virtuelle, réalité - informatique.

virtuelle, réalité - informatique. 1 PRÉSENTATION virtuelle, réalité, système qui permet à un ou plusieurs utilisateurs de regarder, de se déplacer et de réagir dans un univers simulé par ordinateur. Un dispositif de réalité virtuelle (RV) doit réagir en temps réel aux interactions de l'utilisateur afin d'accentuer son sentiment d'immersion. L'utilisateur est immergé dans la réalité virtuelle soit directement à l'aide d'écrans ou de lunettes, soit indirectement par le biais d'un avatar (ou personnage virtuel) le représentant au sein du monde virtuel. 2 PRINCIPE Un système de réalité virtuelle repose sur divers dispositifs d'interface qui permettent aux utilisateurs de voir, de toucher, de prendre et même de manipuler des objets virtuels. Les mondes virtuels et tout ce qu'ils contiennent -- y compris les images de synthèse des participants -- sont représentés par des modèles mathématiques et par des programmes informatiques (techniques de modélisation). Les simulations de réalité virtuelle diffèrent des autres simulations informatiques par leur exigence de dispositifs d'interface spéciaux. Ces dispositifs transmettent en temps réel les aspects, les sons et les sensations de mondes simulés à l'utilisateur. Ils enregistrent et envoient aussi les propos et les mouvements des participants aux programmes de simulation. Plutôt que d'utiliser un clavier ou une souris ( voir dispositifs de pointage) pour communiquer avec l'ordinateur, ces dispositifs spéciaux permettent de se déplacer, d'agir et de communiquer avec l'ordinateur par des moyens plus proches des situations de la vie quotidienne. Ce style naturel d'interaction et la possibilité de regarder autour de soi donnent au participant la sensation d'être immergé dans le monde simulé. Les progrès technologiques améliorent le réalisme de la réalité virtuelle mais ne lui permettent pas encore d'égaler la réalité physique. Aussi l'intérêt principal de la réalité virtuelle réside aujourd'hui dans sa capacité à nous permettre d'évoluer à des échelles inhabituelles dans des objets de la réalité physique ou au sein de représentations de constructions mathématiques abstraites et complexes. 3 DISPOSITIFS D'INTERFACE 3.1 Interfaces visuelles Pour voir le monde virtuel, les utilisateurs portent un casque de réalité virtuelle (CRV) qui présente devant chaque oeil un afficheur informatique. Le CRV isole ainsi l'utilisateur du monde extérieur en occupant la quasi-totalité de son champ visuel. Le CRV contient aussi un capteur de position pour mesurer la position de la tête de l'utilisateur et la direction dans laquelle il regarde. Muni de ces données, une station de travail informatique (généralement, une grappe de micro-ordinateurs en réseau) peut recalculer les images du monde virtuel -- des images légèrement différentes pour chaque oeil -- correspondant à la direction dans laquelle l'utilisateur est en train de regarder, et afficher ces images dans le CRV. Le fait d'afficher une image correspondant à la vue de chaque oeil donne à l'utilisateur une perception tridimensionnelle (3D) du monde virtuel par effet stéréoscopique. L'ordinateur doit générer des images de nombreuses fois par seconde, de sorte que l'utilisateur ne reçoive pas une image qui saute et semble retardée sur ses propres mouvements. Les écrans à cristaux liquides et les tubes à rayons cathodiques sont les deux technologies de CRV existantes. Les seconds proposent une meilleure résolution de l'image affichée mais nécessitent une puissance de calcul supérieure. Même si les ordinateurs ont vu leur puissance augmenter spectaculairement, les décors des mondes virtuels doivent demeurer assez simples, de façon à ce que l'ordinateur puisse mettre à jour suffisamment vite les images virtuelles -- au moins dix fois par seconde. Du fait de ces simplifications et des imperfections des afficheurs visuels actuels et des graphismes informatiques, les participants à la réalité virtuelle peuvent facilement distinguer une simulation de la réalité physique. D'autres dispositifs plus lourds, tels que les écrans courbes, hémisphériques ou sphériques, permettent de plonger l'utilisateur dans un monde virtuel. Cependant, dans certaines applications, il est préférable de ne pas immerger totalement l'utilisateur, mais, au contraire, de superposer des images virtuelles à sa perception du monde réel. On parle alors de réalité augmentée pour laquelle on utilise des casques non immersifs ou des lunettes stéréoscopiques à cristaux liquides. 