La réalité virtuelle

Ludovic Blin

La Réalité Virtuelle

(octobre 1999)

DESS 226

Université Paris Dauphine

Sommaire

Introduction.................................................................................... 3

1. Caractéristiques d'un système de réalité virtuelle............ 4

1.1 L'univers virtuel............................................................... 4

1.2 L'interface homme-machine.......................................... 11

2. Les applications de la réalité virtuelle.......................................... 15

2.1 La science en général et la médecine en particulier......... 15

2.2 L'éducation, la formation et la culture.............................. 17

2.3 Le divertissement............................................................... 21

2.4 Autres applications............................................................ 26

3.Perspectives................................................................................. 27

3.1 Perspectives technologiques.......................................... 27

3.2 Perspectives économiques................................................... 29

3.3 Perspectives sociales......................................................... 31

Conclusion....................................................................................... 35

Bibliographie.................................................................................... 36

Introduction

Les ordinateurs prennent de plus en plus de places dans notre vie courante. Ils sont de plus en plus intégrés dans les objets du quotidien (téléphone portable, électroménager, ...). Mais l'approche d'un ordinateur pour un utilisateur moyen est rarement intuitive et fait grandement appel à sa capacité d'abstraction. La réalité virtuelle apporte un environnement dont chacun est familier puisqu'il est calqué sur notre réalité.

On peut définir la réalité virtuelle comme une combinaison de la simulation en temps réel et des interactions entre l'utilisateur et la machine au travers de multiples canaux sensoriels, ceux-ci correspondant aux cinq sens humains : la vue, le toucher, le goût, l'odorat et l'ouïe. Un système de réalité virtuelle à donc deux composantes : une « intelligence », et un système d'interaction.

Cette technologie, a souvent été décrite d'une manière fantaisiste dans les médias, mais fait l'objet depuis longtemps d'une importante utilisation scientifique, militaire et industrielle. Le système de simulation des essais nucléaires fait ainsi appel à ces technologies, de même que les simulateurs de vol sur lesquels se forment la plupart des pilotes.

Les progrès récents de l'informatique, ainsi que les économies d'échelle réalisée permettent maintenant, l'utilisation de tels systèmes sur des ordinateurs standards. Le développement d'internet ouvre de plus la voie à l'utilisation en réseau de cette technologie. La réalité virtuelle paraît donc être vouée à se développer rapidement.

Après avoir examiné les caractéristiques d'un système de réalité virtuelle (1), nous envisagerons ses applications (2) puis ses perspectives (3).

1. Caractéristiques d'un système de réalité virtuelle

On peut définir un système de réalité virtuelle par rapport à deux caractéristiques. Tout d'abord, son univers virtuel, c'est à dire la réalité alternative qui va être générée. Suivant ses applications, cette réalité peut-être le plus proche possible de notre monde, ou encore complètement différente.

Le deuxième élément caractéristique est l'interface homme-machine, ou encore le dispositif utilisé pour faire communiquer l'ordinateur avec l'homme. Plus celle-ci sera perfectionnée, plus l'impression de réel sera grande.

1.1 L'univers virtuel

Un univers virtuel répond à plusieurs caractéristiques (1) et est crée à l'aide de diverses technologies informatiques comme la technologie multi-agents (2), le VRML (Virtual Reality Modeling Language) (3), et les techniques de modélisation et de rendu 3d (4)

1.1.1 Caractéristiques

- Le degré de réalisme

Avant de pouvoir parler de réalité virtuelle, il faut définir un univers, avec ses propres règles qui peuvent être plus ou moins proche de celles du monde réel. Un jeu vidéo, qui utilise des règles inspirées de notre monde (par exemple la gravité) mais aussi d'autres totalement imaginaires, utilise ainsi un univers virtuel qui est totalement différent de celui généré pour satisfaire aux simulations d'essais nucléaires.

Le degré de réalisme de l'univers virtuel est en général fonction de la finalité de l'application, mais aussi et surtout de la puissance de l'ordinateur faisant fonctionner l'univers. (Le ministère américain de l'énergie utilise un supercalculateur IBM contenant 512 processeurs RISC pour faire tourner ses applications tandis qu'un jeux grand public en réalité virtuelle se satisfait d'un simple PC multimédia)

Plusieurs éléments jouent sur le degré de réalisme d'un système. On peut par exemple citer le respect des lois de la physique (gravité...) mais aussi la vraisemblance des comportements des habitants virtuels de l'univers gérés par l'ordinateur

La rapidité de réaction du système (aux actions des utilisateurs ou aux événements internes) est aussi une condition importante. En effet, le moindre temps d'attente peut nuire à l'impression de réalisme. Par exemple, un décalage d'un centième de seconde est perceptible par l'utilisateur.

- La navigation

L'utilisateur doit pouvoir se mouvoir dans l'image générée par le système. Il doit être capable de se déplacer librement et pouvoir regarder ou il veut.

Cette liberté est rendue possible par les techniques d'imagerie 3D (voir infra), et améliorée par plusieurs dispositifs hardware (voir infra) qui rendent la navigation plus intuitive et réaliste.

Cette possibilité correspond, si on l'applique, par exemple au cinéma, à pouvoir regarder une même scène selon divers angles.

- L'interactivité

L'interactivité est considérée comme une composante essentielle de la réalité virtuelle. Les utilisateurs doivent pouvoir influencer les événements qui ont lieu dans le monde virtuel, et non plus seulement les regarder. L'homme, qui était spectateur en devient acteur.

Divers outils qui permettent de créer des mondes répondants à ces caractéristiques ont été développés.

1.1.2 La technologie multi-agents

Un univers virtuel contient souvent une multitude d'éléments qui ont chacun des propriétés distinctes.

Par exemple, dans un jeu, tous les personnages gérés par l'ordinateur sont des éléments indépendants. Dans une application de simulation d'essais nucléaires, on pourrait considérer chaque atome comme un élément ayant ses propres propriétés.

Selon la technologie multi-agents, plusieurs composants (appelés agents) réalisent chacun une tache spécifique, interagissent et communiquent entre eux pour assurer

La cohérence, la complétude et la correction d'une activité globale. On peut donc parler d'intelligence distribuée.

On peut définir un agent intelligent comme une entité virtuelle qui :

- est capable d'agir dans son environnement.

