Le traité de la réalité virtuelle
Volume 2 L'homme et l'environnement virtuel
Malika Auvray/Mohamed Benali-Khoudja/Alain Berthoz/Éric Berton/Jean Blouin/Simon Bouisset/Christophe Bourdin/Jean-Marie Burkhardt/Luca Latini Corazzini/Philippe Fuchs/Gabriel Gauthier/Édouard Gentaz/Marie-Dominique Giraudo/Moustapha
Hafez/Yvette Hatwell/Bernard Hennion/Daniel Mestre/Jean-Paul Papin/Patrick Péruch/Nicolas Tsingos/Jean-Louis Vercher/Olivier Warusfel
I Introduction générale
1
1 Introduction à la réalité virtuelle
3
1.1 Fondement de la réalité virtuelle3
1.1.1 Introduction3
1.1.2 Définitions de la réalité virtuelle5
1.2 Modèle de référence pour l'immersion et l'interaction10
1.2.1 L'approche «instrumentale» pour l'immersion
et l'interaction10
1.2.2 Le modèle de référence en RV12
1.3 Structuration du traité de la réalité virtuelle13
1.3.1 L'interfaçage, l'immersion et l'interaction15
1.3.2 Les outils et les modèles informatiques
des environnements virtuels15
1.3.3 Les applications de la réalité virtuelle16
1.4 Présentation du contenu du volume
«l'Homme et l'environnement virtuel»16
1.4.1 Objectif du volume16
1.4.2 Partie 1 : L'Homme et son environnement17
1.4.3 Partie 2 : Percevoir le monde18
1.4.4 Partie 3 : L'Homme en mouvement19
1.4.5 Partie 4 : Interagir avec les objets et le monde19
1.4.6 Partie 5 : L'Homme dans un monde virtuel20
1.4.7 Partie 6 : Les usages de la RV comme outil en Sciences de la Vie21
1.5 Références bibliographiques21
II L'homme et son environnement
23
2 L'environnement naturel de l'Homme
25
2.1 Introduction25
2.2 L'être humain, son environnement naturel25
2.3 Les facteurs humains et le facteur humain29
2.3.1 Définitions29
2.3.2 Démarche systémique29
2.3.3 L'homme en action29
2.3.4 Facteurs influents34
2.4 Conclusion38
2.5 Références bibliographiques38
3 Les sens de l'homme
39
3.1 Introduction39
3.2 La vision41
3.2.1 Le système visuel humain42
3.2.2 Traitement de l'information dans le système visuel47
3.2.3 La perception visuelle de la profondeur52
3.2.4 Les caractéristiques psychophysiques de la vision59
3.3 L'ouïe66
3.3.1 Introduction66
3.3.2 Le système auditif67
3.3.3 Perception auditive69
3.3.4 Perception spatiale du son72
3.3.5 Perception et organisation de scènes sonores complexes78
3.3.6 Interaction avec d'autres modalités79
3.4 Sensibilité cutanée79
3.4.1 La peau79
3.4.2 Classification des capteurs biologiques80
3.5 Les ambiances chimiques : l'odorat et le goût85
3.5.1 Les odeurs86
3.5.2 Les saveurs91
3.6 Proprioception92
3.6.1 Introduction92
3.6.2 Physique de la gravité et des accélérations93
3.6.3 L'appareil vestibulaire et les voies kinesthésiques93
3.7 Références bibliographiques96
4 Étude et modélisation du mouvement humain
101
4.1 Considérations liminaires sur l'étude
biomécanique du mouvement101
4.1.1 La Biomécanique n'est-elle qu'une subdivision
de la Mécanique ?101
4.1.2 Quel cadre conceptuel ?102
4.1.3 Quelles techniques biomécaniques ?105
4.1.4 Quelle démarche modélisatrice ?106
4.1.5 Quelles hypothèses pour simplifier le réel ?107
4.1.6 Conclusion sur l'étude de la biomécanique108
4.2 Etude et modélisation du mouvement humain109
4.2.1 Introduction sur le mouvement109
4.2.2 Généralités sur l'analyse d'un geste109
4.2.3 Modélisation biomécanique du geste110
4.2.4 Exemple de résolution d'un problème de Dynamique Inverse111
4.2.5 Limites de la modélisation113
4.2.6 Conclusion sur la modélisation114
4.3 Références bibliographiques114
5 Ergonomie, facteurs humains et réalité virtuelle
117
5.1 Introduction117
5.1.1 Ergonomie et Facteurs-Humains : définition117
5.1.2 Origine, spécificité et contributions118
5.1.3 Organisation et objectif du chapitre119
5.2 Critères, dimensions et méthodes pour la conception et l'évaluation des
environnements virtuels119
5.2.1 Critères généraux de l'ergonomie applicables
aux environnements virtuels119
5.2.2 Principales dimensions pour la conception
des environnements virtuels123
5.2.3 Méthodes et techniques pour la conception127
5.3 Quelques problématiques actuelles et perspectives138
5.3.1 Rôle de l'immersion sur la performance138
5.4 Conclusion en forme de perspective143
5.5 Sources bibliographiques en Ergonomie
et Facteurs Humains144
5.6 Références bibliographiques144
6 Invariants et variabilité : antinomie ou complémentarité
151
6.1 Introduction151
6.2 La recherche d'invariants
et l'existence de la variabilité152
6.3 Variabilité et psychologie différentielle :
