FR3120719A1 - Navigation rotationnelle en environnement virtuel avec une référence visuelle - Google Patents
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Abstract
Système de réduction de cyber-malaise (12) pour la navigation en environnement virtuel immersif (2), comprenant une unité de contrôle (7) comportant des données d’environnement, des moyens de captation de position (6) du point de vue physique d’un utilisateur (1), et un système de navigation (9),
Caractérisé en ce que ledit système est apte à afficher et modifier en rotation une référence visuelle (10), selon une commande liée au système de navigation (9) et au mouvement rotationnel du point de vue physique (4) de l’utilisateur (1) par rapport au monde réel (11).
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un système de référence visuelle pour la navigation en environnement virtuel immersif.
La présente invention concerne plus spécifiquement un système de référence visuelle piloté en rotation, apte à diminuer ou supprimer le cyber-malaise mal du simulateur lors d’un déplacement d’un sujet immergé en environnement virtuel immersif.
Etat de la technique
L’une des tâches essentielles qu’un utilisateur peut effectuer dans un environnement virtuel est le déplacement, appelé aussi navigation. L’environnement physique dans lequel il se trouve étant généralement plus restreint que l’environnement virtuel, l’utilisateur doit alors utiliser un ou des procédés de navigation.
La navigation est sujette au phénomène appelé cyber-malaise ou mal de simulateur et qui se manifeste par des symptômes de malaise, maux de tête ou vertiges, parfois même de vomissement. Ce déplacement peut se faire par exemple en utilisant des manettes depuis une salle immersive, appelée CAVE, ou en étant équipé d’un visiocasque, ou encore dans un simulateur de conduite ou de vol. Que la navigation soit effectuée en CAVE, en simulateur, équipé d’un visiocasque de Réalité Virtuelle (RV) ou Réalité Augmentée (RA), et que ce soit dans un objectif de formation, de recherche, de conception industrielle ou dans le domaine du jeu, le phénomène du cyber-malaise est rencontré par un grand nombre d’utilisateurs, rendant l’expérimentation difficile, non représentative ou parfois interrompant l’exercice.
Dans le cas où le système d’affichage utilisé pour visionner l’environnement virtuel occupe un faible champ visuel dans un environnement réel, par exemple dans le cas de la RA, le champ de vision du joueur ou utilisateur est suffisamment faible pour ne pas l’immerger totalement, gardant ses repères visuels extérieurs. Ledit utilisateur est donc moins sujet auxdites nausées.
A l’inverse, un utilisateur navigant en environnement virtuel immersif, comme dans un CAVE ou avec un visiocasque de réalité virtuelle ou augmentée, est fréquemment sujet au cyber-malaise, ou au mal du simulateur dans le cas d’un simulateur. Une des principales raisons est que le mouvement perçu visuellement lors du déplacement virtuel rentre en conflit avec le mouvement perçu par le système vestibulaire. Le mouvement le plus susceptible d’engendrer le mal du simulateur est la rotation (par exemple lors d’une manouvre dans un virage – lacet et/ou roulis, mais aussi lors d’un freinage – tangage). En effet, le cerveau de l’utilisateur habitué à se déplacer dans le monde réel s’attend à recevoir des mesures d’accélération et de vitesse provenant de son système vestibulaire de l’oreille interne, plus précisément des canaux semi-circulaires, cohérentes avec celles estimées par le système visuel. En l’absence de restitution de ces effets physiques par un système adéquat, comme par exemple un simulateur de conduite ou de vol dynamique, le cerveau déclenche des symptômes ressemblant à ceux du mal du transport. Dans le monde réel, lors des déplacements, les informations visuelles et vestibulaires sont cohérentes. Par contre en environnement virtuel immersif, notamment dans un CAVE ou équipé d’un visiocasque, la modification de l’environnement visuel lors de la navigation est dissociée du déplacement physique de l’utilisateur et peut donc générer du mal de simulateur.