- peut communiquer avec d'autres agents.

- est doué d'autonomie et est mu par un ensemble de tendances (objectifs individuels).

- possède des ressources propres.

- est capable de percevoir son environnement et de s'adapter à ses modifications.

- Ne dispose que d'une représentation partielle de son environnement.

- Possède des compétences et offre des services.

- Peut éventuellement se reproduire.

On remarquera aisément que cette définition est celle d'un organisme vivant dont le comportement qui se résume à communiquer, à agir et à se reproduire vise à la satisfaction de ses besoins et de ses objectifs à partir de tous les éléments dont il dispose.

Un système multi-agents est composé d'un ensemble d'objets situés dans un environnement (un espace). Parmi ces objets, certains sont des agents, d'autres sont des objets passifs qui peuvent être utilisés, détruits, modifiés, crées par les agents. Un ensemble de relations entre les objets de l'environnement est défini, comprenant les relations entre agents, entre objets passifs et entre objets passifs et agents.

Cette technique correspond donc au besoins d'un univers virtuel et permet de le faire vivre. Mais il faut d'abord le décrire.

1.1.3 Le langage VRML

Le VRML, abréviation de Virtual Reality Modeling Langage est utilisé pour construire des mondes virtuels en 3D sur le web. Il permet de modéliser les différents objets qui composent l'univers. Il peut, a l'instar de HTML (Hyper Text Markup Language) contenir des liens vers d'autres documents VRML ou HTML.

VRML est ainsi utilisé pour envoyer à un ordinateur une description d'un monde virtuel. Il nécessite un navigateur spécial. Il en existe plusieurs qui sont tous distribués sous la forme d'un plug-in pour Netscape ou Internet Explorer. Cela permet à l'utilisateur de naviguer librement dans la page VRML qui est en fait un monde virtuel en 3D.

Cette technologie est née lors de la première WWW conference à Genève en 1994.

La version 2.0 des spécifications à été finalisée en 1996 par le VRML Architecture Group

1.1.4 Les technologies d'images de synthèse

La vue étant probablement le sens le plus utilisé (en tout cas par l'informatique), les technologies permettant de réaliser des images de synthèse sont très importantes en ce qui concerne la réalité virtuelle.

La réalisation d'images de synthèse obéit à 3 étapes :

- La modélisation :

L'élaboration d'une image commence par la constitution d'un modèle de l'objet, appelé maquette numérique, qui est la représentation informatique de cet objet à partir d'informations géométriques. La méthode la plus classique consiste à raisonner en termes de surfaces. Chaque objet peut être décomposé en « facettes », ou polygones, qui, mis bout à bout, permettent de rendre compte de l'enveloppe extérieure d'un solide. Plus une maquette comporte de polygones, plus l'image qui en résulte est précise.

Au moment de l'affichage, l'objet ainsi reproduit se présente sous la forme d'une juxtaposition de facettes, dite « structure en fil de fer ». Il s'agit d'une représentation purement géométrique qui ne prend pas en compte les caractéristiques optiques de l'objet. Pour prendre un exemple, un dé comporte six faces, dont trois seulement au maximum sont visibles en même temps, puisque chaque face masque plusieurs autres. Dans la maquette numérique, en fil de fer, les six faces sont représentées.

Une fois les objets modelés, ils peuvent être animés.

- L'animation

Pour chaque objet, on indique comment il va évoluer dans le temps et dans l'espace, avec des algorithmes qui reproduisent des mouvements ou des lois de comportement (dynamique, cinématique, déformation, vieillissement...). Lorsqu'un comportement humain n'obéit à aucune « loi » déterminée (la marche, la danse, par exemple), l'animation peut être réalisée en partant des mouvements analysés sur une personne déterminée. Ce procédé, dit de « motion capture », consiste à placer sur une personnes un certain nombres de capteurs qui vont rendre compte avec précision des mouvements réalisés. Il est ainsi possible, par exemple, de capturer le mouvement d'un joueur de football pour pouvoir ensuite le reproduire sous la forme d'image de synthèses.

- Le rendu

C'est le calcul du rendu qui fabrique véritablement l'image de synthèse. Le calcul varie selon l'utilisation de l'image, selon le degré de réalisme que l'on cherche et la puissance de la machine utilisée.

Le rendu se décompose en plusieurs phases :

Le texturage : Chaque objet a un aspect, une texture, qui permet de déceler en un instant s'il s'agit de pierre, de bois, de tissus... Le texturage consiste à appliquer sur une surface un motif qui respecte les caractéristiques d'une matière, pour suggérer visuellement la nature de cette surface, comme par exemple le revêtement d'un mur ou une peau sur un squelette (en l'espèce, le modèle géométrique). Le texturage est l'une des principales composantes du rendu réaliste de l'image.

Une fois texturée, l'image doit faire l'objet du traitement des ombres et des intensités de lumière (lorsque le passage de l'ombre à la lumière se fait de manière continue : chaque point est affecté d'une luminosité différente, créant un dégradé de couleur qui permet de rendre compte des éclairages). Les propriétés de réflexion des objets rentrent aussi en jeu : chaque matériau, en effet absorbe ou renvoie la lumière. Cette propriété va jouer sur l'objet lui-même (les reflets, le scintillement) mais aussi sur les objets à proximité, puisque la lumière est envoyée sur les objets voisins.

Il existe divers techniques de rendu. Le « lancer de rayons » ou ray tracing, permet d'obtenir un « réalisme rutilant », par une simulation de l'optique géométrique, les rayons se reflètent ou se réfractent selon les matériaux. La radiosité permet d'obtenir un « réalisme feutré » calculé à partir des propriétés de réflectivité des matériaux. La lumière est analysée comme échange d'énergie entre surfaces, ce qui permet d'obtenir des lumières tamisées et des pénombres.

- Le « temps réel »

La caractéristique qui différencie la représentation en 3D utilisée pour la réalité virtuelle de celle utilisée dans les films d'animations est le temps de calcul. En effet, pour une bonne fluidité d'image, les opérations d'animations, de texturage, d'ombrage...doivent être effectuées au minimum 30 fois par seconde, et avec un temps de réponse aux commandes de l'utilisateur très bref.

Il faut donc des machines suffisamment puissantes.

