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HAL Id: tel-00292097 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00292097 Submitted on 30 Jun 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Contribution à la conception et à la réalisation d’un système de réalité augmentée pour la maintenance. Nadia Zenati - Henda To cite this version: Nadia Zenati - Henda. Contribution à la conception et à la réalisation d’un système de réalité augmen- tée pour la maintenance.. Automatique / Robotique. Université de Franche-Comté, 2008. Français. tel-00292097 Année : 2008 THESE présentée à L’UFR des Sciences et Techniques De l’Université de Franche-Comté Pour obtenir le GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE En Automatique (Ecole doctorale Sciences Physiques pour l’Ingénieur et Microtechniques) Contribution à la conception et à la réalisation d’un système de réalité augmentée pour la maintenance par Nadia Zenati-Henda Soutenue le 18 Juin 2008 devant la commission d’examen : Pierre Borne Professeur à l’Ecole Centrale de Lille Président de jury Zineb SIMEU-ABAZI Maître de conférences à l’université Joseph Fourrier, Grenoble Rapporteur Pascal LORENZ Professeur à l’Université de Haute Alsace, Colmar Rapporteur Hamid Bessalah Maître de recherche au Centre de Développement des Technologies Avancées, Alger Examinateur Kondo Adjallah, Maître de conférences à l’Université de Technologie de Troyes Examinateur Noureddine Zerhouni Professeur à l’ENSMM de Besançon Directeur de thèse Jean-Louis DAUTIN Directeur de CLARTE, Laval Invité Pascal Bressy Responsable du département Exploitation DCNS, Toulon Invité 2 3 Remerciements Mes travaux de thèse présentés dans ce manuscrit n’auraient jamais pu aboutir sans l’aide et le soutien de nombreuses personnes que je tiens particulièrement à remercier. Tout d’abord un grand et chaleureux merci à mon directeur de thèse, Noureddine Zerhouni, professeur à l’Ecole Nationale Supérieure de Mécaniques et Microtechniques de Besançon (ENSMM) pour son encadrement, ses conseils et ses encouragements et surtout pour m’avoir fait confiance et fourni une ouverture sur d’autres travaux de recherche. Je suis également très reconnaissante envers les membres de mon jury de thèse pour le temps qu’ils m’ont consacré. J’en suis honorée. Merci à mes deux rapporteurs, Zineb Simeu-Abazi et Pascal Lorenz, merci à Pierre Borne, président du jury, merci à Kondo Adjallah et Hamid Bessalah, examinateurs. Mes remerciements vont également aux membres de l’équipe Vision Artificielle et Interprétation d’Images du Centre de Développement des Technologies Avancées d’Alger (CDTA) qui ont su créer et entretenir une ambiance de travail très sympathique. Je remercie également les membres de l’équipe COSMI du Département Automatique des systèmes Micro-Mecatroniques (AS2M) de FEMTO-ST pour leur soutien et en particulier Brigitte Morello, Kamel Medjaher et Karim Haouchine. Un remerciement tout particulier à Martine Azema du département de l’ENS2M de Besançon pour son aide. Un grand Merci également à mes parents et ma famille. Le dernier mot, tout simplement personnel, est pour Karim pour sa présence à mes cotés, sa patience et sa compréhension, malgré les errances de mon humeur. Merci… 4 Table des matières Introduction générale_________________________________________________ 12 Chapitre I La réalité augmentée : état de l’art ____________________ 15 Introduction __________________________________________________________ 15 I.1 La réalité augmentée : définitions ________________________________ 16 I.2 La réalité virtuelle ________________________________________________ 17 I.2.1 Définitions____________________________________________________________17 I.2.2 De la réalité virtuelle à la réalité augmentée _________________________18 I.3 Continuum réel virtuel____________________________________________ 19 I.4 Exemples de systèmes RA_________________________________________ 23 I.4.1 Applications pour la bureautique _____________________________________ 23 I.4.1.1 Le DigitalDesk [Wel93] _____________________________________________________ 23 I.4.1.2 Applications basées sur Navycam [RN95] ___________________________________ 24 I.4.1.3 Audio notebook [Sti96]_____________________________________________________ 24 I.4.1.4 LivePaper [RR01] __________________________________________________________ 25 I.4.2 Applications dans le domaine Médical ________________________________26 I.4.2.1 Casper [Dub01]____________________________________________________________ 26 I.4.2.2 Medarpa (MEDical Augmented Reality for PAtients) [FSA+05] ________________ 27 I.4.2.3 Virtual Mirror Box [OPM+03]. ______________________________________________ 28 I.4.2.4 Ramp (Reality Augmentation for Medical Procedures) [SKV02]._______________ 29 I.4.3 Applications pour la conception ______________________________________29 I.4.3.1 Le système Build-IT : Tangible Interaction for collaborative Design [FVB+00] _ 29 I.4.3.2 SeamlessDesign [KTY 99] __________________________________________________ 30 I.4.3.3 Le système Ambiente [SPM+02] ____________________________________________ 31 I.4.4 Applications pour l’architecture et l’urbanisme ______________________ 32 I.4.4.1 ARTHUR (Augmented Round Table for Architecture and Urban Planning)[GMS+03] _______________________________________________________________ 32 I.4.4.2 Architectural Anatomy [WFM+96].