Le mal du simulateur est bien connu dans le domaine des environnements virtuels. Pour réduire le mal du simulateur, il est connu de réassocier la perception visuelle avec un déplacement physique.
On distingue deux principales catégories de moyens pour se déplacer en environnement virtuel :
- les dispositifs de compensation de mouvement :
Ils permettent à l’utilisateur de se déplacer naturellement sans avoir à déclencher de commandes. Le tapis roulant omnidirectionnel Cyberwalk ou la Cybersphère sont des exemples, et il existe bien d’autres systèmes (tapis de billes hémi sphérique, réseau de tuiles mouvantes, chaussures actives, bras robots fixés aux pieds etc.). La plupart de ces dispositifs ont l’inconvénient d’être imposants ou intrusifs, et peu adaptés à une utilisation grand public. En outre, la plupart ne conviennent que pour des mouvements naturels de l’observateur, sans pouvoir faire appel à des systèmes de navigation, par exemple un véhicule ou tout système artificiel simulé. - les procédés de navigation :
Ce sont des lois de commandes de dispositifs souvent déjà existants (manettes, gants de réalité virtuelle, etc.) qui modifient le processus de déplacement employé dans la vie réelle permettant un apprentissage rapide et une utilisation aisée. II en existe plusieurs, par exemple la marche sur place qui consiste à mimer la marche pour avancer. La marche sur place redirigée est une solution aux problèmes d’immersion dus aux faces manquantes du CAVE, elle fait tourner l’environnement imperceptiblement pour que l’utilisateur n’ait jamais à s’orienter vers la face manquante. Le compagnon virtuel est un animal virtuel dirigé par des rênes, il tracte l’utilisateur et permet les rotations.
Par exemple, « Grabbing the Air » en anglais ou « saisie de l’espace » est un procédé de navigation dans lequel l’utilisateur peut saisir l’air avec sa main, le ramener vers lui pour faire défiler le décor, et faire un mouvement latéral pour le faire tourner autour de lui. Un inconvénient de ce système est qu’il ne réduit pas le mal du simulateur car le cerveau de l’utilisateur ne reçoit pas des informations de son système vestibulaire cohérentes avec celles estimées par le système visuel.
La publication US-A1 2004/0102676 divulgue ainsi un système de couplage entre l’environnement visuel et la navigation afin de réduire le mal des transports. Ledit système nécessite plusieurs dispositifs matériels tels qu’un gyroscope, des accéléromètres, un système de positionnement connu sous la désignation de GPS ou « Global Positioning System » en anglais, des capteurs optiques et des capteurs de vibrations et plusieurs logiciels pour réduire le dit mal des transports.
Un inconvénient du système divulgué est la nécessité d’utiliser de nombreux dispositifs matériels, ce qui entraine des coûts élevés ainsi qu’un contrôle sophistiqué de l’ensemble des dispositifs.
La publication Brevet n° FR3025645 – 1458421 permet de décomposer un mouvement de rotation en deux mouvements, dont chacun est naturel, et ainsi évite de générer du mal de mouvement ou cyber-malaise en proposant d’effectuer d’abord un mouvement à la fois visuel et physique du monde virtuel et ensuite un mouvement de l’opérateur également à la fois visuel et physique. Cependant, ce procédé n’étant pas naturel, il n’est pas utilisable pour effectuer des rotations de façon naturelle et compréhensible pour l’opérateur.
Mis à part le brevet précédemment cité, l’utilisation d’un procédé de navigation génère un mouvement restitué uniquement visuellement, et génère donc un conflit visuo-vestibulaire engendrant potentiellement du mal du simulateur. Par exemple pour une rotation vers la droite, un procédé de navigation va généralement utiliser une rotation de l’environnement virtuel vers la gauche pour la restituer.
Bref résumé de l’invention
Un but de l’invention est de remédier aux effets de cyber-malaise en complétant ou modifiant un procédé de navigation en rotation dans un environnement virtuel immersif.