les processus vicariants154
6.4 Variabilité intra-individuelle :
relaxation, état stable et processus émergents157
6.4.1 L'étude de la complexité157
6.4.2 De la théorie de l'information
à l'analyse des séries temporelles158
6.4.3 Bruit blanc ou bruit coloré160
6.4.4 Exactitude et variabilité161
6.5 La variabilité : adaptabilité et équilibre dynamique163
6.6 De l'antinomie à la complémentarité163
6.7 Conclusion164
6.8 Références bibliographiques165
III Percevoir le monde
171
7 Théories de la perception : le monde comme mémoire externe
173
7.1 Introduction173
7.2 Brève présentation des théories classiques
de la perception173
7.3 Les précurseurs des théories actives de la perception174
7.4 La perception comme extraction
d'invariants sensori-moteurs175
7.5 Extériorité de la perception180
7.5.1 L'exemple de la cécité aux changements180
7.5.2 L'exemple des nombreux défauts de notre système visuel181
7.5.3 Le monde comme mémoire externe : deux analogies183
7.6 Le monde comme mémoire externe :
perspectives bergsoniennes et limites184
7.7 Références bibliographiques185
8 Se déplacer et naviguer dans l'espace
189
8.1 Se déplacer dans l'espace : processus perceptifs
et cognitifs189
8.1.1 Cognition spatiale : types d'espaces, modes d'accès
et exploration189
8.1.2 Modalités sensorielles mises en jeu lors des déplacements190
8.1.3 Principaux concepts et théories de la cognition spatiale193
8.2 Recherches sur les déplacements chez le sujet humain194
8.2.1 Méthodes d'étude de la cognition spatiale humaine194
8.2.2 Propriétés des cartes cognitives194
8.2.3 Méthodes de navigation195
8.2.4 Différences inter-individuelles et stratégies196
8.3 Apport de la réalité virtuelle dans les recherches
sur les déplacements197
8.3.1 La réalité virtuelle comme outil d'étude de la cognition
spatiale humaine : intérêt et limites197
8.3.2 Exemples de recherches sur la cognition spatiale utilisant
la réalité virtuelle198
8.3.3 Perspectives201
8.4 Références bibliographiques204
9 Remplacer un sens par un autre : la suppléance perceptive
209
9.1 Introduction209
9.2 Les dispositifs de suppléance perceptive209
9.2.1 Les systèmes invasifs209
9.2.2 Les systèmes non invasifs210
9.3 Résultats fondamentaux et enjeux théoriques214
9.3.1 Nécessité d'une action215
9.3.2 Mise en extériorité des percepts215
9.3.3 Extériorité et spatialisation217
9.3.4 Plasticité structurelle et fonctionnelle220
9.3.5 Modalité des sensations et amodalité des perceptions221
9.3.6 Dispositifs de suppléance perceptive
et expérience qualitative222
9.4 Conclusion224
9.4.1 Perspectives224
9.4.2 Conséquences sur une définition
de nos modalités perceptives225
9.5 Références bibliographiques225
IV L'Homme en mouvement
229
10 Le contrôle de l'action
231
10.1 Introduction231
10.1.1 Le mouvement231
10.2 Les pionniers du contrôle moteur233
10.2.1 Les débuts : Woodworth233
10.2.2 Wiener et la cybernétique234
10.2.3 Shannon et la théorie de l'information234
10.2.4 Bernstein et le problème des degrés de liberté235
10.3 Les techniques d'étude du contrôle moteur236
10.3.1 Les analyses cinématique et dynamique237
10.3.2 L'analyse vidéo du mouvement237
10.4 Les modèles de mouvement humain237
10.4.1 Les lois, à la base des modèles238
10.4.2 L'approche cybernétique et le programme moteur239
10.4.3 L'approche non-prescriptive242
10.5 Perspectives et champs d'application246
10.5.1 Clinique246
10.5.2 Ergonomie247
10.5.3 Cinéma, multimédia247
10.5.4 Et l'animation, la parole en particulier ?247
10.6 Références bibliographiques248
11 Le mouvement biologique : perception, reproduction, synthèse
251
11.1 Introduction251
11.2 La perception du mouvement biologique251
11.2.1 Des points caractéristiques valent
une image complexe : Johansson251
11.2.2 Paolo Viviani et la théorie motrice de la perception252
11.2.3 Processus local ou processus global : Maggie Shiffrar253
11.2.4 De la perception à la mémoire du mouvement biologique :
l'anticipation perceptive254
11.2.5 Substrat neurophysiologique254
11.3 La réalité virtuelle doit-elle tenir compte
des lois du mouvement biologique ?255
11.4 La réalité virtuelle permettra-t-elle de mieux
comprendre la perception du mouvement biologique ?257
11.5 Conclusions258
11.6 Références bibliographiques259
V Interagir avec les objets et le monde
263
12 Percevoir les objets
265
12.1 Le sens haptique manuel : introduction265
12.2 Les différentes procédures d'exploration manuelle266
12.3 Les relations entre propriétés spatiales
