèrent et contrôlent chacune les images pour un œil.

Figure I.27b : Les images sont projetées par le biais de deux projecteurs, l’un polarisé horizontalement, l’autre verticalement.

Figure I.27c : Le port de lunettes polarisées permet à chaque œil de ne voir que l’image qui lui est destinée, recréant une perception stéréoscopique de l’environnement.

Documents

Chapitre I. Choix d’un dispositif de réalité virtuelle