L’objet de l’invention porte sur la réduction du cyber-malaise pour tout déplacement virtuel de l'observateur piloté par un système de navigation qui génère des effets de cyber-malaise dans la mesure où il génère un conflit visuo-vestibulaire. Ledit déplacement peut être décomposé en un déplacement linéaire et un déplacement rotationnel sur lequel porte l’invention.
L’objet de l’invention est la réduction du cyber-malaise et du mal du simulateur pour le déplacement en rotation, quel que soit l’axe de ladite rotation.
L’objet de l’invention est donc de fournir un moyen d’effectuer un mouvement de rotation dans un environnement virtuel immersif de façon efficace, confortable et sans gêne visuo-vestibulaire (cyber-malaise ou mal du simulateur).
L’objet de l’invention porte sur l’affichage et la rotation d’une référence visuelle permettant d’engendrer une rotation involontaire de la tête de l’utilisateur, selon l’hypothèse communément acceptée de stationnarité du monde environnant. Lors d’une navigation en environnement virtuel, ce mouvement de tête, et éventuellement de corps, de l’utilisateur induit par l’invention permet de réduire voire supprimer le conflit visuo-vestibulaire et ainsi de réduire voire supprimer le mal du simulateur ou cybersickness ou cyber-malaise.
Dans toute la suite du document,
- Le monde réel (ou monde physique) est le repère de la salle dans laquelle se trouve physiquement l’utilisateur.
- Le point de vue physique de l’utilisateur comprend les coordonnées spatiales d’un point représentatif de la vision de l’utilisateur dans le monde physique, ce point peut être par exemple un point médian disposé entre les yeux de l’utilisateur.
- L ’ environnement virtuel (ou monde virtuel) de l’utilisateur comprend l’ensemble des éléments virtuels visualisables par l’utilisateur.
- Le point de vue virtuel de l’utilisateur comprend les coordonnées spatiales d’un point représentatif de la vision de l’utilisateur dans le monde virtuel.
- L’environnement visuel virtuel de l’utilisateur est la portion de l’environnement virtuel affichée sur le système d’affichage, correspondant au point de vue virtuel de l’utilisateur.
- La référence visuelle est un élément tel qu’une représentation filaire d’une salle type CAVE, une flèche au sol ou tout autre type de référence ou artefact visuel, pouvant être affichée en superposition de l’environnement visuel virtuel.
- Le procédé de navigation (ou système de navigation) est le moyen utilisé par l’utilisateur pour déclencher la modification de son point de vue virtuel dans l’environnement virtuel, que ce soit au moyen d’un dispositif physique, d’une commande vocale ou d’une quelconque action ou mouvement de tout ou partie de son corps
L’objet de l’invention est caractérisé plus particulièrement par un procédé complétant un procédé de navigation, utilisé par un utilisateur dans un environnement virtuel immersif comprenant une unité de contrôle comportant des données d’environnement, des moyens de captation du point de vue physique, intégrant un mouvement potentiel de corps, dudit utilisateur,
caractérisé en ce que ledit procédé est apte à afficher et modifier en rotation une référence visuelle selon une commande liée au procédé de navigation et au mouvement rotationnel du point de vue physique, et engendrer ledit mouvement du point de vue physique par la rotation de la référence visuelle.
caractérisé en ce que ledit procédé est apte à afficher et modifier en rotation une référence visuelle selon une commande liée au procédé de navigation et au mouvement rotationnel du point de vue physique, et engendrer ledit mouvement du point de vue physique par la rotation de la référence visuelle.
De manière avantageuse, la référence visuelle est modifiée en rotation selon une commande liée au procédé de navigation et au mouvement rotationnel de la tête de l’utilisateur, ainsi le cerveau de l’utilisateur perçoit des informations de son système vestibulaire cohérentes avec celles estimées par le système visuel, ce qui réduit de façon significative, voire supprime les risques de mal de simulateur en fonction du temps de réponse du système.