et matérielles267
12.3.1 Perception analytique ou perception globale ?267
12.3.2 Interférence ou facilitation ?269
12.4 La perception des principales propriétés spatiales270
12.4.1 L'orientation270
12.4.2 La longueur275
12.4.3 La localisation277
12.4.4 La courbure280
12.5 La perception des propriétés matérielles des objets : la texture281
12.6 Conclusions générales283
12.7 Références bibliographiques284
13 Le contrôle adaptatif ou comment acquérir et maintenir une performance
291
13.1 Les altérations dues aux modifications des espaces de travail de l'Homme
et de l'outil291
13.2 Le contrôle adaptatif292
13.3 Les premières études de l'adaptation292
13.4 L'adaptation dans la vie courante293
13.5 Le système visuo-manuel et son adaptation293
13.5.1 La fonction de localisation des objets dans l'espace293
13.5.2 L'épreuve de mesure des capacités d'adaptation295
13.5.3 L'adaptation prismatique295
13.5.4 Le décours temporel de l'adaptation, de la désadaptation
et de l'adaptation répétée296
13.5.5 Les effets cumulés d'une succession
d'expositions adaptatives298
13.5.6 L'adaptation à la relation qui lie les mouvements de la main et de la
souris à ceux du curseur299
13.6 Le système de coordination oeil-tête et son adaptation300
13.6.1 La stabilisation du regard300
13.6.2 Le réflexe vestibulo-oculaire stabilisant l'oeil sur la cible300
13.6.3 Le RVO et le port de casque de visualisation301
13.6.4 L'adaptation de réflexe vestibulo-oculaire301
13.6.5 L'adaptation de l'Opérateur à la relation qui lie ses propres mouvements
à ceux d'un outil302
13.6.6 L'adaptation des relations visuo-motrices
du virtuoréalitéopérateur303
13.7 Références bibliographiques304
VI L'Homme dans un monde virtuel
307
14 Immersion et présence
309
14.1 Introduction309
14.2 Immersion311
14.2.1 Richesse Sensorielle312
14.2.2 Interactivité315
14.2.3 Facteurs structuraux de l'Immersion316
14.3 Présence319
14.3.1 Questionnaires et mesures subjectives319
14.3.2 Mesures physiologiques321
14.3.3 Mesures comportementales323
14.4 L'immersion du sujet par rapport
aux environnements réel et virtuel326
14.4.1 Introduction326
14.4.2 L'environnement réel masqué par l'environnement virtuel327
14.4.3 L'environnement réel partiellement exploité pour
l'interfaçage avec l'environnement virtuel328
14.4.4 L'environnement réel n'est pas exploité en tant que tel
dans la simulation329
14.4.5 Conclusion sur le positionnement
des espaces réel et virtuel329
14.5 Conclusion du chapitre331
14.6 Références bibliographiques332
15 La latence temporelle dans la boucle de réalité virtuelle
339
15.1 Introduction et posée du problème339
15.2 Définitions : délai, retard ou latence ?340
15.3 Comment mesurer la latence ?340
15.4 Les latences sont inhérentes à la technologie341
15.4.1 Latence des capteurs341
15.5 Systèmes de reconnaissance et multimodalité342
15.5.1 Latence et temps de transmission de l'information343
15.5.2 Latence et temps de traitement343
15.5.3 Latence et interfaces sensorielles344
15.6 Effet du délai sur la boucle sensorimotrice345
15.7 Délai et immersion : une cause de désorientation
spatiale et de simulator sickness ?347
15.8 Comment réduire les conséquences de la latence ?349
15.8.1 Déterminer les valeurs critiques de la latence349
15.8.2 Habituer l'Homme aux délais349
15.8.3 Prédire le mouvement pour anticiper350
15.9 Conclusions351
15.10 Références bibliographiques352
16 Éthique, droit et réalité virtuelle
357
16.1 Introduction357
16.1.1 Loi sur la protection des personnes se prêtant
à des recherches biomédicales357
16.1.2 Recommandations aux promoteurs et aux chercheurs358
16.1.3 Autorisation des lieux de recherches biomédicales
sans bénéfice individuel direct359
16.2 Ethique et droit360
16.2.1 Perspectives juridiques et éthiques selon Huriet360
16.2.2 Ethique et droit en télé-médecine360
16.3 Références bibliographiques361
VII Les usages de la réalité virtuelle en sciences de la vie
363
17 Interactions entre réalité virtuelle et sciences du comportement
365
17.1 Introduction365
17.2 L'apport de la réalité virtuelle aux
Sciences du Comportement366
17.2.1 Recherche fondamentale366
17.2.2 Recherche appliquée369
17.3 Apport des Sciences du Comportement
à la réalité virtuelle372
17.3.1 Quels sont les bons paramètres ?372
17.3.2 Le réalisme374
17.3.3 La notion de «temps réel»374
17.3.4 L'immersion et la présence376
17.4 Conclusions377
17.5 Références bibliographiques378