1.2 L'interface homme machine

Par interface homme-machine, on entend les divers dispositifs qui sont destinés à améliorer les interactions entre l'homme et la machine et donc à favoriser l'immersion dans l'univers virtuel.

Il peut y avoir de nombreux types d'interfaces. Certaines sont même conçue uniquement pour un type de simulation. Par exemple, les simulateurs de vol utilisent comme interface le véritable cockpit de l'avion simulé.

Il existe aussi des matériels qui peuvent avoir une utilisation plus générale et que l'on retrouve dans de nombreux systèmes de réalité virtuels.

1.2.1 Le casque de réalité virtuel (Headset)

Le casque de vision a deux fonctions : il permet l'immersion et la navigabilité dans l'image. Le premier objectif est atteint par la disposition d'écrans situés très près des yeux, munis d'optiques spéciales afin d'éviter la fatigue visuelle et d'agrandir l'image pour qu'elle remplisse tout le champ de vision de l'utilisateur, ce qui donne l'impression d'être à l'intérieur de la scène reconstituée en images de synthèse. En sus des difficultés techniques communes à l'ensemble des activités relatives aux images de synthèse, la fabrication de casques suppose des qualités de poids d'ergonomie (aisance du port du casque), de design, et surtout de qualité d'optique complexes^. De plus, ces dispositifs sont reliés à l'ordinateur par un fil, ce qui restreint sa liberté de mouvement.

La seconde fonction du casque de réalité virtuelle est d'être un outil de commande de l'image, grâce à un dispositif de capteurs qui permettent de traquer les mouvements de la tête qui peuvent donc être analysés. Les capteurs sont utilisés pour déterminer l'orientation et la vitesse de ces mouvements.

L'image dans un tel casque occupe donc la totalité de l'angle de vision dont nous disposons. De plus, la position de la tête de l'utilisateur étant transmise en temps réel au système, cette technique garantit l'immersion et la navigation dans l'image puisqu'elle donne l'impression de diriger l'image par le regard.

Ce casque dispose aussi d'un dispositif sonore qui permet un rendu des sons en 3 dimensions.

1.2.2 Les « data gloves »

La main étant l'outil de base de l'homme, c'est le premier élément de son corps à apparaître dans la réalité virtuelle. Un « data glove » ou encore gant de capture, dispose de nombreux capteurs, reliés par de la fibre optique, qui permettent au système de « voir » les mouvements de la main de l'utilisateur. Celui-ci voit de même sa main en image de synthèse, celle-ci reproduisant les mouvements de l'original.

Le « data glove » permet aussi de commander la machine. Il est donc possible de désigner des objets, d'exécuter des programmes, exactement comme avec le pointeur d'une souris.

Le gant peut aussi servir à se mouvoir. Ainsi, il est possible de se diriger en montrant du doigt la direction à suivre.

1.2.3 Les combinaisons

Elles fonctionnent selon le même principe que les « data gloves », mais cette fois-ci, des capteurs sont disposés sur tout le corps, ce qui permet à une personne de rentrer entièrement dans la réalité virtuelle.

Mais ces combinaisons ont plusieurs inconvénients. En premier lieu, leur prix est encore prohibitifs, puisqu'elles coûtent au environ de 20 000 $ pièce pour les plus perfectionnées. De plus, le nombre de capteurs qu'elles contiennent est encore limité, ce qui limite la précision de la modélisation du corps de l'utilisateur.

1.2.4 Les technologies de retour de force

Les technologies de retour de force (ou « force feedback ») permettent de stimuler un 3^ème sens (après la vue et l'ouie), le toucher. On peut ainsi rencontrer une résistance, lors de certaines actions.

Ces technologies sont encore peut intégrées dans les « data gloves » et autres combinaisons, mais elles existent tout de même au travers d'accessoires dediés. Ceux-ci peuvent être d'une haute précision, comme les dispositifs utilisés en chirurgie, ou bien à bas prix et accessibles au plus grand nombre. On trouve ainsi sur le marché du jeu plusieurs acteurs qui propose des périphériques à retour de force, comme Microsoft avec ses joysticks, volants et paddle, ainsi que Logitech et d'autres.

On peut d'ailleurs remarquer d'une part l'apparition récente de cette technologie sur le marché grand public et d'autre part les baisses de prix constantes de ces produits, qui conduisent à penser que dans quelques années de nombreux périphériques d'entrée seront à retour de force.

Cette technologie est de toute manière essentielle à l'impression de réalisme et apporte un plus indéniable (sinon nécessaire) à l'immersion de l'utilisateur dans l'univers virtuel.

1.2.5 Le son en trois dimensions

Le son est un élément important du réalisme. On peut penser, par exemple, au bruit des pas (les siens et ceux des autres utilisateurs ou personnages).

Pour pouvoir être correctement rendu, le son doit d'une part être synthétisé en même temps que son événement générateur. Par exemple, un pas en avant doit déclencher instantanément le bruit correspondant. Le son doit de plus être placé au bon endroit dans l'espace.

Il existe diverses technologies qui répondent à ces critères. Celles-ci utilisent souvent les techniques inventées pour le cinéma ou le home cinéma (THX, Dolby Digital, DTS...) en les adaptant au monde de l'informatique. Le son est donc rendu en utilisant un ensemble de haut-parleurs : 2 voies avant, 2 voies arrière, 1 voie centrale, un caisson de basses. Cela permet une très bonne représentation tridimensionnelle du son.

Sur le marché grand public, par exemple, divers produits sont proposés comme par exemple la technologie Aureal3D, qui permet pour moins de 500F (hors haut-parleurs) d'obtenir un réalisme déjà saisissant.

2. Les applications

2.1 La science en général, et la médecine en particulier

Jean François Colona, dans son livre intitulé Expériences virtuelles et virtualités expérimentales, s'exprime ainsi: "L'image calculée et interactive est un champ de découverte qu'aucun autre moyen de communication ne peut égaler. Celui qui nierait l'intérêt de cet outil devrait tout autant refuser à l'astronome l'usage de ces yeux pour contempler les cieux". C'est donc sous l'angle d'accélérateur de connaissance que nous allons évaluer les potentialités de la réalité virtuelle appliquée au domaine des sciences et de la médecine en particulier. Quels sont les atouts de la réalité virtuelle en ce domaine ?