De manière avantageuse au début de la navigation de l’utilisateur dans l’environnement virtuel au moyen du procédé de navigation, la référence visuelle est orientée de préférence alignée par rapport au point de vue physique de l’utilisateur. Ladite référence visuelle peut éventuellement ne pas être affichée lorsque le procédé de navigation n’est pas utilisé.
Avantageusement, la référence visuelle est affichée lorsque l’utilisateur utilise le procédé de navigation.
Avantageusement, lors d’une navigation en rotation, la référence visuelle effectue une rotation dans la direction souhaitée afin que le point de vue physique effectue également une rotation dans la même direction.
En même temps, le monde virtuel effectue une rotation dans le sens opposé par rapport au monde réel, diminué du tout ou partie du mouvement de rotation du point de vue physique de l’observateur, dû à l’impact de la rotation de la référence visuelle.
Les vitesses de rotation par rapport au monde réel de la référence visuelle et du monde virtuel sont pilotées de façon avantageuse en fonction de seuils perceptifs, du temps écoulé, ainsi que de la vitesse de rotation du point de vue physique par rapport au monde réel.
La rotation perçue par l’utilisateur est celle de sa tête par rapport au monde virtuel, c’est-à-dire le cumul de la rotation du monde virtuel par rapport au monde réel et de la rotation de sa tête par rapport au monde réel.
Lorsque l’utilisateur cesse d’utiliser le procédé de navigation, la référence visuelle s’immobilise et peut éventuellement ne plus être affichée. Le monde virtuel s’immobilise également par rapport au monde réel. La rotation effectuée pendant la navigation est le cumul de la rotation du monde virtuel par rapport au monde réel et de la rotation de la tête par rapport au monde réel.
De manière avantageuse, le procédé de réduction de cyber-malaise comprend :
- une étape d’affichage d’une référence visuelle (10),
- une étape de rotation de la référence visuelle (10) liée au système de navigation (9), et à l’orientation du point de vue physique (4) de l’utilisateur (1) par rapport au monde réel (11),
- une étape de désactivation de l’affichage de la référence visuelle (10).
Selon le principe de l’invention, le système d’affichage peut être immobile par rapport au monde réel, comme dans la plupart des installations de type CAVE ou salle immersive, ou lié à la tête de l’utilisateur, comme dans le cas d’un casque de réalité virtuelle ou augmentée.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- La
- La
- La
- Les figures 2 et 3 illustrent les repères utilisés pour la description de l’invention.
- Les figures 4а, 4b et 4c sont des vues schématiques de modification en rotation de l’environnement virtuel, de la référence visuelle et de la tête de l’utilisateur.
Description détaillée des figures
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
Selon la qui présente un mode de réalisation de l’invention, un utilisateur (1) peut naviguer de façon virtuelle dans un environnement virtuel (2) diffusé sur un système d’affichage (3). Ce système d’affichage (3) peut comporter par exemple un écran pour un système de type « powerwall », deux écrans pour un système de type « workbench », de trois à 6 écrans pour un système de type « CAVE », ou de façon plus générale un ou plusieurs écrans de forme(s) quelconque(s) pour une salle immersive. Le système d’affichage (3) peut également être un casque de réalité virtuelle ou augmentée.
La représentation de l’environnement virtuel (2) dépend du point de vue physique (4) de l’utilisateur (1) par rapport au monde réel (11), de la pyramide de vision (5) selon laquelle il visualise ladite représentation, ainsi que de la position du point de vue virtuel de l’utilisateur. Le point de vue physique (4) de l’utilisateur (1) est mesuré en continu par un système de captation de position (6), comme par exemple des caméras.
Les images diffusées sur le système d’affichage (3) sont générées par une unité de contrôle (7) reliée au dit système d’affichage ainsi qu’au système de captation de position (6).
L’utilisateur (1) peut être muni ou non d’une paire de lunettes spécifiques (8) pour lui permettre une perception stéréoscopique de l’environnement virtuel (2) sur le système d’affichage (3), ou de tout autre système de visualisation en relief.
