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L'essentiel sur...

La réalité virtuelle

Publié le 12 décembre 2017

​Nouveaux smartphones, casques de réalité virtuelle… aujourd’hui, tout le monde connaît de près ou de loin la réalité virtuelle. Elle permet de s’immerger, grâce à un ensemble de technologies, dans une reproduction numérique du monde réel ou dans un monde imaginaire. La réalité virtuelle est présente dans des domaines très variés allant du cinéma à la recherche, en passant par les jeux vidéo et l’industrie. Quelles sont les technologies associées à la réalité virtuelle ? Quels sont ses enjeux dans l’industrie et la recherche ? L’essentiel sur… la réalité virtuelle.

QU'EST-CE QUE LA RÉALITÉ VIRTUELLE ?

La réalité virtuelle s’appuie sur un ensemble de technologies qui immergent une personne dans une reproduction numérique du monde réel ou dans un monde imaginaire. Plus le nombre de sens mobilisés est important – la vue, l’ouïe et le toucher – et plus l’immersion est efficace.

Grâce à différents outils comme des lunettes stéréoscopiques (le même type de lunettes que pour regarder des films en 3D) ou un casque immersif, l’utilisateur peut se déplacer dans un environnement plus ou moins sophistiqué, en 3D. Il peut vivre également une expérience interactive en manipulant virtuellement des objets, jusqu’à en ressentir le poids et la texture. L’expérience peut être enrichie par des manettes, gants, volants ou autres interfaces haptiques, pour des interactions plus complexes. Toutes ces interactions avec l’environnement virtuel ont lieu en temps réel.

Au-delà des scènes visibles en images de synthèse, l’immersion peut intégrer un avatar, qui évolue dans la scène au gré des intentions de son utilisateur. Toutes ces performances sont rendues possibles grâce à d’importants développements logiciels et algorithmiques qui permettent de restituer fidèlement l’environnement et de simuler finement les interactions entre les différents objets de la scène virtuelle au millimètre et à quelques millisecondes près.

VidéoQu'est-ce que la réalité virtuelle ?


Réalité virtuelle,
augmentée et mixte, késako ?


La réalité virtuelle est l’ensemble des technologies qui permettent une immersion dans une reproduction numérique du monde réel ou dans un monde imaginaire. 

La réalité augmentée permet d’incruster, superposer à la scène réelle d’un flux vidéo capté par une caméra, des images virtuelles fixes ou animées en temps réel. Il existe déjà de telles applications dans le tourisme : monuments et restaurants sont ainsi montrés sous leur apparence d’il y a 500 ans ou décrits sur l’écran des smartphones en temps réel. 

Un cran supplémentaire sera franchi avec la réalité mixte : il sera possible d’interagir avec un objet virtuel (personnages, objets, machines…) incrusté dans la captation vidéo de la scène réelle. Par exemple, on pourra étudier et valider l’utilisation d’un robot grâce à son avatar virtuel au stade de la conception, tout en le pilotant dans un environnement industriel réel.

 

L'HISTOIRE DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE EN QUELQUES DATES CLÉS

La réalité virtuelle apparaît dans les années 50, d’abord dans le domaine du cinéma. Depuis, les progrès dans le domaine du numérique – logiciel, graphisme, algorithme, optimisation des capacités de calcul - ont permis de développer les technologies de réalité virtuelle dans de nombreux secteurs de l’économie. Aujourd’hui, la mise sur le marché de casques de réalité virtuelle (ou casques VR) permet aux industriels et au grand public des expériences immersives beaucoup plus accessibles.


Années 50-60 

L’ancêtre de la réalité virtuelle est le Sensorama. Cette machine, imaginée en 1956, puis créée en 1962 par Morton Leonard Heilig, cinéaste, philosophe et documentariste permettait à son utilisateur de regarder un film en s’immergeant dans un univers 3D, comme s’il y était. La particularité de cette machine était qu’elle pouvait stimuler différents sens comme la vue, le toucher, l’ouïe et l’odorat. Cette machine est restée au stade de prototype car sa production aurait coûté trop cher.

En 1963, Ivan Sutherland, ingénieur en informatique, écrit un programme informatique nommé Sketchpad. Ce logiciel est considéré comme l’ancêtre des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO), aujourd’hui utilisés par tous ceux qui font de la 3D. Pour cette invention, Ivan Sutherland reçoit en 1988 le prix Turing, qui récompense une personne ayant contribué à la communauté informatique avec une importance technique majeure et durable. 

