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HAL Id: pastel-00651084 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00651084 Submitted on 12 Dec 2011 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. Conception et évaluation d’un système transparent de capture de mouvements des mains pour l’interaction 3D temps réel en environnements virtuels Franck Hernoux To cite this version: Franck Hernoux. Conception et évaluation d’un système transparent de capture de mouvements des mains pour l’interaction 3D temps réel en environnements virtuels. Interface homme-machine [cs.HC]. Arts et Métiers ParisTech; Ecole nationale supérieure d’arts et métiers - ENSAM, 2011. Français. NNT : 2011ENAM0039. pastel-00651084 N°: 2009 ENAM XXXX Arts et Métiers ParisTech - Centre d’Angers LAMPA – EA 1427 2011-ENAM-0039 École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur présentée et soutenue publiquement par Franck HERNOUX le 7 décembre 2011 Conception et évaluation d’un système transparent de capture de mouvements des mains pour l’interaction 3D temps réel en environnements virtuels Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Informatique – Traitement du signal (AM) ” Directeur de thèse : Simon RICHIR Co-encadrement de la thèse : Olivier CHRISTMANN T H È S E Jury M. Daniel Mestre, Directeur de Recherche, CNRS Rapporteur M. Guillaume Moreau, Professeur des Universités, CNRS, Ecole Centrale de Nantes Rapporteur Mme Sabine Coquillart, Directrice de Recherche, INRIA Rhône-Alpes Examinatrice M. Alexis Paljic, Chargé de Recherche, Centre de Robotique, Mines ParisTech Examinateur M. Lionel Dominjon, Docteur, Clarté Examinateur M. Simon Richir, Professeur, LAMPA, Arts et Métiers ParisTech Angers Examinateur M. Olivier Christmann, Maître de Conférences, LAMPA, Arts et Métiers ParisTech Angers Examinateur Page | ii Page | iii À mes parents et mon frère Page | v “It would appear that we have reached the limits of what it is possible to achieve with computer technology, although one should be careful with such statements, as they tend to sound pretty silly in 5 years.” John Von Neumann (1903-1957) « Il semblerait que nous ayons atteint les limites du possible avec la technologie informatique, bien qu’il faille rester prudent sur de telles déclarations, car elles ont tendance à paraître assez ridicules 5 ans plus tard. » Page | vii Remerciements Je souhaite, tout d’abord, remercier Simon Richir de m’avoir permis de faire cette thèse au sein de l’équipe Présence et Innovation et d’avoir accepté d’en être mon directeur. Je tiens, par ailleurs, à remercier vivement messieurs Mestre et Moreau d’avoir accepté d’être les rapporteurs de ce travail et d’avoir consacré de leur temps précieux à son évaluation. Merci également à Madame Coquillart et à messieurs Paljic et Dominjon pour leur participation au jury de soutenance. Un merci particulier à Olivier Christmann pour son amitié et toute l’aide précieuse qu’il a pu m’apporter dans la réalisation de cette thèse, qui ne serait pas ce qu’elle est aujourd’hui sans son implication, sa disponibilité et ses conseils avisés. Merci d’avoir été là quand j’en avais besoin, pour sa bonne humeur et sa gentillesse au quotidien, on ne peut rêver d’un meilleur ami ! Je remercie également tous les membres de l’équipe Presence et Innovation, avec qui j’ai eu la chance de travailler, avec une pensée particulière pour les doctorants : Daliah, Jayesh, Pierrick et Erik (merci pour la modélisation 3D de la main) ainsi que pour Elise et Majid de l’équipe HIT. Un merci spécial à Emilie avec qui j’ai passé d’excellents moments (plus que je ne saurai les compter) : pour sa joie de vivre, ses petites crises d’angoisse et sa douce folie qui font d’elle quelqu’un de vraiment unique ! Merci aussi à Gill (qui m’a beaucoup dépanné avec Virtools !) et à Guillaume pour tous les moments agréables, les soirées et les repas du midi partagés ensemble. Merci à tous d’avoir passé ces 3 années de thèse avec moi et pour l’excellente ambiance de travail. Je souhaite également remercier l’agglomération de Laval qui a financé ma dernière année de thèse. Je tiens, par ailleurs, à adresser mes remerciements à M. Gracanin, directeur du « Distributed Virtual Environments Research Laboratory » du département « Computer Science » de Virginia Tech, pour avoir accepté que je passe 4 mois dans son laboratoire. Merci pour son aide dès mon arrivée à VTech, ses conseils éclairés et d’avoir pris de son précieux temps pour m’encadrer pendant ces 4 mois fructueux. Un merci, au passage, à trois étudiants de VTech : Yannick et Joshi ainsi qu’à Alice pour les excellentes soirées passées ensemble et tous les bons moments qui ont fait de mon passage à VTech, un excellent souvenir ! Thank you so much ! Enfin, merci à 3 amis très importants pour moi : Caterina, Sébastien et Geoffrey ! J’aimerais vous voir plus souvent et autrement que sur msn, facebook ou gtalk ! Enfin, merci à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette thèse. Pendant toute ma scolarité j’ai eu l’occasion de rencontrer de nombreux enseignants, parmi lesquels deux personnes en particulier ont su se détacher du lot. Je tiens à remercier : M. Papin (professeur en Électronique et Physique-Chimie au lycée) ainsi que M. Crison (professeur d’Électronique en école d’ingénieur à l’ESIEA), qui par leurs enseignements m’ont transmis tous deux leur passion pour l’électronique. M. Crison m’a également fait découvrir le domaine de la réalité virtuelle qui me fascine, je l’en remercie chaleureusement ! Leurs connaissances, leurs conseils, leur disponibilité et leur gentillesse m’ont marqué plus que je ne saurais le dire. Enfin, et de loin le plus important à mes yeux et à mon cœur, je tiens à remercier mes parents et mon frère. Merci de m’avoir toujours incité à aller plus loin et pour votre indéfectible soutien. Merci d’avoir été à tout moment à mes côtés et de m’avoir remonté le moral dans les moments difficiles. Merci d’avoir toujours été là pour moi. On ne peut choisir sa famille et quand bien même ce serait possible, je n’échangerais la mienne pour rien au monde. Je vous aime. Page | ix Table des matières Chapitre 1 Présentation générale .............................................................................................. 1 Chapitre 2 Contexte du travail de thèse .................................................................................... 7 1 Des applications 2D à l’interaction 3D temps réel ...................................................................... 