Un procédé de navigation (9) permet à l’utilisateur (1) de se déplacer dans l’environnement virtuel (2). Ce système peut être activé par un intervenant extérieur (non représenté) ou par l’utilisateur (1) lui-même, par le biais de mouvements de tout ou partie de son corps et/ou d’interfaces physiques telles qu’une manette, un joystick, un tapis de marche, un volant ou des pédales par exemple.
Enfin, un système de réduction de cyber-malaise, cybersickness ou mal de simulateur (12) pilote l’affichage et le mouvement rotationnel d’une référence visuelle (10), affichée en superposition de l’environnement virtuel (2). Cette référence visuelle (10) peut prendre par exemple la forme d’une grille verticale comme sur la , une flèche au sol ou toute autre forme, artefact ou objet.
La illustre en vue de dessus une utilisation de l’invention avec un système de type CAVE. Le monde virtuel (2) est représenté par la surface hachurée. Le système d’affichage (3) du CAVE est symbolisé par les 3 traits forts, et la référence visuelle (10) est symbolisée par les 3 traits en pointillés.
La illustre en vue de dessus une utilisation de l’invention avec un casque de réalité virtuelle ou augmentée. De même que pour la , le monde virtuel (2) est représenté par la surface hachurée, et la référence visuelle (10) est représentée par les traits pointillés.
Selon les figures 2 et 3, plusieurs repères peuvent être utilisés pour décrire et comprendre le fonctionnement de l’invention.
- « R monde réel »est le repère du monde réel (11), c’est-à-dire le repère de la salle physique dans laquelle se trouve l’utilisateur.
- « R monde virtuel »est le repère de l’environnement virtuel (2) affiché par le système d’affichage (3).
- « R tête »est le repère du point de vue physique de l’utilisateur (1).
- « R référence visuelle »est le repère lié à la référence visuelle (10) sur laquelle porte notamment l’invention.
- Enfin,« R sy s tème d’affichage »est le repère du système d’affichage (3) sur lequel est diffusé la représentation de l’environnement virtuel.
Dans la plupart des installations de type CAVE ou salle immersive, le système d’affichage (3) est immobile par rapport au monde réel (11). Dans ce cas, « R système affichage » et « R monde réel » sont fixes l’un par rapport à l’autre. Lors de l’utilisation d’un casque de réalité virtuelle ou augmentée, le système d’affichage (3) est lié à la tête de l’utilisateur (1), et donc dans ce cas ce sont « R système affichage » et « R tête » qui sont immobiles l’un par rapport à l’autre. Par souci de clarté, « R système affichage » n’est donc pas représenté sur la , étant quasiment confondu avec « R tête ».
Les figures 4a, 4b, et 4c représentent un exemple de rotation vers la droite en environnement de type CAVE avec l’invention (12). L’exemple de rotation illustrée dans les figures 4a, 4b et 4c est une rotation de lacet autour d’un axe vertical passant par la tête de l’utilisateur (1)
La représente l’état initial avant une rotation au moyen du procédé de navigation (9) et de l’invention (12). Selon la , la tête de l’utilisateur (1) et la référence visuelle (10) sont alignées, c’est-à-dire que « R tête » et « R référence visuelle » sont alignés. Dans cet état initial, la référence visuelle (10) peut éventuellement ne pas être affichée.
La illustre le cas d’une rotation vers la droite au moyen du procédé de navigation (9) et de l’invention (12).
- La référence visuelle (10) effectue une rotation à la vitesse « ω référence visuelle » dans la direction souhaitée (vers la droite dans cet exemple) afin que ladite tête effectue également une rotation à la vitesse « ω tête » vers la droite.
- En même temps, le monde virtuel (2) effectue une rotation dans le sens opposé (vers la gauche dans cet exemple) par rapport au monde réel (11), diminué de tout ou partie du mouvement de rotation de la tête de l’observateur (1) dû à l’impact de la rotation de la référence visuelle (10).
