Traqueurs optiques
Interfaces de localisation et de commande

L’objectif de ce dossier est de présenter les interfaces permettant une localisation en temps réel de tout objet, ce qui permet le suivi de sa trajectoire, indispensable pour la réalité virtuelle. Dans ce domaine, l’objet à localiser est, soit une partie du corps du sujet (main, tête...), soit l’ensemble du corps, soit un solide manipulé par l’utilisateur. Ce sont donc des interfaces motrices car elles permettent au sujet d’agir sur le monde virtuel.

Dans bien des cas, nous employons les capteurs universels de localisation, souvent nommés par le néologisme « traqueur ». Ceux-ci mesurent seulement la position spatiale d’un repère mobile par rapport à un repère fixe. Nous pouvons aussi utiliser les interfaces spécifiquement conçues pour la localisation du corps ou d’une partie de celui-ci, telles que les combinaisons de données et les gants de données.

Le positionnement d’un repère mobile est parfaitement déterminé si le traqueur permet de mesurer les six degrés de liberté du repère. Ces six paramètres sont définis par la matrice de transformation géométrique entre ce repère et le repère fixe lié à l’environnement. Cette transformation est composée d’une rotation et d’une translation. Les paramètres peuvent être définis de différentes façons et, en général, les systèmes de mesure laissent à l’utilisateur le choix entre les différentes représentations. Le traqueur parfait n’existe pas. Tous les traqueurs présentés dans ce dossier ont au moins une contrainte d’exploitation ou des performances restrictives. Les techniques de réalité virtuelle sont pourtant très demandeuses de ce type d’interface. Mais concevoir et réaliser un capteur de localisation bon marché qui fournisse en temps réel (à une fréquence supérieure à 100 Hz) six mesures très précises, sans contraintes d’exploitation, est un challenge technique très difficile. Il peut paraître étonnant qu’à notre époque aux techniques très évoluées, donner six mesures en temps réel semble très complexe.

Les capteurs de localisation spatiale déterminent souvent les six paramètres liés aux six degrés de liberté. Mais certains capteurs ne mesurent que trois paramètres :

• les trois coordonnées liées à la translation de l’objet par rapport au référentiel ;

• les trois coordonnées liées à la rotation de l’objet ;

• les trois coordonnées liées à la localisation dans un plan.

Nous ne présentons dans ce dossier que les capteurs localisant un objet dans une zone restreinte, telle que l’espace environnant d’un ordinateur ou d’une pièce (quelques centimètres à quelques décamètres). Nous n’étudions donc pas les capteurs de navigation permettant la localisation terrestre, hors du domaine de la réalité virtuelle.

Un traqueur peut servir à manipuler un objet virtuel mais aussi à diriger un curseur symbolique dans un environnement virtuel. Dans le premier cas, l’utilisateur agit « naturellement » sur le monde virtuel, le traqueur se contentant de suivre le mouvement de sa main. Dans le deuxième cas, il s’agit en général de commander une action spécifique grâce au curseur : par exemple, se déplacer dans le monde virtuel en indiquant une direction, pointer sur un menu déroulant, commander symboliquement l’ouverture d’une porte, etc. Les traqueurs peuvent alors être remplacés par des « interfaces de commande » classiques (joysticks et souris 3D). Celles-ci, posées en général sur une table, permettent à l’utilisateur de commander manuellement le déplacement d’un curseur grâce aux mouvements relatifs de l’interface par rapport à une position neutre. Ces mouvements ont de faibles courses (quelques millimètres à quelques centimètres). Il ne s’agit donc pas de localisation dans l’espace de la main pour ces interfaces de commande qui sont basées évidemment sur d’autres principes que ceux des traqueurs.

Si un traqueur peut être utilisé en curseur 3D, les joysticks et les souris 3D ne peuvent être employés en capteur de localisation de la main de l’utilisateur. Au niveau cognitif, il faut noter que dans le cas d’un traqueur il s’agit de mouvoir « naturellement » un curseur, donc sans grand effort intellectuel. C’est une différence essentielle d’exploitation avec les souris 3D et les joysticks avec lesquels le curseur est mû grâce à une action manuelle, réfléchie et peu naturelle de l’utilisateur, sauf pour les habitués de ce type d’interface. Seules les souris 3D, moins classiques que les joysticks, sont présentées au paragraphe sur les interfaces de commande.

Comme nous l’avons indiqué, certaines interfaces de localisation ont été conçues spécifiquement pour positionner le corps de l’utilisateur ou une partie de celui-ci dans l’environnement virtuel. Bien évidemment, la partie du corps qui est souvent localisée est la main, grâce aux gants de données capables de mesurer les mouvements de la main et de ses doigts.

Une autre partie du corps qui est quelquefois localisée est l’ensemble des deux pieds pour certaines interfaces spécifiques de locomotion. Dans ce cas précis, l’objectif principal de l’interface n’est pas de déterminer précisément les mouvements des pieds, mais de permettre grâce à ces derniers une « locomotion » de l’utilisateur dans l’environnement virtuel. Ce dernier type d’interface n’est pas présenté dans ce dossier. Le lecteur intéressé peut trouver une présentation de ces interfaces dans « Le traité de la réalité virtuelle » [1]Le traité de la réalité virtuelle.

D’autres interfaces spécifiques mesurent les positions de l’ensemble du corps du sujet. Ces interfaces sont utiles lorsque l’on souhaite immerger « corporellement » tout le sujet dans le monde virtuel.

La suite de ce dossier présente donc en premier les traqueurs, selon les principes qu’ils exploitent : mécanique, électromagnétique, acoustique ou optique. Les interfaces de commandes sont ensuite explicitées. Ce dossier se termine par les interfaces spécifiques de localisation : les gants de données et les interfaces de localisation du corps.

Depuis la rédaction de la première version de ce dossier en 2002, les interfaces de localisation et de commande ont évolué techniquement et commercialement. Mais il n’y a pas eu d’exploitation de nouveaux principes de mesure. Cela implique qu’il n’existe toujours pas d’interface de localisation universelle (de même pour l’interface de commande) et que chaque type de dispositif a des avantages et des inconvénients.