__________________________________________ 32 I.4.4.3 Le système Ariel [Mac98]___________________________________________________ 33 I.4.5 Les applications pour les jeux ________________________________________34 I.4.5.1 Jeu Mah-jongg [SEG98]____________________________________________________ 34 I.4.5.2 TROC [BNR+02].___________________________________________________________ 34 I.4.5.3 Le train invisible [WPS05] __________________________________________________ 35 I.4.6 Applications pour l’archéologie_______________________________________35 I.4.6.1 Archeoguide [GD01] _______________________________________________________ 35 I.4.6.2 Magic [RNB04]____________________________________________________________ 36 I.4.7 Applications pour la maintenance ____________________________________37 I.4.7.1 KARMA [FMS93]___________________________________________________________ 37 I.4.7.2 Le système ARC (Augmented Reality for Construction) [WFM+96] ____________ 38 I.4.7.3 STARMATE [Sch01]________________________________________________________ 38 I.4.7.4 ARVIKA [Ede02] ___________________________________________________________ 39 6 I.4.7.5 SEAR [GGZ+03] ___________________________________________________________ 40 I.4.7.6 AMRA [DRM+05] __________________________________________________________ 41 I.4.8 Autres domaines d’applications ______________________________________42 I.4.8.1 Le musée augmenté [RN95] ________________________________________________ 42 I.4.8.2 Arlibrary [RN95] ___________________________________________________________ 42 I.5 Synthèse et discussion ____________________________________________ 43 I.6 Conclusion_________________________________________________________ 45 Chapitre II Modèles pour l’interaction Homme-Machine ____________ 47 Introduction __________________________________________________________ 47 II.1 Environnement et développement des systèmes interactifs : les modèles d’interaction_________________________________________________ 48 II.1.1 Modèle d’interaction de Norman : la théorie d’action de Norman____48 II.1.2 Interaction instrumentale ___________________________________________50 II.1.3 Le modèle DPI (document, présentations, instruments) _____________51 II.1.4 La théorie de l’activité médiatisée par l’instrument _________________53 II.1.5 Le modèle d’interaction physique de SATO __________________________53 II.2 Modèles spécifiques aux systèmes basés sur la réalité augmentée ________________________________________________________________________ 54 II.2.1 Description du formalisme ASUR ____________________________________ 54 II.2.2 Le modèle IRVO______________________________________________________ 57 II.3 Modèles d’architectures logicielles : modèles de références pour les systèmes interactifs __________________________________________________ 59 II.3.1 Les modèles à couches_______________________________________________60 II.3.1.1 Les principes du modèle de Seeheim _______________________________________ 60 II.3.1.2 Le modèle de référence Arch ou Seeheim révisé_____________________________ 61 II.3.2 Les modèles multi-agents____________________________________________62 II.3.2.1 Le modèle MVC (Model-View-Controller)____________________________________ 63 II.3.2.2 Un agent PAC : un agent à facettes ________________________________________ 63 II.3.2.3 Le modèle AMF élémentaire _______________________________________________ 64 II.3.3 Les modèles hybrides ________________________________________________65 II.3.3.1 Le modèle PAC-Amodeus __________________________________________________ 65 II.4 Conclusion ________________________________________________________ 69 Chapitre III Outils de conception et de réalisation logicielles de système de réalité augmentée ________________________________________ 70 Introduction __________________________________________________________ 70 III.1 Eléments de conception et de réalisation d’un système interactif ________________________________________________________________________ 71 III.1.1 Le modèle de cycle en cascade______________________________________71 III.1.2 Le modèle de cycle en spirale _______________________________________72 III.1.3 Le modèle de cycle en V ____________________________________________73 III.2 Propriétés ergonomiques d’un système de réalité augmentée ___ 76 7 III.3 Espace de conception : la conception globale ___________________ 78 III.3.1 UML : un modèle d’interaction pour les systèmes de réalité augmentée _________________________________________________________________78 III.3.1.1 Diagramme de classes____________________________________________________ 79 III.3.1.2 Notions utilisés dans le diagramme des classes ____________________________ 79 III.3.1.3 Diagramme des composants ______________________________________________ 81 III.3.2 Les entités __________________________________________________________82 III.3.3 Modélisation globale de la plate-forme ARIMA ______________________82 III.3.3 Détail des différentes entités _______________________________________83 III.3.4 Le système SVAM ___________________________________________________85 III.3.4.1 Détail des différents paquetages __________________________________________ 88 III.3.4 Caractéristiques des composants et des relations____________________________ 91 III.3.4.1 Caractéristiques des composants _________________________________________ 91 III.3.4.2 Caractéristiques des relations_____________________________________________ 91 III.4 Eléments de réalisation logicielle _______________________________ 93 III.4.1 Adaptation du modèle PAC-Amodeus aux systèmes de réalité augmentée _________________________________________________________________93 III.4.2 Flux d’information dans le modèle adapté __________________________94 III.5 Application en e-maintenance ___________________________________ 96 III.5.1 Architecture générale _______________________________________________96 III.5.2 Les modules de communication_____________________________________98 III.5.2.1 Le courrier électronique __________________________________________________ 98 III.5.2.2 Le dialogue en ligne ______________________________________________________ 98 III.5.2.3 Le transfert de fichier en temps réel _______________________________________ 99 III.5.3 Diagramme conceptuel d’un système de e-maintenace _____________ 99 III.5.3.1 Schéma logique de la base de données ____________________________________ 99 III.6.5 Conception de l’application _______________________________________ 101 III.6.5.1 Acteurs et cas d’utilisation_______________________________________________101 III.7 Conclusion ______________________________________________________107 Chapitre IV Des résultats conceptuels à la réalisation : application au système ARIMA ___________________________________________________109 Introduction _________________________________________________________109 IV.1 Description du projet ARIMA ____________________________________110 IV.2 Liens et apport de la réalité augmentée dans un processus de maintenance _________________________________________________________111 IV.2.1 Evaluation ergonomique des systèmes de RA _____________________ 111 IV.2.2 Principales conclusions sur l’utilité et l’utilisabilité de la réalité augmentée dans la maintenance _________________________________________ 112 IV.3 Plate-forme matérielle __________________________________________113 IV.3.1 Matériels utilisés__________________________________________________ 113 IV.3.2 Utilisation de la plate-forme matérielle pour la réalisation de trois techniques d’interaction générales ______________________________________ 115 IV.4 Réalisation logicielle ___________________________________________115 8 IV.4.1 Le contrôleur de dialogue CD _____________________________________ 116 IV.4.2 Le pilier réel ______________________________________________________ 120 IV.4.3 Le pilier informatique _____________________________________________ 121 IV.4.3.1 Le NF RAM (Noyau Fonctionnel Réalité Augmentée Maintenance)__________122 IV.4.3.2 Le NF SGBD (Noyau Fonctionnel Système de Gestion de Base de Données) 123 IV.5 Traduction des procédures de maintenance sous forme numérique _______________________________________________________________________124 IV.5.1 Analyse des besoins _______________________________________________ 125 IV.5.1 Apports d’une application de réalité augmentée exploitant une procédure de maintenance _______________________________________________ 125 IV.5.2 Analyse d’une procédure de maintenance _________________________ 126 IV.5.4 Procédures de maintenance : étude de cas ________________________ 126 IV.5.6 Procédure de e-maintenance : étude de cas _______________________ 128 IV.5.6.1 Scénario de e-maintenance : étude de cas ______________________ 129 IV.6 Conclusion ______________________________________________________133 Conclusion Générale et Perspectives_________________________________134 Références Bibliographiques_________________________________________138 ANNEXES_____________________________________________________________149 9 Table des figures et tables Figure 1.1. La boucle perception, cognition, action passant par le monde virtuel (selon P.Fuchs [FMA+03] _____________________________________________________________________________ 18 Figure 1.2. Triangles de la Réalité Augmentée (RA) et de la Réalité Virtuelle _______________ 19 Figure 1.3. Degré uploads/Geographie/ these-zenati.pdf