- Les vitesses de rotation par rapport au monde réel (11) de la référence visuelle (10) - « ω référence visuelle » - et du monde virtuel (2) - « ω monde virtuel » - sont pilotées de façon avantageuse en fonction de seuils perceptifs, du temps écoulé, ainsi que de la vitesse de rotation de la tête de l’utilisateur (1) par rapport au monde réel (11) - « ω tête ».
- La rotation perçue par l’utilisateur (1) est celle de sa tête par rapport au monde virtuel (2), soit le cumul de la rotation du monde virtuel (2) par rapport au monde réel (11) et de la rotation de sa tête par rapport au monde réel (11).
- Dans la plupart des installations de type CAVE ou salle immersive, le système d’affichage (3) est immobile par rapport au monde réel (11). C’est le cas de cette illustration, où le repère du système d’affichage (3) reste constant par rapport à celui du monde réel (11).
La représente l’état final après l’exemple d’une rotation de lacet au moyen du procédé de navigation (9) et de l’invention (12).
- La référence visuelle (10) a effectué une rotation d’un angle « α référence visuelle » par rapport à l’état initial de la
- L’utilisateur (1) a tourné sa tête de façon à la garder alignée avec la référence visuelle (10). La tête de l’utilisateur (1) a donc effectué une rotation d’un angle « α tête » égal à « α référence visuelle ».
- Dans le même temps, le monde virtuel (2) a effectué une rotation d’un angle « α monde virtuel » dans le sens opposé.
- La rotation perçue par l’utilisateur (1) étant celle de sa tête par rapport au monde virtuel (2), il a donc perçu une rotation correspondant à la somme de la rotation de sa tête par rapport au monde réel (11) et de la rotation du monde virtuel (2) par rapport au monde réel (11). La rotation perçue est donc la somme de « α tête » et de « α monde virtuel ».
La tête de l’utilisateur (1) a effectué un pivotement lors de la navigation en rotation dans l’environnement virtuel (2) et le cerveau perçoit de ce fait des informations de son système vestibulaire cohérentes avec celles estimées par le système visuel en vue de l’atténuation voire l’annulation du mal du simulateur.
L’objectif de l’invention est atteint : le procédé de navigation (9) et le procédé de réduction du cyber-malaise ou cybersickness (12) selon l’invention permettent de réduire voire d’annuler le mal du simulateur lors d’une navigation en rotation dans l’environnement virtuel (2), ce type de déplacement étant le plus susceptible de produire le mal du simulateur.
L’invention n’est cependant pas réduite au mode de réalisation présenté ci-avant et l’homme du métier saura apporter toute variante conforme à son esprit. Par exemple, l’axe de la rotation en navigation peut ne pas être vertical pour des rotations de tangage ou de roulis.
Claims (2)
- Système de réduction de cyber-malaise (12) pour la navigation dans un environnement virtuel immersif (2), comprenant une unité de contrôle (7), un environnement virtuel (2) affiché sur un système d’affichage (3), un système de captation de position (6) du point de vue physique de l’utilisateur (4), et d’un système de navigation (9), caractérisé en ce que ledit système est apte à afficher et modifier en rotation une référence visuelle (10), fournissant une référence visuelle à l’utilisateur, selon une commande liée au système de navigation et au pivotement du point de vue physique de l’utilisateur par rapport au monde réel (11).
- Procédé de réduction de cyber-malaise d’un système de réduction de cyber-malaise (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- une étape d’affichage d’une référence visuelle (10),
- une étape de rotation de la référence visuelle (10) liée au système de navigation (9), et à l’orientation du point de vue physique (4) de l’utilisateur (1) par rapport au monde réel (11),
- une étape de désactivation de l’affichage de la référence visuelle (10).
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- 2022-03-04 US US18/550,534 patent/US12272006B2/en active Active
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