Tout d'abord, l'image libérée des contraintes de temps et d'espace. Elle permet de visualiser l'infiniment petit et l'infiniment grand, quelle que soit la durée du phénomène, de la nanoseconde jusqu'aux milliards d'années. Elle permet non seulement d'expliquer mais également de faire apparaître les failles des modèles existants et de tenter d'y porter une solution. De nouvelles applications y sont trouvées à un rythme qui ne semble que s'accélérer : simulation de tremblements de terre, simulations des climats actuels ou préhistoriques et de l'influence des mers disparues, l'origine des moussons, la simulation des effets de réchauffement de la planète. Analyse, modélisation et image sont désormais indissociables..

L'image est également un outil de découverte. L'image permet de visualiser le concret comme les choses qui le sont moins, qui sont en tous cas invisibles à l'oeil nu, un champ magnétique par exemple. Elle peut aussi faire surgir des formes imprécises, qui, bien que présentes dans une équation, ne pouvaient être appréhendées.

Enfin, l'image est elle-même source de sciences par une sorte d'effet en retour qui fait que ce qui n'existait au début qu'à titre d'illustration de la théorie ou de l'expérience scientifique devient cause de la connaissance scientifique elle-même. Envisageons par exemple le cas de la géométrie fractale, qui permet de représenter des formes dont les caractéristiques sont d'avoir la même structure à toutes les échelles (Ainsi une montagne, un rocher, présentent-ils la même structure géométrique, la même fragmentation. L'irrégularité de la surface d'une montagne est le résultat de l'irrégularité de la surface de chaque élément qui la compose). Il est évident que la géométrie fractale, comme le souligne Jean-François Colona n'a pu prendre son envol que le jour où les outils informatiques furent suffisamment puissants pour lui permettre de sortir de sa somnolence stérile. Un même phénomène paradoxal pourrait très bien avoir lieu avec la réalité virtuelle, qui se mettrait alors à nous apprendre le monde.

La médecine :

A en croire Grigore Burdea, chercheur à la Rudgers University, ce n'est pas dans le domaine des jeux vidéo que la réalité virtuelle verra son développement le plus important, mais plutôt dans la médecine, avec la création de simulateurs médicaux.

Certes ; le simulateur de vol a été et reste sans doute auprès du grand public l'application principale et la plus commune des simulateurs de réalité virtuelle. Il est cependant essentiel de percevoir que le marché de la simulation offre des débouchés en réalité beaucoup plus vaste.

C'est certainement dans le domaine médical que l'avancée technologique spectaculaire de ces dernières années s'est ressentie le plus vivement.. Endoscopie, images par résonance magnétique(IRM), scanner, autant de prouesses dont les utilisations ont considérablement amélioré la pratique quotidienne des gens de l'art. La chirurgie endoscopique est une bonne illustration de ce phénomène, puisque l'image y est couplée avec la robotique. L'image entraîne une amélioration du diagnostic, une plus grande efficacité des des soins et des interventions. Selon le président de la société américaine de radiologie, "la médecine de demain sera entre les mains de ceux qui sauront maîtriser les images médicales". Jusqu'à présent, ces progrès ont été réalisés grâce à des prises de vues (par fibres optiques) ou des représentations sous formes d'images numériques, transmises en direct, d'organes ou de parties d'organes. L'image de synthèse ouvre de nouveaux champs d'action.

2.2 La formation, l'éducation et la culture

La réalité virtuelle apporte un avantage décisif aux méthodes classiques d'enseignement. En effet, celles-ci sont axées très souvent sur l'apprentissage théorique. Les méthodes d'apprentissage pratique (exercices...) ne mettent que rarement leur sujet en conditions réelles de travail.

Les systèmes d'apprentissage par réalité virtuelle mettent l'utilisateur dans une situation qui s'approche beaucoup plus d'une situation réelle. Elles permettent ainsi d'acquérir, en plus du savoir, le savoir-faire, ce qui représente une avancée décisive.

Divers domaines en bénéficient déjà :

2.2.1 La formation : les simulateurs

Le marché des simulateurs a connu un grand développement, popularisé grâce aux simulateurs de vols des pilotes militaires ou civils. La simulation est en effet particulièrement adaptée à la formation à un métier, une fonction, en milieu hostile ou comportant des risques et/ou nécessitant l'utilisation d'un matériel coûteux, comme c'est le cas pour l'entraînement au pilotage d'avions de chasse et de transport.

Les simulateurs de vols ont donc été les premiers à être expérimentés avec succès, et ont permis de dégager certaines orientations techniques. Le simulateur d'aujourd'hui combine un matériel aussi proche que possible du matériel réel (cabine de pilotage représentée à l'identique), et si possible dynamique (avec vérins hydrauliques, bruit), et un écran de visualisation sur lequel défilent les images du programme d'enseignement, commandées par l'élève.

Les simulateurs de vols, dont l'usage est aujourd'hui systématique dans la plupart des armées de l'air et des grandes compagnies aériennes, s'adressent toutefois à un public averti, familiarisé à l'environnement réel. Le simulateur a pour objet de travailler les fonctions de pilotage, de provoquer les réactions du pilote. La priorité est donnée à la réaction de et à l'image, à l'interactivité pilote/écran, au détriment de la qualité graphique, secondaire dans cet exercice.

La chute des coûts des calculateurs et la volonté d'approcher de nouveaux marchés ont permis et imposé une amélioration significative du graphisme, sans pour autant enlever quoi que ce soit aux deux objectifs du simulateur : faible coût d'utilisation et qualité pédagogique.

L'argument financier est en effet important. La formation sur simulateur évite l'utilisation de matériels extrêmement coûteux, immobilisés ou affectés à la seule formation alors qu'ils peuvent être exploités commercialement (avion de transport). Les essais en vol ne sont naturellement pas totalement abandonnés mais leur nombre est limité.

L'économie indirecte peut être aussi importante, car le simulateur "à domicile" permet notamment d'éviter des stages à l'extérieur dans des centres de formation, toujours très coûteux. Motorola a ainsi expérimenté une formation sur simulateur d'une usine d'assemblage de composants électroniques et a estimé l'économie ainsi réalisée à 1 million de dollars.