De 1965 à 1968, Ivan Sutherland, et son étudiant Bob Sproull, développent un nouveau moyen de visualiser des images de synthèse : l’Ultimate Display, ou Épée de Damoclès. L’Épée de Damoclès était un casque avec détecteur de mouvement intégré. Il porte ce nom en raison du bras mécanique nécessaire pour traquer les mouvements de la tête.


Années 80-90

En 1984, le CEA et l’IRISA créent le premier système de réalité virtuelle à retour d’efforts dans le cadre du grand programme national de recherche en automatique, ARA. Il s’agissait d’utiliser en temps réel des modèles 3D de l’environnement d’un robot téléopéré. Une première dans le domaine de la recherche.

Parallèlement, Jaron Lanier, chercheur en informatique, et Thomas Zimmerman, l’inventeur du gant sensitif, fondent VPL Research en 1985, une société pionnière dans le domaine de réalité virtuelle. Ensemble, ils inventent plusieurs moyens d’explorer la réalité virtuelle dont le « Dataglove » en 1987, ou « gant de données ». Ce gant comporte des capteurs et permet à un utilisateur de saisir un objet virtuel et de le manipuler, en numérisant en temps réel les mouvements de la main. La société va également développer les premiers casques de réalité virtuelle de la NASA, le casque VIEW. Ce dernier permettait d’immerger les astronautes dans diverses situations spatiales et de les entraîner. Ce casque était accompagné d'une combinaison qui permettait un suivi complet des mouvements du corps.


L’expression « réalité virtuelle » fut proposée et utilisée pour la première fois en 1989, par Jaron Lanier, fondateur de la société VPL Research. 

En 1995, le CEA propose au monde industriel le premier système de simulation de poste de travail robotisé à retour d’efforts en bénéficiant des avancées dans le domaine des calculateurs qui ont permis de représenter des environnements complexes en 3D et surtout en temps réel.

Ces avancées majeures ont permis de donner naissance à une véritable école française de réalité virtuelle industrielle qui, à partir du début des années 2000, a commencé à pénétrer les bureaux d’étude de tous les grands groupes industriels dans les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile.


Aujourd'hui

Les progrès réalisés dans le domaine informatique améliorent toujours plus le réalisme et les interactions en temps réel de la réalité virtuelle. Parmi les innovations de rupture, la démocratisation des casques VR permet de réaliser des expériences immersives à moindre coût. En effet, il y a encore quelques années, le cave ou la salle immersive était l’unique moyen de réaliser de telles expériences. Mais ce moyen reste onéreux et lourd à mettre en œuvre. La réalité virtuelle est dans une phase de « révolution » et nombre de promesses sont encore à explorer.

VidéoRéalité virtuelle : une porte vers un nouveau monde


LES OBJECTIFS DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE

Pour répondre aux besoins et aux envies des industriels et du grand public, les moyens se déploient sans cesse pour rendre la réalité virtuelle encore plus performante et permettre davantage d’interactions.
En améliorant les technologies de réalité virtuelle, les chercheurs poursuivent plusieurs objectifs :

  • Voir et manipuler des objets imaginaires : les chercheurs et les utilisateurs peuvent laisser libre cours à leur créativité, et ainsi trouver des réponses à des questionnements qui étaient impossibles à résoudre sans réalité virtuelle.

  • Vérifier et valider les concepts, les process, les produits avant la réalisation d’un prototype. Tester une maquette numérique avant de passer à une maquette réelle permet d’économiser du temps et de l’argent.

  • Former à de nombreux métiers nécessite d’acquérir le « geste parfait » et les interfaces haptiques (bras articulés, manettes, gants, certains casques VR) participent à cet entraînement, par exemple pour des opérations de peinture, de pilotage d’avion, de chirurgie… voire d’apprentissage en auto-école.  La réalité virtuelle peut également aider à soigner les phobies : l’immersion à l’aide des casques de réalité virtuelle permet à des personnes atteintes de phobies, comme la peur de l’avion ou la peur des araignées, de dépasser leur peur. Ils sont aussi de précieux outils pour apprendre à réagir aux situations de crise et à divers aléas.