3.2 Interfaces auditives Les utilisateurs peuvent entendre des sons dans un monde virtuel, grâce à des écouteurs inclus dans le CRV. Les données fournies par le capteur de position du CRV peuvent aussi servir à mettre à jour les signaux sonores : lorsqu'une source sonore n'est pas exactement devant ou derrière l'utilisateur, le son parviendra à chacune des oreilles avec un léger décalage dans le temps et sera aussi un peu plus fort ou plus faible, et de hauteur légèrement différente. Le cerveau compare les signaux sonores parvenant à chaque oreille et se sert de ces différences pour situer les sources sonores dans l'espace. L'ordinateur utilise les informations de position du CRV pour transmettre, via les écouteurs, des sons qui semblent venir d'un endroit précis de l'espace virtuel. Cependant, comme pour les images visuelles, d'importants défis scientifiques et techniques doivent être surmontés afin de simuler de façon précise tous les sons entendus dans le monde physique. 3.3 Interfaces olfactives Pour compléter la liste des interfaces sensorielles de la réalité virtuelle, des interfaces olfactives ont également été développées. Fondées sur des dispositifs de synchronisation entre l'image et l'odeur, elles permettent d'activer des diffuseurs de parfum placés autour du cou de l'utilisateur pour le renseigner sur l'odeur d'un objet virtuel proche. 3.4 Interfaces tactiles Le gant sensitif est l'un des principaux dispositifs d'interaction entre l'utilisateur et l'environnement virtuel. Il s'agit d'un gant de Nylon muni d'un capteur de position et d'orientation de la main, ainsi que de capteurs composés de fibres optiques ou de couches d'encre conductrice capables de transmettre des informations relatives à la flexion des doigts. La main de l'utilisateur peut alors être assimilée à une main virtuelle lui permettant de créer ou de manipuler des objets virtuels. Les gestes de la main peuvent également être interprétés comme des instructions par l'ordinateur auquel le gant est lié. Ces gestes peuvent aussi être transmis par l'ordinateur à un dispositif mécanique (un bras de robot, par exemple), piloté ainsi à distance. La souris tridimensionnelle (3D) est un autre dispositif d'interaction : elle est composée d'une boule rigide et d'un ensemble de capteurs de pression capables de détecter les forces et torsions appliquées par l'utilisateur sur la boule selon six degrés de liberté et de les répercuter sur un objet virtuel afin de le déplacer. Par ailleurs, la combinaison sensitive est un costume revêtu par l'utilisateur, lui permettant de transmettre les mouvements de son corps à un avatar dans un environnement virtuel. Le tactile se rapporte à la sensation de contact physique, ressentie par les muscles, les tendons, les articulations et la peau d'un individu. L'interface tactile -- également appelée haptique -- avec les mondes virtuels est la moins développée, et peutêtre celle qui pose le plus de difficultés aux chercheurs. Il est particulièrement difficile de reproduire les forces ressenties lorsqu'un individu frappe légèrement une surface dure, prend un objet ou déplace un doigt sur une étoffe. Afin de simuler ces sensations, un ensemble de moteurs contrôlés par ordinateur aurait besoin de générer un retour d'effort, en agissant physiquement sur l'utilisateur. Ces moteurs devraient être plus rapides et plus précis que ceux qui sont disponibles à l'heure actuelle. Un autre problème difficile consiste à déterminer la manière dont un utilisateur serait équipé de ces moteurs et du câblage nécessaire à leur contrôle. Les sensations tactiles, les images et les sons devraient être synchronisés afin que les utilisateurs les perçoivent dans leur CRV. Plusieurs sociétés ont développé des dispositifs légers qui peuvent appliquer de petites forces, grâce à une liaison mécanique, à un stylet tenu par la main de l'utilisateur. L'effet est similaire à celui consistant à tâter le monde virtuel avec un crayon. Les utilisateurs peuvent ressentir le contact entre la pointe du crayon et un objet virtuel, et ils peuvent frotter le crayon sur la surface pour éprouver la texture et la forme de la surface. Reproduire les sensations de toucher et de résistance est un défi important de la réalité virtuelle. Des gants capables de restituer une partie de ces sensations à la saisie d'un objet virtuel commencent néanmoins à apparaître (interfaces à retour d'effort, à retour thermique, etc.). 