En effet, les simulateurs sont utilisés dans d'autres industries que l'aéronautique. La SNCF, par exemple, à l'occasion de l'ouverture de la ligne Paris-Londres, a modélisé une grande partie des voies pour permettre aux conducteurs d'être sûr et efficaces dès l'ouverture publique en s'entraînant au préalable à l'aide de systèmes de réalité virtuelle.

- Un simulateur médical -

2.2.2 La culture

L'utilisation des images de synthèse en architecture a tout naturellement conduit les opérateurs à envisager de représenter non plus des projets, mais des bâtiments disparus. Lorsque le bâtiment est connu par des plans anciens, des documents et, d'une façon générale, lorsque la connaissance de l'édifice est sérieuse, il est tout à fait possible de le modéliser.

En 1992, la reconstitution en images de synthèse de l'abbaye de Cluny, fruit d'une coopération entre le conservateur du musée, les architectes de l'ENSAM et les ingénieurs d'IBM, a été l'une des premières opérations d'envergure ayant ouvert la voie à ce type d'application.

Des quartiers de Paris sous la Révolution, les pyramides d'Égypte, des cités Incas, ont également été réalisés. La reconstitution virtuelle du sanctuaire d'Athéna à Delphes en 1995, marque une évolution dans les techniques. Cette opération a été réalisée au profit de l'École française d'Athènes, par les écoles d'architecture de Nancy et Bordeaux, grâce à une opération de mécénat d'E.D.F.. Le projet différait des précédents dans la mesure où la maquette virtuelle n'était pas réalisée à partir de plans, mais à partir des ruines existantes, des éléments de construction subsistant sur le terrain. Ainsi, les pierres, tuiles, sculptures retrouvées sur place ont-elles été modélisées, et l'ensemble des matériaux a-t-il été assemblé comme un jeu de construction 3 D. La construction a pris forme peu à peu. Les tâtonnements ont permis de sortir d'impasses architecturales (pente du toit par exemple) et de recréer le site tel qu'il était à l'origine, selon toute vraisemblance. L'ensemble est incrusté dans une image du paysage naturel. Dans cet exemple, la réalité virtuelle n'a pas seulement permis de restituer ou visualiser des monuments disparus, mais aussi d'utiliser des outils de modélisation pour faire avancer les connaissances relatives à l'architecture du site.

De plus, ces techniques offrent l'avantage d'être accessibles au monde entier par l'intermédiaire d'internet. Il sera ainsi bientôt possible de visiter virtuellement depuis chez soi la reconstitution numérique d'un site historique.

Mais, il existe d'ors et déjà des musées virtuels, qui sont la reproduction de musée réel et qui sont accessibles soit par internet soit par CD-Rom. Il faut noter que ces productions utilisent le plus souvent des techniques de rotoscaping (juxtaposition d'images bitmap 2D recréant l'illusion d'une vue à 360°) et non pas une modélisation 3D.

2.3 Le divertissement

Les jeux vidéo et autres logiciels de divertissement constituent maintenant un marché non négligeable (le marché des jeux devrait constituer 50% du marché de la réalité virtuelle en 2001). Les jeux sont maintenant tous capables de communiquer avec des serveurs internet, de manière à pouvoir organiser des parties regroupant des joueurs de tous les endroits du monde.

D'un autre coté, les fabricants de jeux d'arcade proposent de plus en plus de divertissement axés sur la réalité virtuelle.

2.3.1 Les jeux pour ordinateurs personnels

Depuis longtemps, les jeux sont considérés comme des applications nécessitant beaucoup de puissance machine. Ceux-ci ont effet toujours bénéficié des progrès des microprocesseurs et intègrent désormais des techniques sophistiquées. Un PC de joueur est ainsi plus ou moins l'équivalent matériel d'une station de travail d'il y a quelques années. Les circuits graphiques dédiés à la 3D ont fait leur apparition depuis 3 ans et progressent désormais plus vite que la loi de Moore.

Les jeux ont donc acquit des caractéristiques intéressantes. On a vu que l'affichage avait fait de net progrès et la plupart des jeux bénéficient maintenant d'un rendu 3D avec l'utilisation de nombreuses techniques héritées des stations de travail (texturage, filtrage anisotropique, mipmapping, bump mapping ...). On peut d'ailleurs remarquer que la dernière version de DirectX de Microsoft, la librairie de fonctions (pour Windows 95-98) spécialisées dans les jeux, qui est incluse dans tout CD-ROM de jeu PC, est en fait une fusion entre les versions précédentes et la librairie graphique professionnelle OpenGL (Open Graphic Language), utilisée depuis des années sur les stations de travail.

Les jeux ont de plus fait de net progrès en matière d'intelligence artificielle. De nombreux jeux sont désormais basés sur des univers virtuels, peuplés de personnages autonomes gérés par l'ordinateur. On peut par exemple citer Half-Life de Sierra qui utilise un moteur de réalité virtuelle constitué d'un moteur graphique OpenGL et d'un système gérant notamment les lois de la gravité, l'intelligence artificielle des personnages (amicaux ou inamicaux) et le son en 3 dimensions. Le tout est de plus totalement reprogrammable, de l'intelligence artificielle des personnages aux propriétés des objets en incluant aussi la modélisation graphique de l'univers.

On retrouve ainsi sur internet de nombreux passionnés qui ont créé leur propre univers pour ce jeu. Une des nouvelles fonctionnalités offertes par les jeux est en effet la faculté de communication. Il est ainsi possible, à toute heure du jour ou de la nuit, de trouver des partenaires pour une partie d'un jeu vidéo.

La plupart des éditeurs ont en effet monté des sites qui regroupent un très grand nombre de joueurs en même temps (des dizaines ou des centaines de milliers).

Microsoft a ainsi lancé Internet Gaming Zone ( http://zone.msn.com ). Il existe d'autres acteurs comme Blizzard entertainment avec son site Battle.net ( www.battle.net).

- La croissance de la population de joueurs online -

D'autres éditeurs ont eu choisi de s'intéresser aux jeux uniquement online. Ces jeux bénéficient d'un monde virtuel en temps réel qui ne s'arrête jamais (ou de temps en temps pour des raisons de maintenance) et dont les joueurs sont les habitants, aux cotés de personnages gérés par l'ordinateur. Ces jeux accueillent plusieurs dizaines de milliers de joueurs qui paient un abonnement mensuel dont le prix est en général d'une centaine de francs (ou 15-20 $ ou €).