9 2 L’interaction manuelle, une interaction riche ............................................................................12 2.1 La main : caractéristiques et potentialités ...........................................................................12 2.2 Les prises ............................................................................................................................13 3 Une taxonomie des interfaces actuelles de capture des mouvements ......................................18 3.1 Critères de catégorisation ...................................................................................................18 3.2 Solutions à base de capteurs ...............................................................................................19 3.2.1 Type de capteurs .........................................................................................................19 3.2.2 Les capteurs « Very High Degree of Freedom » ............................................................20 3.2.3 Les capteurs « High Degree of Freedom » ...................................................................30 3.3 Solutions basées sur le traitement d’images .......................................................................33 3.3.1 Vision monoscopique ..................................................................................................35 3.3.2 Vision stéréoscopique / multi-vues ..............................................................................41 4 Discussion ..................................................................................................................................47 4.1 Synthèse des avantages et désavantages des solutions présentées .....................................47 4.2 Faiblesse des solutions présentées .....................................................................................49 4.3 Émergences et promesses des caméras 3D .........................................................................50 4.3.1 Triangulation ..............................................................................................................51 4.3.2 Temps de vol ...............................................................................................................54 4.3.3 Avantages ...................................................................................................................59 4.3.4 Comparatif des principales caméras 3D du marché......................................................62 5 Objectifs, Motivations et Hypothèses ........................................................................................62 5.1 Le choix d’une technologie .................................................................................................62 5.2 Notre vision du modèle d’interaction de Norman ...............................................................63 5.3 Hypothèses générales .........................................................................................................64 5.4 Critères d’évaluation...........................................................................................................65 5.5 Structuration du travail .......................................................................................................66 Page | x Chapitre 3 Souris vs. Cam3D pour la sélection en environnement virtuel : étude 1 .............67 1 Méthodologie ............................................................................................................................ 69 1.1 Présentation générale ........................................................................................................ 69 1.2 Terminologie ...................................................................................................................... 70 1.3 Hypothèses opérationnelles ............................................................................................... 70 1.4 Tâche de sélection ............................................................................................................. 71 1.5 Environnement virtuel : conception .................................................................................... 72 1.6 Une interaction équivalente mais adaptée à chaque périphérique ...................................... 73 1.7 Implémentation et développements logiciels ...................................................................... 73 2 Protocole expérimental ............................................................................................................. 75 2.1 Généralités ......................................................................................................................... 75 2.2 Choix des participants ......................................................................................................... 75 2.3 Conditions initiales et consignes ......................................................................................... 76 2.4 Déroulement de l’expérimentation ..................................................................................... 76 2.5 Données recueillies ............................................................................................................. 77 2.6 Variables et mesures .......................................................................................................... 78 2.7 Méthodes d’analyse et tests statistiques ............................................................................ 78 2.7.1 Expertise en réalité virtuelle ........................................................................................ 78 2.7.2 Taille de la main .......................................................................................................... 79 2.7.3 Performances / Acceptabilité ...................................................................................... 80 2.8 Validité interne et externe .................................................................................................. 80 2.8.1 Appariement ............................................................................................................... 80 2.8.2 Contre-balancement ................................................................................................... 81 2.8.3 Affectation aléatoire ................................................................................................... 81 3 Influence du périphérique sur les performances ....................................................................... 81 3.1 Tests préliminaires.............................................................................................................. 81 3.1.1 Normalisation ............................................................................................................. 82 3.1.2 Etude de l’effet d’apprentissage .................................................................................. 82 3.2 Résultats globaux : temps d’exécution ................................................................................ 82 3.2.1 Influence du type de périphérique sur les performances .............................................. 82 3.2.2 Discussion ................................................................................................................... 82 3.3 Interaction entre le sexe et le périphérique sur les performances ....................................... 83 3.4 Interaction entre l’expertise en R.V. et le périphérique sur les performances...................... 83 3.5 Interaction entre la taille de la main et le uploads/Science et Technologie/ manuscrit-these-hernoux-franck.pdf