  • Étudier et diagnostiquer les postes de travail, établir leur cotation ergonomique, c’est-à-dire évaluer les postures des membres, du cou, et du tronc selon une grille d’observation. Les chercheurs peuvent, grâce à la réalité virtuelle, évaluer la pénibilité des tâches, repérer les postures pouvant entraîner des troubles musculo-squelettiques, et ainsi les prévenir. La réalité virtuelle permet aussi de déterminer si un geste humain est possible, compte tenu des contraintes de l’environnement où il sera réalisé et de mettre en place une éventuelle assistance cobotique.

  • Simuler le réel pour assurer la sécurité d’une activité. 



LES DOMAINES D'APPLICATION DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE


L'usine du futur

Le recours croissant au numérique est devenu incontournable pour optimiser l’outil de production, dès sa conception, mais aussi simuler la réalisation de tâches ou superviser le fonctionnement des robots. La réalité virtuelle et la réalité augmentée contribuent ainsi de façon croissante à la formation industrielle et à l’apprentissage de certaines techniques de maintenance. 

Parmi les industries intéressées par les technologies de réalité virtuelle, de grands constructeurs automobiles et, pour la partie grand public, des concepteurs de salles d'arcade et de jeux vidéo avec lesquels sont menés des projets collaboratifs de serious game. Certaines sociétés spécialisées dans les outils d'évaluation HSE (Hygiène – Sécurité - Environnement) ont montré comment la cotation ergonomique pouvait contribuer à modifier le design d'un poste de travail. 

VidéoLa réalité virtuelle : quelles applications ?


Démantèlement nucléaire

La réalité virtuelle est utilisée par les acteurs de la filière nucléaire pour notamment intervenir en milieu « hostile ». Dans le cadre de projets de démantèlement nucléaire, les équipes peuvent utiliser des solutions logicielles (salle de réalité virtuelle 3D immersive) et technologiques (équipements téléopérés sur une maquette réelle à l’échelle 1) pour les aider à concevoir, tester et optimiser les scénarios de démantèlement. Concrètement, la salle immersive reconstitue en trois dimensions les chantiers de démantèlement à réaliser grâce à un robot, ainsi qu’une reproduction « image » du robot lui-même. 

Un poste complet de téléopération (bras haptique à retour d’effort, baies de contrôle-commande...) similaire à ceux utilisés sur le terrain, permet aux téléopérateurs de se former ainsi que de tester les capacités du robot. Au-delà de la formation des opérateurs, la simulation et la modélisation sont très utiles pour préparer les interventions et définir les dispositifs de radioprotection nécessaires.


Recherche fondamentale

La réalité virtuelle intéresse aussi la recherche fondamentale. Par exemple, dans le domaine de la santé ou de l'archéologie, l'utilisation de la réalité virtuelle procure de nouvelles capacités de visualisation et d'interaction pour modéliser de nouvelles molécules ou se mettre 'à hauteur' de nos ancêtres dans leur environnement reconstitué.


Loisirs

Les casques de réalité virtuelle sont de plus en plus utilisés pour les loisirs : jeux vidéo, audiovisuel pour permettre aux usagers une immersion toujours plus proche de la réalité. 


AnimationQuiz sur la réalité virtuelleAfficher en plein écran





Notions clés

  • Haptique : A retour d’efforts, qui répercute les forces (comme le poids) et les chocs.

  • ​​Avatar : Représentation de l’opérateur dans le monde virtuel.













































Capture de
mouvement

Pour interagir avec le décor, l’opérateur et ses mouvements doivent être captés en temps réel, puis répercutés dans le théâtre virtuel simultanément. Il a fallu de nombreuses années de travaux de recherche pour rendre ces simulations physiquement et bio-physiquement réalistes. Plusieurs méthodes de capture de mouvements existent, suivant le type de capteurs utilisés : optiques, gyroscopiques, angulaires ou magnétiques.







































































































































Réalité virtuelle et formation dans le domaine de la santéLa réalité virtuelle au service de la formation dans le domaine de la santé. © P.Stroppa/CEA




















La cobotique

La cobotique, ou robotique collaborative, vise à développer des technologies robotiques en interaction continue avec l’homme. La recherche porte sur la sécurité et l’efficacité de l’interaction « homme-robot » et sur de nouvelles architectures de cobots, depuis les systèmes d’amplification d’effort jusqu’aux exosquelettes.







Magazine

Savanturiers n°22 sur la réalité virtuelle

Les Savanturiers, N°22 -
La réalité virtuelle, une porte vers un nouveau monde