Ces jeux ont suscité un engouement incroyable dans la communauté des joueurs (on prévoit 26 millions de joueurs connectés en 2002). Ainsi, des joueurs d' Ultima Online (Origin), un des précurseurs de ces jeux, vendent sur eBay des propriétés virtuelles que leur personnage a acquit dans le jeu. Les sommes peuvent atteindrent plusieurs milliers de dollars pour des propriétés conséquentes (un château par exemple).

D'autres éditeurs sont aussi présents sur ce marché, comme Sony avec Everquest, et Cryo Interactive avec Mankind.

- Mankind -

2.3.2 Les jeux d'arcade

Les jeux d'arcade bénéficient traditionnellement d'une interface homme-machine plus évoluée et adaptée à chaque jeu. Ainsi, certaines techniques de réalité virtuelle ont fait des salles de jeu leur terrain de prédilection.

La réalité virtuelle existe depuis longtemps dans ce domaine. On peut citer comme précurseur le Battletech Center de Chicago, qui propose un système de jeu en réseau basé sur des combats de robots futuristes. Chaque joueur bénéficie d'une cabine de pilotage dédiée et une dizaine de joueurs peuvent s'affronter durant des parties qui durent en moyenne 30 minutes.

Ces jeux se sont depuis répandus un peu partout dans le monde (mais très peu en France). Il existe ainsi, par exemple une salle de jeu similaire à Montréal.

A Londres, Sega, un des plus gros acteurs du marché du jeu vidéo a ainsi crée un centre de jeux vidéo, qui occupe cinq étages dans le centre de la ville, et qui est organisée autour de quelques attractions phares, toutes basées sur la réalité virtuelle.

Il est ainsi possible d'expérimenter les accessoires coûteux que sont les casques, gants ou combinaisons de réalité virtuelle.

Par contre au niveau software, la différence entre ces jeux et ceux existant sur les consoles et les ordinateurs personnels tend à s'estomper. En effet, la production de masse de microprocesseurs dédiés à l'affichage 3D fait baisser les coûts d'une manière importante et rend accessibles les dernières technologies au plus grand nombre.

Par exemple la prochaine console de Sony, la Playstation 2 est dotée d'un microprocesseur contenant 43 millions de transistors soit cinq fois plus qu'un Pentium III. Sa puissance de calcul en virgule flottante dépasse le gigaflop (le dernier microprocesseur de Motorola, le G4 dispose aussi d'une telle puissance et à été interdit à l'exportation vers des pays sensibles par le gouvernement américain).

Les jeux d'arcade s'orientent donc vers l'intégration de dispositifs d'interface homme-machine coûteux mais bénéficient de la baisse des microprocesseurs et des circuits graphiques.

2.4 Autres applications

Il existe de nombreuses autres applications de la réalité virtuelle. Celle ci est utilisée dans :

- L'architecture

- Le domaine militaire

- La conception assistée par ordinateur

- La chimie (simulation du comportement des molécules)

- La simulation de situations dangereuses (ex : essais nucléaires)

- Le tourisme

- L'aide aux handicapés moteurs

De plus, le champ d'application des technologies de réalité virtuelle ne cesse de s'étendre, et celle-ci offre des perspectives intéressantes tant sur le plan technique que sur le plan économique et social.

3. Perspectives

3.1 Perspectives technologiques

Nvidia, l'un des principaux acteurs, du marché des processeurs graphiques grand public, vient d'annoncer un produit qui dispose d'une puissance de calcul dédiée à l'affichage 3D supérieure à un gigaflop. Le nouvel Apple, axé sur un microprocesseur Motorola G4 ainsi que la prochaine console Sony (la Playstation 2), annoncent des puissances similaires. Sur le marché des processeurs centraux, le renforcement de la position d'AMD, avec le lancement d'un nouveau produit, l'Athlon entraîne un renouveau de la course aux performances. Il devient ainsi possible d'afficher en temps réel, sur un ordinateur grand public, des scènes 3D composée de plus de 25 000 polygones (contre entre 5 et 10 000 actuellement), ce qui représente un accroissement considérable de la précision et du réalisme de l'image.

Les fabricants de cartes son, vendent déjà des produits offrant un son 3D dont la technologie est adaptée de celles utilisée dans le cinéma (THX...), pour l'informatique (Aureal 3D et Environmental Sound de Creative Labs). Ces produits se vendent notamment sous forme de pack comprenant l'électronique et les enceintes pour moins de 1000F.

Ces perspectives, qui annoncent déjà des progrès rapides ne sont pourtant que des perspectives à court terme (6 mois). En effet, le rythme de progression de la puissance des circuits intégrés devrait rester le même pendant au moins dix ans. De plus, l'arrivée de systèmes d'exploitations plus performants et basés sur une architecture 64 bit devrait conduire le software à utiliser le hardware d'une manière plus efficace.

On peut donc facilement imaginer que dans cinq ou dix ans, l'affichage des images 3D en temps réel sur un ordinateur abordable, sera du niveau des films d'animations ou des effets spéciaux d'aujourd'hui (voir par exemple, le réalisme des effets spéciaux du dernier film de George Lucas, La Menace Fantôme). Les capacités d'intelligence artificielle des ordinateurs seront de même grandement améliorées. En effet, on estime que l'intelligence artificielle d'un ordinateur de base sera équivalente à celle d'un homme à partir de 2040. Sans aller aussi loin, dans moins de dix ans, le seuil psychologique du milliard de transistors par circuit sera probablement dépassé, entraînant un accroissement de l'intelligence des machines dans de nombreux domaines (génération d'image 3D, reconnaissance des formes, des visages et des voies, auto-apprentissage, auto-réparation,...).

Les interfaces homme-machine progressent plus lentement. On peut néanmoins penser que les dispositifs visuels vont se répandre relativement rapidement (on trouve déjà des lunettes à vision stéréoscopique en « bundle » avec certaines cartes 3D). En effet, leur prix prohibitif est souvent lié à leur fabrication en petite série.