4 APERÇU HISTORIQUE Bien que la réalité virtuelle ne soit que récemment parvenue à l'attention du public, des chercheurs travaillent sur les interfaces sensorielles et motrices depuis de nombreuses années. Les premières versions de CRV remontent aux années 1960 ; elles sont signées Raymond Goertz, de l'Argonne National Laboratory (ANL), et Ivan Sutherland, du Massachusetts Institute of Technology (MIT). Plus tard, Goertz et Michael Noll des Laboratoires Bell seront à l'origine du développement de prototypes de dispositifs à retour d'effort. Depuis la fin des années 1990, les dispositifs de réalité virtuelle connaissent des progrès spectaculaires, liés principalement à la croissance exponentielle de la puissance de calcul des micro-ordinateurs et de leur capacité de mémoire. Cette révolution informatique, doublée d'une révolution technologique stigmatisée par l'apparition des petits afficheurs à cristaux liquides (LCD) pouvant être utilisés dans les CRV, contribuent au développement et à l'utilisation par les scientifiques, dans de nombreux laboratoires, de simulations en réalité virtuelle. La réalité virtuelle est ainsi devenue un outil incontournable pour explorer et manipuler des données expérimentales par des moyens auparavant impossibles. 5 APPLICATIONS 5.1 Divertissements Le champ d'application principal de la réalité virtuelle concerne le domaine des divertissements : jeux vidéo, cinéma d'animation, cinéma de science-fiction (notamment eXistenZ de David Cronenberg et Matrix des frères Wachowski), effets spéciaux, etc. 5.2 Téléchirurgie Le secteur médical, et en particulier la chirurgie, est l'un des domaines d'application privilégiés de la réalité virtuelle. En effet, opérer localement un patient virtuel -- les gestes du chirurgien étant transmis par réseaux hauts débits ou par satellite à un robot qui reproduit les mêmes gestes sur un patient distant -- est devenu une réalité le 7 septembre 2001 lors de l'opération de téléchirurgie, baptisée « Opération Lindbergh « en hommage à l'aviateur Charles Lindbergh ayant traversé l'Atlantique en 1927. Cette première opération de téléchirurgie, réalisée via un système haut débit par fibre optique de 10 Mb/s (mégabits par seconde) entre un chirurgien opérant un patient virtuel à New York et une patiente alitée à Strasbourg, a ouvert la voie à de nouvelles pratiques chirurgicales d'une précision extrême. Parallèlement, des simulateurs 3D d'anatomie et de chirurgie ont été développés pour permettre aux chirurgiens de s'exercer à pratiquer une opération sur un patient virtuel. 5.3 Arts et éducation Les secteurs des arts et de l'éducation bénéficient également des progrès réalisés en réalité virtuelle. Les projets les plus aboutis dans ces domaines se présentent sous la forme de visites virtuelles : par exemple les amateurs d'art peuvent visiter virtuellement les plus grands musées du monde ; de leur côté, les architectes peuvent faire visiter virtuellement une nouvelle maison à l'acheteur éventuel avant qu'elle ne soit construite ; par ailleurs, des sites totalement ou partiellement disparus, comme l'Acropole (Athènes), le Colisée (Rome) ou le temple d'Abou Simbel (Égypte), peuvent être modéliser et faire l'objet d'une visite virtuelle pédagogique. Les visites virtuelles constituent ainsi de précieux outils d'apprentissage. 5.4 Secteurs industriels L'industrie automobile s'intéresse également aux systèmes de réalité virtuelle. Les concessionnaires automobiles peuvent, en effet, appliquer le principe des visites virtuelles pour montrer à leurs clients un modèle qui n'est pas encore sorti des chaînes de fabrication. Les systèmes de réalité virtuelle servent aussi de dispositif d'entraînement en aéronautique et en aérospatiale, notamment sous la forme de simulateur de vol. De manière générale, tous les laboratoires de recherche des grandes sociétés (EDF, SNCF, etc.) s'attellent à la mise en oeuvre de systèmes de réalité virtuelle, en particulier au niveau de la conception industrielle ( voir conception et fabrication assistées par ordinateur). 5.5 Communications Des systèmes de réalité virtuelle commencent également à voir le jour dans le domaine des communications. Des projets de simulations de réalité virtuelle en réseau sont développés pour permettre à de nombreuses personnes de participer et de se sentir présents dans des téléconférences, dans des blocs opératoires virtuels, ou dans des exercices d'entraînement militaire simulés, bien qu'ils puissent se trouver sur des continents différents. Par ailleurs, la réalité virtuelle constitue un outil de choix pour aider à lutter contre des phobies comme le vol aérien et plus généralement pour permettre à un utilisateur de s'habituer à des situations nouvelles et perturbantes. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.