Mais d'autres technologies s'annoncent. En effet, par exemple, une équipe de chercheurs a récemment expérimenté un dispositif de connexion directe au cerveau de l'utilisateur. L'expérience consistait à repérer à l'aide de dispositifs d'imagerie médicale (IRM, scanner...) les zones du cerveau qui sont en activité lorsque l'utilisateur pense à un mouvement défini. Une fois cette opération effectuée, des électrodes reliées à un ordinateur ont été implantées à ces endroits précis, permettant à la machine de saisir des pensées simples de l'utilisateur. Cette expérience a eu des résultats satisfaisants, puisque le sujet de l'expérimentation s'est révélé capable de faire bouger le pointeur d'une souris de haut en bas et de bas en haut. Ces recherches ouvrent donc la voie à des possibilités phénoménales, d'autant plus que cette technique est aujourd'hui limitée par la précision des dispositifs d'imagerie médicale 3D. Mais cette précision est en progrès constant, ce qui permet de penser que ces recherches, qui en sont encore au stade de recherche fondamentale, ont des chances d'aboutir un jour.

Les perspectives technologiques sont donc florissantes, et de nombreuses sociétés ont d'ors et déjà compris que cela ouvre la porte d'un marché important.

3.2 Perspectives économiques

D'ors et déjà, le marché de la réalité virtuelle attire de nombreux acteurs. Celle-ci s'est jusque là développée sur la base d'applications coûteuses, surtout utilisée dans le domaine professionnel. Mais le progrès technique entraîne inexorablement la démocratisation de la réalité virtuelle.

Le marché devrait donc se développer en s'étendant d'un marché constitué de plusieurs niches, à un marché de masse. C'est ainsi que le marché du jeu vidéo devrait occuper la moitié du marché de la réalité virtuelle.

Répartition des marchés de la réalité virtuelle par produits (hors jeux vidéo) (millions de dollars)
1995		1996	1997	1998	1999	2000	2001	Croissance annuelle	Services
40,0		68,7	86,7	117,0	156,0	204,0	276,0	+ 38 %	Périphériques
24,7		28,2	35,4	46,3	59,6	75,6	99,6	+ 26 %	Software
19,0		24,0	32,8	52,1	96,6	164	302	+ 58 %	Hardware
51,2		59,3	76,2	104,0	146,0	216,0	328	+ 26 %	TOTAL
135,0		180,0	231,0	319,0	458,0	659,0	1006,0	+ 40 %	Source : Ovum

On voit que le software dispose d'une perspective de croissance importante. Il est possible de corréler ce fait, avec l'implication croissante de grands acteurs de l'informatique et de l'électronique grand public tels Microsoft ou Sony.

Répartition des marchés de la réalité virtuelle par applications (hors jeux vidéo) (millions de dollars)
1995		1996	1997	1998	1999	2000	2001	Croissance annuelle	Design
54,0		68,5	69,3	95,6	137,0	165,0	252,0	+ 33 %	Formation
27,0		39,7	57,8	79,7	91,6	132,0	201,0	+ 40 %	Visualisation de bases de données
6,7		9,0	23,1	31,8	68,7	132,0	201,0	+ 76 %	Vente et marketing
20,2		27,0	34,7	47,8	68,7	132,0	201,0	+ 40 %	Maintenance
27,0		36,0	46,2	63,7	91,5	98,8	151,0	+ 33 %	TOTAL
135,0		180,2	231,0	318,6	457,8	659	1006	+ 40 %	Source : Ovum

Plusieurs facteurs conduisent à la croissance du marché de la réalité virtuelle :

- La disponibilité d'applications de réalité virtuelle sur des ordinateurs standards.

- L'utilisation de la réalité virtuelle sur internet (on peut ainsi envisager nombres d'applications liées au commerce électronique).

- L'utilisation de la réalité virtuelle sur réseau local.

Sur un plan géographique, le marché devrait se répartir en deux secteurs d'un poids équivalent, l'Europe et l'Amérique du Nord, devançant l'Asie.

Répartition géographique du marché de la réalité virtuelle
1995		2001		Taux de Croissance par année
M$		%	M$	%
67		50	370	37	+33%	Europe
52		38	351	35	+37%	France
4		3	82	8	+64%	Asie
9		7	202	20	+68%	Reste du monde
7		5	89	9	+52%	Total
135		100	1006	100	+40%

3.3 Perspectives sociales

A quel point la réalité virtuelle peut-elle changer la vie des hommes d'aujourd'hui et de demain ? La question est rendue plus pertinente encore au regard de l'évolution technologique exponentielle de ces dernières années : seul un petit nombre de personnes avaient conscience, il y dix d'ans, des progrés qu'on aurait apporté aux machines aujourd'hui ; sommes-nous davantage aptes à deviner l'évolution future ? Or le nerf de la guerre en matière de réalité virtuelle, c'est bien l'avancée technologique et sa contrepartie économiques, à savoir la diminution progressive du prix des technologies sur un marché sans cesse croissant. Comme le rappelle à ce propos fort utilement Grigore Burdea, déjà cité, "aujourd'hui avec un micro-ordinateur à 5000$ il est possible de faire les mêmes choses qu'avec une machine qui coûtait 100000$ il y a cinq ans."

C'est sans doute l'éducation qui verra d'emblée les avancées les plus spectaculaires. L'intérêt de l'utilisation de la réalité virtuelle dans ce domaine, c'est son côté éminemment ludique. Ceci peut sembler paradoxal, parce qu'on a l'habitude, dans notre société, d'opposer travail et loisir ; mais force est de constater que cette opposition n'est pas avérée partout, nous en voulons pour exemple la civilisation hellénique ou les mots école et loisir avaient la même origine. Mais il y a plus : toutes les données qu'on a pu retirer en matière de psychologie de l'enfant plaident en faveur de l'enseignement par le jeu, comme favorisant- mémoire et concentration.

Il n'est en effet pas interdit de penser qu'un rapprochement essentiel qui aura lieu aux cours des prochaines années sera celui entre le marché de l'éducation par le virtuel et le jeu virtuel. Dans des jeux vidéo comme Hexen, Doom, Half Life, le joueur évolue dans un univers fantasmagorique fait des corridors, des salles, d'escaliers, de rivières souterraines... Qu'est ce qui interdit de penser que des jeux aussi éminement ludiques que ceux-ci auront bientôt pour univers des monuments historiques existant réellement ou encore le corps humain, l'univers des atomes ? Mais il y a plus : avec le développement d'Internet ; il va devenir de plus en plus facile pour l'utilisateur moyen de se procurer des programmes de simulation médicale, ou de pilotage pour professionnels, etc... C'est en fait une chance et un défi extraordinaires laissés à l'éducation que d'avoir à se réapproprier la sphère du jeu : l'éducation du 21 ème siècle sera ludique ou ne sera pas.

" A Vr computez is a computer world that tricks the senses or mind. A virtual glove might give you the feel of holding your hand in water or mud or honey. VR cybersuit might make you feel as if you swam through water or mud or honey. VR grew out of cockpit simulators used to train pilots and may shape the home and office multimedia of the future. The idea of advanced Vr systems as future substitutes for sex and drugs and classroom training iis the stock and trade of modern science fiction or 'cyberpunk' writing."

Bart kosko in Fuzzi Thinking, 1993

La question a fait l'objet de plus d'un ouvrage de science fiction : quelles garanties offrir à la morale et à l'éthique en générale face à l'apparition d'une technologie aux si diverses applications ? Ce n'est ici pas tant l'incitation au crime et la violence que l'on redoute que le cloisonnement, l'autisme d'un utilisateur perdu dans l'univers virtuel distillé par sa machine et qu'il pourrait préférer au réel.

La question est d'autant plus pertinente que la consultation médicale dans le domaine de la psychologie de l'enfant dénonce depuis une dizaine d'années l'augmentation exponentielle de cas de névroses observées chez les jeunes joueurs assidus de console et autres jeux vidéos. On sait la liaison qui semble exister entre une pratique excessive de jeux vidéos et certains meurtres en série spectaculaires qui eurent lieu ces dernières années aux Etats-Unis et ailleurs. Il est impossible que les techniques envisagées aux cours de cet article et ayant pour fin d'optimiser l'immersion de l'utilisateur dans l'univers virtuel de sa machine n'accroisse pas également la dose d'affect investi par l'utilisateur sur elle. Le film Matrix sorti récemment avec un succès incontestable au box-office joue précisément sur l'ambivalence qui existe entre ces deux mondes virtuels et réels qui s'affrontent dans le futur. Dans ce film, c'est l'humanité toute entière qui est immergé dans une "matrice", sorte de vaste univers virtuel qui semble avoir totalement éclipsé le véritable. En étant moins alarmiste, notons toutefois le conflit idéologique qui opposera les partisans de la liberté de circulation des informations et ceux d'une forme plus ou moins avérée de censure. Il est évident que ce que l'on pressent ici c'est un vaste mouvement de réflexion sur la régulation du phénomène Réalité Virtuelle, et, à travers lui, une réflexion de toute une société, de ses intellectuels, de ses spécialistes et des citoyens sur les limites à poser, s'il en faut, face aux diverses sollicitations qu'offrent ces technologies.

Cependant, s'il est clair que certains problèmes d'éthique ou reliés demeurent dans l'attente d'une solution, il faut souligner également les vastes possibilités offertes par ces systèmes en terme de gestion du travail. L'interface d'un programme comme Windows est conçue actuellement en 2d, mais il est clair que la disposition des fichiers à travers une interface 3d serait encore plus performante, elle permettrait à l'utilisateur de visualiser plus d'informations en une fois. Dans un autre domaine, ce genre de techniques couplées à l'utilisation d'Internet permettront à un architecte et son client, à un ingénieur et au maître d'oeuvre de dialoguer à distance en se promenant dans le bâtiment virtuel au gré de leurs explications (paradoxalement, la réalité virtuelle pourrait aussi rapprocher les gens.)

Conclusion

La réalité virtuelle paraît donc avoir une place à prendre dans la réalité économique, scientifique et sociale. Il apparaît que cette technologie, rodée par un usage industriel scientifique et militaire important, commence à accéder depuis quelques années aux marchés de masse.

La fantastique progression des technologies liées à la réalité virtuelle, conjuguée à la fuite en avant provoquée par le modèle économique de l'innovation, qui est de plus en plus appliqué par les entreprises devraient faire naître de nouveaux services. D'autant plus que la réalité virtuelle bénéficie d'une certaine « aura » vis à vis du consommateur moyen. C'est aussi une technologie qui permet de ressentir des émotions, peut-être le premier pas de l'ordinateur vers l'humanité. On peut d'ailleurs penser que des problèmes d'éthique et de morale, comparables à ceux engendrés par la télévision et les jeux vidéos, se poseront.

Il est même probable que ces technologies, à long terme, changeront encore plus l'idée de distance, abolissant ses contraintes. Dans vingt ans, nous travaillerons dans un bureau virtuel, entouré de nombreux collègues, tous répartis à la surface du globe, et cela depuis chez soi.

Bibliographie :

- Les virtuoses du virtuel, Le Monde Interactif, 15 juin 1999.

- Le virtuel revient à la réalité, Le Monde Interactif, 21 juin 1999.

- Le 6^ème sens, celui du commerce, Le Monde Interactif, 16 juin 1999.

- Trois questions à Grigore Burdea, chercheur à la Rudgers University, Le Monde Interactif, 15 juin 1999.

- Chirurgie haptique, Le Monde Interactif, 16 juin 1999.

- Des formes pour saisir le fond, Le Monde Interactif, 16 juin 1999.

- Profil :MAA, ingénieur et artiste, Le Monde Interactif, 15 juin 1999.

- Rapport d'information n°169, Images de synthèse et monde virtuel, techniques et enjeux de société, Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, 1997.

- Low cost virtual reality head-mounted displays and vision, Tom Piantanida, Virtual Perception Program, SRI International.

- A virtual reality user interface for a design information system, Mark K.D. Coomans, Eindhoven University of Technology.

- Virtual reality, the technology and its application, Information Market Observatory, Luxembourg.

- Intelligent product manuals, D.T. Pham, S.S. Dimov and R.M. Setchi, University of Wales, Cardiff.

- Virtual reality in Medical Training, Patient assesment and trauma care simulation, Research Triangle Institute, 1999.

- A framework for understanding the role of virtual reality technology in facilitating cross-functionnal and interdisciplinary communication, Tim Watts, Manchester Business School.

- Virtual Reality Modeling Language, paper presentation, [e-mail].